基于单片机的电子较音器设计.docx
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基于单片机的电子较音器设计
本科学生毕业设计
基于单片机的电子校音器设计
院系名称:
电气与信息工程学院
专业班级:
测控技术与仪器08-2班
学生姓名:
指导教师:
职称:
副教授
黑龙江工程学院
二○一二年六月
TheGraduationDesignforBachelor'sDegree
DesignofElectronicSoundCalibratingDeviceBasedonMCU
Candidate:
Specialty:
Measurement-ControlTechnology
andInstrumentation
Class:
08-2
Supervisor:
AssociateProf.QuGuibo
HeilongjiangInstituteofTechnology
2012-06·Harbin
摘要
目前市面上现有的乐器校音器有很多种,传统校音器只能使乐器的音调精确到一定范围,在很大程度上还依赖乐师的听力和判断,这对于广大的乐器初学者是极其不方便的。
基于单片机的电子校音器设计正是为了克服传统校音器的各种缺点而设计的,并且其使用方法可以为广大的乐器初学者所掌握,对乐器的学习提供进阶的辅助,并可以为多种乐器如吉他、小提琴、琵琶等需要经常校音的乐器校音,便于随身携带,有助于培养音乐爱好者们的乐感和听力,从而在音乐学习过程中事半功倍。
本设计采用AT89S52单片机作为单片机电子校音器的核心,以MAX9812L作为音频放大芯片,LM567作为音频译码芯片。
校音时不需发出标准音,空弦音由校音器的话筒输入,用单片机对音高的误差进行计算,并把频率的误差转换为音乐上所用的音分的误差,再通过数码管显示出来,具有使用方便、直观、调音精度高的特点。
关键字:
乐器;电子校音器;单片机;数码管;音分误差
ABSTRACT
Atthepresenttherearealotofkindsoftunersatthemarketforthemusicalinstrument.Traditionaltunershavetheirownlimitation,theycanonlystandardizethemusicalinstrument’stonalityonacertainlimits.Thischaracteristicmakethetunersintheverygreatdegreethatthecalibrationrelyonmusicianslisteningandjudgment.itmakeextremelyunconvenientforthebeginnerofmusic.WedesignthetunerbasedonMCUtoovercometheweaknessofthetraditionaltuners.Thischaracteristiccanbeusedforthemajorityofthemusicalinstrumentbeginnersmaster.Anditcanhelpthebeginnerofmusictoimprovetheirstudy.Sothebeginnercandolessformoreontheirstudy.Thistunercancalibratalotofmusicalinstrument,suchasguitar,violin,luteandsoon.Thetunerisconvenienttocarryin.
ThiscurriculumdesignuseAT89S52MCUtomaketuner.Whenitiscalibratingitneednotastandardpronunciation.Theopenstringputinthetunerthoughthemicrophone.ThistuneruseMCUtoseektheerrorofcalculationandtraslationtheerrortocenterror.ThendisplayitbyLEDs.Thischaracteristicmakethetunereasytouse.Andithashighaccuracy.
KeyWords:
MusicalInstrument;Tuner;MCU;LEDs;Error
第1章引言
1.1课题背景
随着社会的不断发展,人们从谋求物质生活富足逐渐向追求文化生高活品位发展,业余自学音乐的人越来越多,学习声乐就自然少不了视唱练习,学习乐器就自然少不了为乐器校音。
目前市面上现有的乐器校音器多为手动调音器,很大程度上是依赖于调音师的听力与技术经验,只能达到一定的精度范围。
而调音师需要经过严格的培训,是乐器的调音较难实现。
这就迫切的需要我们设计一款调音器,它能够让广大的非专业音乐者对乐器进行准确的校音。
电子校音器的设计解决乐器初学者的校音问题,由此可见,电子校音器设计的重要性。
1.2电子校音器的发展概况
传统校音都是使用机械音叉,音叉有共振频率,当设备振动频率与音叉共振频率接近时,音叉就会共振发声,当拨动琴弦时,是琴弦的频率和机械音叉形成共振[1],从而达到校音的目的它只能使乐器的音调精确到一定的范围,而且使用机械音叉测试乐器也挺麻烦,它还依赖乐师的听力和判断。
传统中的音叉弯成并行叉形的金属棒,敲击叉形上部发音。
为英国著名小号演奏家J.修尔于1711年所发明。
音叉发音主要是基频振动,因而泛音极少,且十分纯正。
近代音叉是经19世纪中叶巴黎科学家改进的,到19世纪末,美国的芝加哥人德岗用钢条代替音叉,制成6条一套,将每条的音的音高定为每秒435~440赫兹,每条之间的频率相差1赫兹,以便于各种标准音高定音之用。
常用的音笛校音法,便是调节弦的张力使音笛声和对应的空弦音混合后的声音没有抖动,即差拍为零,这时两音源的频率相等,就调准了空弦音。
此方法要求人能听出两个声音的差拍,掌握起来有一定的困难。
音管主要有以下两种:
1、簧管:
最方便、最大众化的一种,至今仍很流行。
为金属或塑料制小管,内附簧片,外刻音名。
有一管和多管的。
一管的以C为标准音,多管的每管一音;也有一管两音,每端一簧。
小提琴专用有CDAE4管,吉他专用有6管,有的并成圆盘形。
2、哨管:
长尺余,一端有哨嘴,另端为活动推塞,上有刻度,按刻度推动活塞,可获得不同标准音高。
最初用于弦乐器定音,18世纪初盛行于教堂合唱班,当时音高等于每秒442.5赫兹。
管音易受温度与湿度影响,在音准方面不及音叉。
随着技术的进步,电子校音器越来越广泛地被使用,他克服了乐师听觉差距所产生的校准误差。
电子校音器用半导体、集成电路等装备的现代仪器,能发出要求的音高,也能显示乐器发音的音高,能检测并显示乐器音调与标准音符的偏差,并使人知道所校准的音符。
现在有的电子调音器又同时具有节拍器功能,并且增设了音频接口,可以为电声乐器提供内部信号传输,使得电声乐器校音变得更加方便,即使在很嘈杂的外界环境下亦能不受干扰。
目前的电子校音器有以下几种:
发光二极管显示,LED液晶显示和电磁圈指针显示[2]。
LED液晶显示以其携带方便及价格适中被大多数人使用。
发光二极管显示精度不够高。
电磁圈指针显示普遍价格偏高。
现在大量使用的校音器有音叉、音管、手动电子校音器、自动电子校音器。
自动电子校音器:
用半导体、集成电路等装备的现代仪器,能发出要求的音高,也能显示乐器发音的音高[3]。
这种仪器正逐渐被推广使用。
自动校音器的广泛应用依赖于单片机在校音器中的应用,单片机电子校音器的应用推动了整个电子校音器行业的发展,是电子校音器更加的智能化,更加的精确。
1.3电子校音器的设计目的和意义
校音器是校正音高或给予标准音高的工具。
种类甚多。
目前市面上现有的乐器校音器有很多种,传统校音器只能使乐器的音调精确到一定范围,在很大程度上还依赖乐师的听力和判断,这对于广大的乐器初学者是极其不方便的。
基于单片机的电子校音器的设计能通过对所给音调频率的采样、判断与计算,最后通过LED显示具体音调,并显示其与标准音符音调的偏差。
基于单片机的电子校音器校音时不需发出标准音,空弦音由校音器的话筒输入,用单片机对音高的误差进行计算判断,并把频率的误差转换为音乐上所用的音分的误差,通过发光二极管显示误差,具有使用方便、直观、调音精度高的特点[4]。
克服传统校音器的各种缺点,并且其使用方法可以为广大的乐器初学者所掌握,对乐器的学习提供进阶的辅助。
并可以为多种乐器如吉他、小提琴、琵琶等需要经常校音的乐器校音,便于随身携带,有助于培养音乐爱好者们的乐感和听力,从而在音乐学习过程中事半功倍。
1.4电子校音器研究方法与技术路线
1、查阅国内外资料,了解电子校音器的现状,单片机的应用及发展情况相关资料。
剖析一些电子校音器的典型产品,吸取同类产品的优点。
根据目前电子校音器的发展趋势和现有的设计条件根据上述总体实现方案,确定软硬件设计方案;
2、根据设计方案进行硬件设计,进行电路参数的计算,选择元器件,绘制电路原理图;
3、根据技术需求,进行电路原理图的设计,绘PCB图、制板,焊接,得到试验电路板,对电路板按功能模块进行调试,分析调试时产生的故障并进行排除。
同时编写单片机所用程序,分块化处理各部分功能并进行调试。
4、根据软件方案进行项目的软件流程图设计,软件源代码的编写、调试;
5、软硬件联合调试。
1.5电子校音器设计基本内容及重点解决问题
1、技术要求:
(1)完成接收乐器发出音调的信号采集;
(2)实现滤波器对音调中谐波的过滤;
(3)在单片机中完成音调频率的采样、判断与计算;
(4)通过LED显示灯显示音调的音符及其与标准音调音符的偏差。
2、拟解决的主要问题
(1)单片机系统的设计:
对单片机进行选型,并对单片机核心系统的软硬件进行设计。
(2)对电路中的谐波去处进行考虑,选择去除谐波的方法和仪器。
(3)考虑频率测量的精度与误差,选择测量频率的方法。
(4)对信号转换成方波而保持原有频率不变进行考虑,并选择合适的转换发法和电子元器件。
第2章总体方案设计
2.1系统的总体方案设计
单片机校音器设计分为两部分,硬件设计及软件设计。
硬件部分主要由拾音器、运算放大、滤波电路、方波转换电路、单片机及LED显示部分组成。
软件部分主要完成单片机对信号的频率测量,及使用单片机比较分析信号频率与标准频率,并用LED进行显示。
图2.1总体设计框图
上图2.1为硬件设计框图。
系统主要由单片机AT89S52控制完成频率的测量、音分的判断与音差的计算。
信号的收集使用麦克风,麦克风可以最大程度避免音乐在收集时的失真,将乐器所发的声音录入,将声音信号转化为电信号。
谐波处理与方波转换采用音频译码器LM567,乐器发音谐波比较丰富,很难用整形的方法将其转化成与其基波频率相同的脉冲,因此采用锁相环音频译码器LM567来解决这一问题。
时钟电路采用12M的晶振提供,为单片机提供时钟电路及频率测量时的的标准时钟。
2.2电子校音器的基本原理
2.2.1空弦音机器频率
一般把频率440Hz定为标准音A4。
频率增加一倍,音阶增加一倍。
因此880Hz为A5,而220Hz为A3。
从A4到A5要经历如下12个音[5]:
A4,A4#,B4,C5,C5#,D5,D5#,E5,F5,F5#,G5,G5#
这12个音的频率组成一个等比数列,因此可以求出每两个音之间的频率比是
(2.1)
所以A4#的频率为:
(2.2)
为了提高调音器的精度,在每两个相邻的音之间再插入8个中间音,以A4,A4#为例,用如下形式表示:
A4,A4+1,A4+2,A4+3,A4+4,A4#-4,A4#-3,A4#-2,A4#-1,A4#
这样每个小刻度提高的频率倍数为:
(2.3)
我们可以利用这个最小刻度比来计算出音调和频率的对应表。
若调音器程序能找出输入信号的频率,再通过这张表就可以查得相应的音调了。
由于在每两个音调中插入了8个中间值,所以调音器可以很准确地显示出输入声音与标准音调之间的细微差别,以便于用户对乐器进行手工调整。
我们通过计算得出吉他每一根空弦音的理论音高(十二平均律的),然后看泛音调弦方法得到的音高是不是与之相等即可。
对于标准音高a1=440.0000Hz,那么按照12平均律所生成的各弦空弦音分别为[6]:
1弦空弦,音高e1,频率为
(2.4)
2弦空弦,音高b,频率为
(2.5)
3弦空弦,音高g,频率为
(2.6)
4弦空弦,音高d,频率为
(2.7)
5弦空弦,音高A,频率为
(2.8)
6弦空弦,音高E,频率为
(2.9)
2.2.2单片机测频原理
单片机电子校音器设计,归根到底最主要的是测量乐器发出的乐音的频率,并将此频率与标准音进行比较,因此用单片机测量频率就成了设计的重点。
频率测量是电子测量技术最基本的参数测量之一,频率作为一种基本的物理量,其测量问题等同于时间测量问题。
频率测量方法取决于所测频率范围和测量任务,但是频率的测量频率是不变的。
仪器仪表中的频率测量技术主要有直接测量法、测周期法(组合法)、倍频法、F-V法和等精度法等[7]。
各种方法并不孤立,需要配合使用才能准确测量频率。
以下讲述以单片机为核心的频率测量系统的基本原理。
1、频率的直接测量方法——定时计数法:
根据频率的定义,若某一信号在t秒内重复变化n次,则可知其频率为f=n/t。
直接测量法就基于该原理,即在单位闸门时间内测量被测信号的脉冲个数,简称为“定时计数”法[8]。
直接测量法就是在给定闸门时间信号中填充脉冲,通过必要的计数电路,得到填充脉冲的个数,从而算出待测信号的频率或周期。
框图所示为直接频率测量的基本电路,被测信号经信号调理电路转换为同频的标准方波,供单片机测量使用。
例如,正弦波经过零比较器即可转换为方波。
图1.1定时计数法框图
2、通过测量周期测量频率的方法是根据频率是周期的倒数的原理设计的,即f=1/T。
这里周期T=nTb,Tb为标准时钟,频率为fb。
在测量周期时,被测信号经过1次分频后的高电平时间就是其周期。
运用该方法,一般采用多周期测量取平均值的方法,以减小误差。
以下是其基本原理框图。
图1.2测周测频法框图
3、在直接测频的基础上发展的多周期同步测量法,在目前的测频系统中得到越来越广泛的应用。
多周期同步法测频技术的实际闸门时间不是固定值,实际应用中,一般在0.1~10s间选择,即在高频段时,闸门时间较短,低频时闸门时间较长。
这样依据被测频率的大小自动调整闸门时间宽度Tc测频,从而实现两成的自动转换,扩大了量程的测频范围,实现了全范围等精度测量,减小了测量时的误差,消除了对被测信号技术时产生的±1个字误差,测量精度大大提高,而且达到了在整个测量频段的等精度测量,故多周期同步法测频技术又称为等精度测频法。
4、频率-电压(F-V)转换法测量频率:
F-V转换器是一门专门实现频率-电压线性变换的器件,这样通过A/D测量电压就可得知被测信号的频率。
该方法和测量频率测量周期的方法都属于间接的测量方法。
综上所致,目前的电子校音器大部分都是手动电子校音器,显示的精度有限,还需要很多的手工操作才能完成操作。
随着电子行业的发展,电子校音器也必将朝着智能化方向发展,将达到更高的精确度与准确度。
而单片机应用于电子校音器使电子校音器有了飞速的发展,是调子校音器更加的精确与智能化。
2.3单片机的选择
2.3.1AT89S52功能特性描述
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容[9]。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
AT89S52主要性能:
1、与MCS-51单片机产品兼容;
2、8K字节在系统可编程Flash存储器;
3、1000次擦写周期;
4、全静态操作:
0Hz-33MHz;
5、三级加密程序存储器;
6、32个可编程I/O口线;
7、三个16位定时器/计数器;
8、六个中断源;
9、全双工UART串行通道;
10、低功耗空闲和掉电模式;
11、掉电后中断可唤醒;
12、看门狗定时器;
13、双数据指针;
14、掉电标识符。
2.3.2AT89C2051的功能描述
AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机,片内含2kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128bytes的随机数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,AT89C2051单片机在电子类产品中有广泛的应用。
AT89C2051是一带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储器(EEPROM)的低电压,高性能8位CMOS微处理器。
它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS-51指令集和引脚结构兼容。
通过在单块芯片上组合通用的CPLI和闪速存储器,ATMEL的AT89C2051是一强劲的微型处理器,它对许多嵌入式控制应用提供一定高度灵活和成本低的解决办法。
AT89C2051提供以下标准功能:
2K字节闪速存储器,128字节RAM,15根I/O口,两个16位定时器,一个五向量两级中断结构,一个全双工串行口,一个精密模拟比较器以及两种可选的软件节电工作方式。
空闲方停止CPU工作但允许RAM、定时器/计数器、串行工作口和中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM内容但振荡器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一个硬件复位。
主要性能
1、和MCS-51产品兼容;
2、2KB可重编程FLASH存储器(10000次);
3、2.7-6V电压范围;
4、全静态工作:
0Hz-24MHz;
5、2级程序存储器保密锁定;
6、128*8位内部RAM;
7、15条可编程I/O线;
8、两个16位定时器/计数器;
9、6个中断源;
T89C2051的引脚图功能说明:
1、VCC:
电源电压。
2、GND:
地。
3、P1口:
P1口是一个8位双向I/O口。
口引脚P1.2~P1.7提供内部上拉电阻,P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。
P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入(ANI0)和反相输入(AIN1)。
P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。
当P1口引脚写入“1”时,其可用作输入端,当引脚P1.2~P1.7用作输入并被外部拉低时,它们将因内部的写入“1”时,其可用作输入端。
当引脚P1.2~P1.7用作输入并被外部拉低时,它们将因内部的上拉电阻而流出电流。
4、P3口:
P3口的P3.0~P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/O口引脚。
P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。
P3口缓冲器可吸收20mA电流。
当P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。
用作输入时,被外部拉低的P3口脚将用上拉电阻而流出电流。
P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
5、RST:
复位输入。
RST一旦变成高电平所有的I/O引脚就复位到“1”。
当振荡器正在运行时,持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。
每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。
6、XTAL1:
作为振荡器反相器的输入和内部时钟发生器的输入。
7、XTAL2:
作为振荡器反相放大器的输出。
8、可编程串行通道。
9、高精度电压比较器(P1.0,P1.1,P3.6);
10、直接驱动LED的输出端口。
2.3.3AT89C2051与AT89S52的比较与选择
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
AT89C2051是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含2kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,AT89C2051单片机在电子行业中有着广泛的应用[10]。
AT89S52和AT89C2051最大的区别就是C52需要把芯片从线路板上抠下来放到编程器上烧写程序,之后再放回去,极不方便。
S52就不用,可以在线路板上预留一个10芯的插座,用不了10芯好像6芯就够了。
之后不用抠下芯片就可以编程,非常方便。
这就是最大区别,所以经过综合考虑选择AT89S52。
2.4拾音器
拾音器是一种靠接收声音震动,将声音放大的电声学仪器。
拾音器产品通常分为主动式和被动式两种类型;按性能分有声乐吉他拾音器和监控用拾音器[11]。
2.4.1拾音器功能原理
前期PeakFire拾音器多采用高增益、内部频率补偿的双运算放大器NE5532,从而实现信号放大及降噪作用。
在此类拾音器中,由于只采用简单的RLC选频网络,会出现噪音去除不干净的现象。
高性能拾音器,产品内置数字降噪及浮点相位处理芯片,可以最大限度地降低噪音,还原人声,适合于性能要求高的环境。
在拾音器演进中,模拟拾音器将会被数字拾音器所超越。
数字拾音器增加了时钟电路、储存器、数字处理器。
识别数字拾音器的办法:
用一个喇叭播放人的声音,另外一个人在同样距离说话,带回声抑制功能的拾音器会拾取人说话的声音而喇叭播放的声音会被消除。
2.4.2拾音器设计/选择
有太多的因素会影响拾音器最终的音色。
下面的介绍能够帮你理解拾音器是如何影响音色的,你也可以中了解如何更聪明的选择拾音器来升级你的吉他或者得到不同特性的音色。
1、拾音器的输出功率大小与磁芯的磁力的强弱和线圈匝数(绕的圈数)的多少成正比。
但它同时也会对音色特征产生影响,应该在输出功率强度与音色之间寻找平衡。
2、任何线圈都是会接收
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