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淮 阴 工 学 院毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名:曹原 学 号:1071205641专 业:电气工程及其自动化设计(论文)题目:琴弦音频测定仪的设计软件部分指 导 教 师:王文杰2012年02月24日 毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告1结合毕业设计(论文)课题情况,根据所查阅的文献资料,每人撰写2000字左右的文献综述文 献 综 述1.1琴弦测定的来源与琴弦测定的意义 作为乐器家族中弦乐器的一员,吉他是一种通过拨动上面一根根的琴弦发出声音的有弦的演奏乐器。弹奏时用一只手拨动琴弦,另一只手的手指抵在指板上,后者是覆盖在琴颈上的金属小条。弹奏出来的声音会通过吉他的共鸣箱得到增强。吉他在不压弦时所弹出来的音,叫吉他的空弦音。吉他是一种十二平均律乐器,钢琴也是,目前绝大多数的音乐场合都是在使用十二平均律。利用12平均律的计算方式可以得到每根弦的空弦音对应基频的频率,如下:1弦空弦,音高E,频率f = 440.0000 / 2 ( 5 / 12 ) = 329.6276 Hz2弦空弦,音高B,频率 f = 440.0000 / 2 ( 10 / 12 ) = 246.9417 Hz3弦空弦,音高G,频率f = 440.0000 / 2 ( 14 / 12 ) = 195.9977 Hz 4弦空弦,音高D,频率 f = 440.0000 / 2 ( 19 / 12 ) = 146.8324 Hz 5弦空弦,音高A,频率f = 440.0000 / 2 ( 24 / 12 ) = 110.0000 Hz 6弦空弦,音高E,频率 f = 440.0000 / 2 ( 29 / 12 ) = 82.4069 Hz吉他的调音方法及其调音工具吉他、小提琴等弦乐器经常需要进行校音,通过调节弦的张力来调节弦的振动频率(即空弦音的音高)。作为一个吉它手,调音是必备技术之一,很难想象,一个吉它手每次弹琴前都需要别人替他调弦,那可真是不可思议。关于调音的方法,主要有以下几类:(1)六音笛法。六音笛是专门为吉它调音设计的,其六个音与吉它的六根弦在音高和排列顺序上都是一一对应的,所以只要吹响一个笛音,记住其音高,调整相应弦的音高与其相同即可。据此调完六根弦。(2)单音笛法。单音笛是适合所有乐器调音的工具,自然也包括了吉它。一套单音笛一般是一组完整的自然音阶,但我们只要选用其中一支笛就可以了,这样随身携带十分方便。至于选哪个音笛,完全根据自己习惯,但一般是吉它弦的六个音:E、A、D、G、B、E中的一个。调音时,先调准与单音笛同音的那根弦,然后据此调准其它弦。(3)听电话音法。拿起电话听筒(或按下免提),听到的忙音就是一个国际标准的A音。先据此调准第五弦A,然后再据此调好其它弦。(4)听自然泛音法。调音结束后,可采用听自然泛音法再加以更精确的校准。其原理是:吉它的十二品自然泛音应与空弦音相同。分别弹出空弦音,以及该弦十二品自然泛音,如果音准相同,则调弦准确,反之该弦不准,还要调整。(5)听拍音法。调音初步准确后,找出不同弦上的两个共同音,同时弹响,如果发出的声音是象波浪一样一起一伏的,即有拍音,那么说明其中一弦肯定不准,需再作调校。因为如果两音频率完全一致,双音合成之后,声波的振幅叠加是完全和谐的,不会出现拍音。只有频率有差别时,才会产生交错叠加,出现强弱不匀的拍音现象。(6)看弦法。在已调好的一根弦上找出下一根你要调校的弦的空弦音的位置,弹响,保持其声响,然后调校那根空弦,直到其产生共振为止。再进一步,可以仔细观察共振情况:如果琴弦呈振动、很快衰减、再振动的状态,则说明有拍音,尚未很准;如果和原先弹响的音一起慢慢衰减,则说明二音十分一致,调音很准。以上几种方法可以根据不同情况加以采用。其共同的要求是调弦者的听音能力要好,对初学音乐或者音阶听力不是很好的人来说掌握起来有一定的困难。我们已经了解到了传统吉他调音法的弊端,那么怎么才能使调音变更简单更精确呢?为此我们设计制作了以单片机为核心的电子校音器,校音时空弦音由校音器的话筒输入,用单片机对空弦音的频率进行计算判断,并通过液晶显示模块把频率显示出来,从而让调弦者明白调整方向及调整幅度,反复几次,直至将琴弦频率调准。其具有使用方便、直观、调音精度高的特点。我们这次设计的是吉他校音器,只要对程序和电路稍作改动就可以成为其它乐器的校音器。1.2 课题在国内外发展状况目前市场上也存在类似的琴弦音频测定设备,与我们设计的测定仪相比,它们普遍存在的缺点是体积较大,对使用环境要求比较苛刻,耗电量大,价格昂贵等。我们设计制作了以单片机为核心的测定仪,通过LCD显示更加直观地显示。以其大量的显示信息量、寿命长、耗电量小、重量轻、空间尺寸小、稳定性高、易于操作、携带和维护等特点将在市场上扮演越来越重要的角色。毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告1.3查阅资料对课题研究的启发为单片机资料查阅已经结束了,我学到了很多西,无论是在单片机理论方面还是在课题研究方面都得到了很大的进步。我们已经学习单片机这门课程,感觉学习单片机有点难。为了做好这次毕业设计,我们查阅大量的资料。我们确定了音频测定的基本方案,即FFT的方法测定声音频率。基于此设计方案,我们选择用8051单片机用于核心处理,用C51编制程序,LCD12864用于显示。对于音频测定的参数,我也有了大概的了解,用于测量音频时,为了减小误差,使频率在零点几赫兹之内,我们用电子计数法通过单片机进行控制。由于单片机的较强控制与运算功能,电子计数法的测量频率范围宽,精度较高。现在对课题的设计已经有了较深入的理解。参考文献1 康华光. 电子技术基础模拟部分.第五版.北京:高等教育出版社,2006.12 应有勤.中外乐器文化大观.上海:上海教育出版社,20083罗伯特迪尔林.你不可不知道的世界乐器. 北京:中国旅游出版社,20074 梅丽凤,王艳秋,张军.单片机原理及接口技术.北京:清华大学出版社,20085陈晓荣 ,蔡萍 ,周红全. 基于单片机的频率测量的几种实用方法:学位论文,上海:上海交通大学自动检测研究所,20036 丁昕,李子健.基于8051单片机的频率测量技术:学位论文,江西:东华理工学院,20077 何立民.单片机应用技术选编.北京:北京航空航天大学出版社,19968 周立功.增强型80C51单片机速成与实战.北京:北京航空航天大学出版社,20039 李华. MCS51单片机实用接口技术.北京:北京航空航天大学出版社,199310 谭浩强. c程序设计(第三版).北京: 清华大学出版社,200511 康华光. 电子技术基础数字部分.第五版.北京:高等教育出版社,2006.112 赖寿宏.微型计算机控制技术.北京:机械工业出版社,1994:909513 王津主编.单片机原理及应用.四川:重庆大学出版社,2000:201614 张毅刚. MCS51单片机应用设计.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,199015 周航慈.单片应用程序设计技术.北京:北京航空航天大学出版社,1990毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段(途径)2.1本课题要完成的任务演奏弦乐乐器前应先调准每根弦的音调,对于初学者或音阶听力不好的人来说,虽然可以通过一些方法(如用于调吉他的“第5把位按弦调法”)调弦,但要达到较高的准确度既费时又不容易。本设计针对这一问题,设计一个琴弦音频测定仪,可以帮助初学者或音阶听力不好的人准确、快速地校准琴弦音调,而且体积小,携带和使用都很方便。 这里所说的琴弦音频测定仪,准确来说,应该叫测音器,它可以测量出吉他的音准(音分的偏差程度),通过显示,将因人而异的听觉转换成直观的视觉,以帮助人们判断吉他的音准.琴弦音频测定仪的基本原理是,调弦器检测待调弦的发声频率,然后将此频率与标准的频率比较,显示差距,从而让调弦者明白调整方向及调整幅度,反复几次,直至将琴弦频率调准。2.2本课题要研究或解决的问题(1)声波是一个幅值逐渐衰减的过程,所以采集的时间要合理,否则无法采集到合理的信号。(2)发音是有很多的泛音成分,及含有许多谐波,所以需要合适的选频电路或滤波电路。(3)由于声音的采集与程序能否同步是一个问题,因为声音是人在采集是拨动琴弦,这个时间能否使程序能够准确的响应执行是要解决的。(4)采集声音信号时的抗干扰能力是要解决的问题。因为环境会干扰采集的精度,怎样让采集的抗干扰能力需要解决。2.3拟采用的研究手段琴弦频率测量部分设计利用单片机的T0、T1的定时计数器功能,来完成对输入的信号进行频率计数,计数的频率结果通过lcd1602显示出来。要求能够对琴弦信号的频率进行准确计数,计数误差不超过1HZ。量频率有两种方法,一个是采用计数法,即测量单位时间内脉冲的个数,从而得到脉冲信号的频率,这种方法有一个明显的缺点:当频率较低时测量精度低,如果测量时间为1秒时精度只能达到1Hz,要达到0.1Hz的精度必须使测量时间为10秒,在这里显然行不通;第二个是采用测脉冲周期的方法进行测量,再由周期计算出频率。当单片机使用12MHz的石英晶体时,其测量周期的精度可达1微秒,为了进一步提高精度,对连续的10个脉冲进行计时,再计算出一个脉冲的周期,这样做可使脉冲周期的测量精度达到0.1微秒,测量所花的时间也只有几十毫秒。这里采用外部中断的方式测量脉冲周期,用定时器T0作计时器,输入的脉冲信号作为外部中断0的请求中断信号,外部中断采用边沿触发的方式。每过10个脉冲就把定时器T0的计数值取出,再计算出脉冲信号的频率。FFT确定的采样频率 根据香农采样定理,一般采样频率至少应为所采样音频信号最高频率的2倍。由于人耳能够感受的频率为20 Hz20 kHz,所以理论上采样频率最高取40 kHz。目前工业上广泛采用的采样频率大致有3种:44 kHz、16 bit的声音称作CD音质:22 kHz、16 bit的声音效果近似于立体声广播,称作广播音质;11 kHz、8 bit的声音称作电话音质。为提高频谱计算的精度,拟采用40 kHz的采样频率和8Bit的数据位长。采样频率确定后,还需确定样本值,即完成一次FFT运算所需的采样点数。根据数字信号处理的基本原理,假设采样频率为Fs,采样点数为N,则FFT运算后,第n点所表示的频率为:Fn=(n-1)FsN(1nN)。Fn若要精确到Hz,则需采样长度为(1/f)s的信号。提高频率分辨率,需增加采样点数,但这在一些实际应用中是不现实的,则采用有频率细分法,即采样比较短时间的信号,然后在后面补充一定数量的0,使其长度达到所需的点数。2.4 课题总体设计思路线路组成结构(1)、信号输入信号输入通常会有两种,可以是MIC输入,也可以线输入。MIC输入时要注意MIC放大增益问题,输入信号的强度应适度,以保证后面滤波电路的效果(2)、滤波电路滤波的目的主要有两个,一个是对有用信号进行放大,另一个就是对无用信号进行衰减(3)、信号放大吉他的信号输出,通常其输出的幅度较小,需要对其进行放大,以将微弱的正弦信号变换成方波号,在此通常都采用运放来实现(4)、波形变换由于处理器采用的是对方波信号的测量,以计算出当前信号的频率,所以在输入到处理器之前需要将正弦信号转换成方波信号。(5)传感 声音的传感也是关键技术之一,传感路径尽量短并且尽量减少关节,同时需要考虑关节磨损,长时间使用效果不容易受影响.软件实现(1)、处理器的选择软件必须具备比较高精度的时钟源,以保证获得比较高精度的信号分析。晶振最好采用=20PPM精度工艺。这样就可以给软件的运行环境提供一个高标准的工作环境,软件的算法质量才能得到保障,虽然选择的是低端的单片机,目前低端单片机中性能也有一些差别,有些单片机的机器周期是2个时钟周期,有些单片机性能较差,一个机器周期要12个时钟周期,那么同样的时钟周期,前者比后者执行的速度快6度!(2)、数字滤波 吉他的空弦信号与理想信号源产生的正弦信号有很大的区别,有很多的泛音成分,要想从杂乱但有规律的声音信号中获取到有效信号,找到需要的信号,就要设计一个高效的数字滤波算法(3)、积分算法 在这种杂乱的信号中,对其进行有效信号的获取,最高效的办法就是对有用信号进行积分,再计算频率,积分上限设计的当然是越大越好,积分的上/下限越宽,则可以获得越高的精度(4)、常规加减乘除法 由于采用的积分算法,就要用到加减乘除常规四则运算,但低端单片机中通常都没有支持乘除法运算,所以必须自己写一个软件乘除法函数,当然如果不那么介意程序执行的效力而采用了C来编程。研究软件部分设计依据开发板上硬件资源,在Keil C环境下是用C语言进行程序的开发,在软件的设计过程中,采用模块化的设计方法,依次分别为每个模块设计软件; 毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告

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