钢琴自动调音装置的研究与设计（硬件设计）
钢琴自动调音装置的研究与设计（硬件设计）[20191213110058]
摘 要
现代社会中，对钢琴的调音主要依赖调音师的听力和经验来进行的，因此，误差大小会因人而异。同时，由于高级别的调音师人数有限以及高昂的调音费，寻求一种科学的、易掌握的调音技术已经受到广泛的关注。
本文介绍了一种便携式的钢琴自动调音装置。该装置主要由检测和执行两个部分组成，检测部分使用驻极话筒对钢琴声音进行声电转换，通过放大芯片MAX9812对信号放大，LM393电压比较器对波形整形，使用MSP430F149单片机的捕获中断捕获功能和定时器功能测得方波的周期，进行数字滤波处理后转换为频率，并显示在Nokia5110液晶上。执行部分根据测得的频率与钢琴的标准频率间的差值通过TB6560步进电机驱动模块控制步进电机旋转调音钉，调整琴弦的张力以达到调音的目的。与此同时，单片机通过读取DS1302时钟芯片中的时间参数，能够在Nokia5110液晶上实时显示当前时间，并且可以通过按键对工作模式、时钟、背光、提示音相关参数进行设定。
本文设计的钢琴自动调音装置可以精确地测量钢琴琴弦的频率，并根据测得的频率与标准频率的差值控制步进电机的旋转角度。体积小、操作方便、价格低廉的特点，为后续钢琴调音装置的设计提出了一条新思路。
摘要 Ⅰ
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:钢琴自动调音驻极话筒单片机步进电机
目录
ABSTRACT Ⅱ
第1章 绪论 1
1.1钢琴的构造及放音原理简介 1
1.2课题简介 2
1.2.1课题来源及背景简介 2
1.2.2课题主要工作 4
1.2.3论文章节安排 4
第2章系统硬件总体方案设计 5
2.1电子钢琴调音装置现状. 5
2.2系统硬件平台组成. 6
2.3系统硬件总体框架. 7
第3章系统检测部分设计 9
3.1声音采集模块设计. 9
3.1.1驻极话筒的结构与工作原理 9
3.1.2驻极体话筒的特性参数 10
3.2放大模块设计. 11
3.3波形整形模块设计. 13
3.4数据处理与核心控制模块设计. 15
3.4.1单片机选型方案对比 15
3.4.2 MSP430F149主要特点 16
3.4.3 MSP430F149 芯片引脚功能介绍 17
3.4.4 MSP430F149单片机最小系统 18
3.5 DS1302时钟模块设计. 20
3.6液晶显示模块设计. 22
3.7键盘输入模块设计. 24
3.8蜂鸣器模块设计. 25
3.9电源模块设计. 25
第4章系统执行部分设计 27
4.1步进电机简介. 27
4.1.1步进电机概述 27
4.1.2步进电机的工作原理 28
4.2步进电机驱动模块设计. 28
第5章系统软件设计 32
5.1系统软件平台介绍. 32
5.1.1 MSP430单片机编译软件 32
5.1.2 Nokia5110液晶取模软件 32
5.2系统软件总框架设计. 34
5.3采集模块程序设计. 35
5.3.1信号提取设计 35
5.3.2数字滤波处理 35
第6章系统调试部分 37
第7章总结与展望 39
参考文献 40
致谢 43
附录 44
1、MSP430单片机最小系统电路图. 44
2、外围各功能模块电路图. 45
3、信号采集模块电路图. 45
4、检测部分PCB板. 46
5、TB6560电机驱动PCB板图. 46
第1章 绪论
1.1钢琴的构造及发音原理简介
钢琴是源自西洋古典音乐中的一种键盘乐器，由88个琴键和金属弦音板组成，普遍用于独奏、重奏、伴奏等演出，作曲和排练音乐十分方便。弹奏者通过按下键盘上的琴键 ，牵动钢琴里面包着绒毡的小木槌，继而敲击钢丝弦发出声音。钢琴被称为乐器之王。
钢琴有上千个零部件，主要由音源部分、键盘机械、踏板系统和外壳4个部分组成。
音源部分是钢琴的发音体。琴弦经过击发将振动传至音板而发出悦耳的音响。弦列的长度、粗细、张力决定声音的振动基频产生丰富的泛音。张弦部分应保持良好的音准稳定性和声学品质，通过调整弦轴可调音。钢琴音域按国标标准自A2至C5，共88个琴键。
键盘机械是由琴键、联动器、转击器、弦槌、制音器等部件组成的灵巧传动系统。它可将手指对琴键的弹奏力迅速传递为弦槌对弦的击发，具有多种可随演奏者需要改变表现力的功能。键盘机械的传动性能决定演奏的灵敏度和触感。
踏板系统，3个踏板分别起改变音的强弱、共鸣和延音的作用。它是钢琴中除键盘外最重要的配件。主要分为三个部分：
1）延音踏板：右踏板，也叫做延音踏板，又叫共鸣踏板。
通常是钢琴下最右内侧的踏板，也有书上称之为“增音器”，当延音踏板被压时下，平时压在弦上的制音器立即扬起。使所有的琴弦延续震动，将踏板放开后，所有的制音器又全部压在琴弦上制止发音。由于按下制音踏板会使琴声在一定程度上扩大，故又称强音踏板。
2）柔音踏板：左踏板，也叫做弱音踏板。
在平台式钢琴里，踩下柔音踏板时，琴槌会立刻向旁推移，使音量减少，并使声音变得非常清纯、柔和。而立式钢琴，踩下柔音踏板时，琴槌移近琴弦，藉以减轻冲力，减少打击的长度与强度，使音量变小。它的作用就不仅是帮助演奏者弹得更弱，也是为了增加声音的柔和，并除掉音质中任何敲击的成分。左踏板往往被比作"旋乐演奏者的弱音器"。
3）消音踏板：中踏板，延长音踏板。
具有特殊性能的踏板。三角钢琴中间踏板的用途是“特定连音踏板”，用法是先弹下琴键并保持，踩下“特定延音踏板”不放，刚才所弹键会继续延音，其他键不受影响。大部分现代立式钢琴的中间踏板被踩下时，一块活动的绒布会夹在琴槌和琴弦之间，使音量变得极低。通常只使用于夜间或清晨弹奏钢琴之时，以免惊扰邻居的安宁。所有有时候也称为也有称之为倍弱音踏板。
音板位于钢琴内部的一块大木板，高档钢琴用枫树实木板拼成，现代低端普及琴有用密度板。它连着调音钉，紧贴着琴弦，当琴弦振动，音板会使声波高效率耦合到空气中，即将声音透过响板反射以及扩大出来。
1.2课题简介
1.2.1课题来源与背景简介
在现代社会中，对钢琴类乐器的调音大多数情况下是依赖调音师的听力和经验来进行的，因此，误差大小会因人而异。同时，由于高级别的调音师人数有限，因而调音费用不斐也是事实。对钢琴等日益普及的家用乐器的定期调音的需求量是很大的，寻求一种科学的、易掌握的调音技术已经受到广泛的关注。
钢琴
钢琴上的琴弦长时间处于蹦紧的状态，由于小槌不断的击打琴弦，加上外界震动，钢琴机械构造本身的原因，以及气候、温度的变化影响都必然导致琴弦松懈，偏离标准的音律，这样我们弹上去就感觉声音不对，不如刚调好音律时好听。钢琴调律是一个非常专业的工作，不象小提琴和吉他那么容易。所以一定是请专业的调律师来解决。一般来说，半年左右的时间调一次钢琴比较适当,钢琴的音越准，弹奏出来的旋律感觉越舒服、和谐，所以有条件的话应该保持音准的准确。
钢琴的定期调音。
常规的调音方法：调音师根据个人的调音经验使用调律扳手(调律扳手实物图如图1.1所示)旋转调音钉来调整琴弦的松紧，从而达到调音的目的[5-8]。然而，由于人与人之间存在的差异性，音乐素养的高低，以及各人受生理、心理、环境等诸多因素的影响，完成一个钢琴的调音工作往往没有严格的标准，每个调音师都不可能确保对每件乐器进行校音和调音的高度准确性。单凭经验靠记忆中的标准音与乐器发出的声音对比是带有主观因素的，即使是最熟练的调音师也很难准确地凋准每一个音“1”。另外调音工作复杂，并不是每个人都能胜任的，往往需要投入很大的财力到钢琴的调音中去，这样造成了很大的浪费。因此，这就迫切需要一种仪器，其能够完全排除调音过程中人工调音的主观因素，能够客观准确的调准乐器。图1.2为一位调律师正在为钢琴较音。
图1.1调律扳手实物图 图1.2调音师对钢琴较音
本文介绍了一种基于MSP430F149单片机的便携式的钢琴调音装置。该装置由检测和执行两个部分组成，检测部分对钢琴频率进行采集以及数据处理，执行部分主要根据测得频率与标准频率之间的差值使用步进电机旋转调音钉进行调音。具有以下特点：
（1）精度高、体积小、成本低；
（2）操作简单，易上手，更具人性化；
（3）提供手动、自动两种模式对钢琴进行较音；
（4）集成时钟芯片，可实时显示当前时间。
1.2.2课题的主要工作
在本科毕业设计阶段主要完成以下工作：
1、了解钢琴的基本构造以及发音原理；
2、了解目前钢琴调音的基本方法和途径；
3、了解现有电子钢琴调整装置的现状及其发展趋势；
4、设计并制作调试一套钢琴自动调音装置；
5、了解并选取用于钢琴声音进行声电转换的传感器；
6、掌握基本运算放大器的工作原理及其电路调试；
7、设计并制作出声电转换装置的前置放大电路；
8、设计并制作波形整形电路；
9、掌握MSP430单片机系统及其外围基本模块的使用方法；
10、掌握步进电机的工作原理，并选出最适合于课题要求的用于调音的步进电机。
11、掌握基本的步进电机驱动技术，并且设计制作步进电机驱动电路。
12、掌握Protel电路板设计技术，PCB制板技术，并且绘制并制作出钢琴自动调音装置系统的PCB板。
1.2.3论文章节安排
本论文共由七章组成，其具体安排如下：
第一章介绍了课题来源以及本科毕业设计中的主要工作；
第二章介绍了课题的总体规划设计，以及各个模块的基本原理与功能；
第三章介绍系统检测部分的各个模块的组成，以及其工作原理与功能；
第四章介绍了系统执行部分步进电机的工作原理，及其驱动的工作原理；
第五章介绍了系统软件整体框架的设计思路，以及主要模块的软件设计流程；
第六章介绍了在系统调试过程中遇到的主要问题，及其解决办法；
第七章总结了设计过程中的心得体会，并对系统的功能拓展进行了展望。
第2章 系统硬件总体方案设计
2.1 电子钢琴调音装置现状
随着电子化和数字化的飞速发展，现在市场上已经有一些用单片机等微处理器来实现的数字调音装置，来帮助调音师们更加出色的完成钢琴调音工作。数字调音装置的出现不仅为钢琴调律者提供了方便，更为从事调律业的同仁们不断提高自己的技艺提供了良师益友。毫无疑问数字调音装置将会被广泛的应用。
目前，在钢琴自动调音装置的研究中，主要都是基于ARM或DSP作为核心数据处理芯片的研究，主要因其运算速度快、高精度、低功耗的特点，使其在数据处理中测量精度有保障。下面将介绍一款基于DSP的钢琴调音装置。
该系统硬件平台以TI公司的州S320LF2407ADSP芯片为核心，其外围扩展电路包括：数据采集部分的前置放大电路、用于数据存储的SRAM扩展电路、时钟及电源复位模块设计、目标板与仿真器JTAG接口部分、实现快速译码的CPLD电路，人机接口的键盘以及LCD显示部分。整个硬件系统原理框图如2.1所示。
摘 要
现代社会中，对钢琴的调音主要依赖调音师的听力和经验来进行的，因此，误差大小会因人而异。同时，由于高级别的调音师人数有限以及高昂的调音费，寻求一种科学的、易掌握的调音技术已经受到广泛的关注。
本文介绍了一种便携式的钢琴自动调音装置。该装置主要由检测和执行两个部分组成，检测部分使用驻极话筒对钢琴声音进行声电转换，通过放大芯片MAX9812对信号放大，LM393电压比较器对波形整形，使用MSP430F149单片机的捕获中断捕获功能和定时器功能测得方波的周期，进行数字滤波处理后转换为频率，并显示在Nokia5110液晶上。执行部分根据测得的频率与钢琴的标准频率间的差值通过TB6560步进电机驱动模块控制步进电机旋转调音钉，调整琴弦的张力以达到调音的目的。与此同时，单片机通过读取DS1302时钟芯片中的时间参数，能够在Nokia5110液晶上实时显示当前时间，并且可以通过按键对工作模式、时钟、背光、提示音相关参数进行设定。
本文设计的钢琴自动调音装置可以精确地测量钢琴琴弦的频率，并根据测得的频率与标准频率的差值控制步进电机的旋转角度。体积小、操作方便、价格低廉的特点，为后续钢琴调音装置的设计提出了一条新思路。
摘要 Ⅰ
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:钢琴自动调音驻极话筒单片机步进电机
目录
ABSTRACT Ⅱ
第1章 绪论 1
1.1钢琴的构造及放音原理简介 1
1.2课题简介 2
1.2.1课题来源及背景简介 2
1.2.2课题主要工作 4
1.2.3论文章节安排 4
第2章系统硬件总体方案设计 5
2.1电子钢琴调音装置现状. 5
2.2系统硬件平台组成. 6
2.3系统硬件总体框架. 7
第3章系统检测部分设计 9
3.1声音采集模块设计. 9
3.1.1驻极话筒的结构与工作原理 9
3.1.2驻极体话筒的特性参数 10
3.2放大模块设计. 11
3.3波形整形模块设计. 13
3.4数据处理与核心控制模块设计. 15
3.4.1单片机选型方案对比 15
3.4.2 MSP430F149主要特点 16
3.4.3 MSP430F149 芯片引脚功能介绍 17
3.4.4 MSP430F149单片机最小系统 18
3.5 DS1302时钟模块设计. 20
3.6液晶显示模块设计. 22
3.7键盘输入模块设计. 24
3.8蜂鸣器模块设计. 25
3.9电源模块设计. 25
第4章系统执行部分设计 27
4.1步进电机简介. 27
4.1.1步进电机概述 27
4.1.2步进电机的工作原理 28
4.2步进电机驱动模块设计. 28
第5章系统软件设计 32
5.1系统软件平台介绍. 32
5.1.1 MSP430单片机编译软件 32
5.1.2 Nokia5110液晶取模软件 32
5.2系统软件总框架设计. 34
5.3采集模块程序设计. 35
5.3.1信号提取设计 35
5.3.2数字滤波处理 35
第6章系统调试部分 37
第7章总结与展望 39
参考文献 40
致谢 43
附录 44
1、MSP430单片机最小系统电路图. 44
2、外围各功能模块电路图. 45
3、信号采集模块电路图. 45
4、检测部分PCB板. 46
5、TB6560电机驱动PCB板图. 46
第1章 绪论
1.1钢琴的构造及发音原理简介
钢琴是源自西洋古典音乐中的一种键盘乐器
钢琴有上千个零部件，主要由音源部分、键盘机械、踏板系统和外壳4个部分组成。
音源部分是钢琴的发音体。琴弦经过击发将振动传至音板而发出悦耳的音响。弦列的长度、粗细、张力决定声音的振动基频产生丰富的泛音。张弦部分应保持良好的音准稳定性和声学品质，通过调整弦轴可调音。钢琴音域按国标标准自A2至C5，共88个琴键。
键盘机械是由琴键、联动器、转击器、弦槌、制音器等部件组成的灵巧传动系统。它可将手指对琴键的弹奏力迅速传递为弦槌对弦的击发，具有多种可随演奏者需要改变表现力的功能。键盘机械的传动性能决定演奏的灵敏度和触感。
踏板系统，3个踏板分别起改变音的强弱、共鸣和延音的作用。它是钢琴中除键盘外最重要的配件。主要分为三个部分：
1）延音踏板
通常是钢琴下最右内侧的踏板，也有书上称之为“增音器”，当延音踏板被压时下，平时压在弦上的制音器立即扬起。使所有的琴弦延续震动，将踏板放开后，所有的制音器又全部压在琴弦上制止发音。由于按下制音踏板会使琴声在一定程度上扩大，故又称强音踏板。
2）柔音踏板：左踏板，也叫做弱音踏板
在平台式钢琴里，踩下柔音踏板时，琴槌会立刻向旁推移，使音量减少，并使声音变得非常清纯、柔和。而立式钢琴，踩下柔音踏板时，琴槌移近琴弦，藉以减轻冲力，减少打击的长度与强度，使音量变小。它的作用就不仅是帮助演奏者弹得更弱，也是为了增加声音的柔和，并除掉音质中任何敲击的成分。左踏板往往被比作"旋乐演奏者的弱音器"。
3）消音踏板
具有特殊性能的踏板。三角钢琴中间踏板的用途是“特定连音踏板”，用法是先弹下琴键并保持，踩下“特定延音踏板”不放，刚才所弹键会继续延音，其他键不受影响。大部分现代立式钢琴的中间踏板被踩下时，一块活动的绒布会夹在琴槌和琴弦之间，使音量变得极低。通常只使用于夜间或清晨弹奏钢琴之时，以免惊扰邻居的安宁。所有有时候也称为也有称之为倍弱音踏板。
音板位于钢琴内部的一块大木板，高档钢琴用枫树实木板拼成，现代低端普及琴有用密度板。它连着调音钉，紧贴着琴弦，当琴弦振动，音板会使声波高效率耦合到空气中，即将声音透过响板反射以及扩大出来。
1.2课题简介
1.2.1课题来源与背景简介
在现代社会中，对钢琴类乐器的调音大多数情况下是依赖调音师的听力和经验来进行的，因此，误差大小会因人而异。同时，由于高级别的调音师人数有限，因而调音费用不斐也是事实。对钢琴等日益普及的家用乐器的定期调音的需求量是很大的，寻求一种科学的、易掌握的调音技术已经受到广泛的关注。
钢琴
钢琴上的琴弦长时间处于蹦紧的状态，由于小槌不断的击打琴弦，加上外界震动，钢琴机械构造本身的原因，以及气候、温度的变化影响都必然导致琴弦松懈，偏离标准的音律，这样我们弹上去就感觉声音不对，不如刚调好音律时好听。钢琴调律是一个非常专业的工作，不象小提琴和吉他那么容易。所以一定是请专业的调律师来解决。一般来说，半年左右的时间调一次钢琴比较适当,钢琴的音越准，弹奏出来的旋律感觉越舒服、和谐，所以有条件的话应该保持音准的准确。
钢琴的定期调音。
常规的调音方法：调音师根据个人的调音经验使用调律扳手(调律扳手实物图如图1.1所示)旋转调音钉来调整琴弦的松紧，从而达到调音的目的[5-8]。然而，由于人与人之间存在的差异性，音乐素养的高低，以及各人受生理、心理、环境等诸多因素的影响，完成一个钢琴的调音工作往往没有严格的标准，每个调音师都不可能确保对每件乐器进行校音和调音的高度准确性。单凭经验靠记忆中的标准音与乐器发出的声音对比是带有主观因素的，即使是最熟练的调音师也很难准确地凋准每一个音“1”。另外调音工作复杂，并不是每个人都能胜任的，往往需要投入很大的财力到钢琴的调音中去，这样造成了很大的浪费。因此，这就迫切需要一种仪器，其能够完全排除调音过程中人工调音的主观因素，能够客观准确的调准乐器。图1.2为一位调律师正在为钢琴较音。
图1.1调律扳手实物图 图1.2调音师对钢琴较音
本文介绍了一种基于MSP430F149单片机的便携式的钢琴调音装置。该装置由检测和执行两个部分组成，检测部分对钢琴频率进行采集以及数据处理，执行部分主要根据测得频率与标准频率之间的差值使用步进电机旋转调音钉进行调音。具有以下特点：
（1）精度高、体积小、成本低；
（2）操作简单，易上手，更具人性化；
（3）提供手动、自动两种模式对钢琴进行较音；
（4）集成时钟芯片，可实时显示当前时间。
1.2.2课题的主要工作
在本科毕业设计阶段主要完成以下工作：
1、了解钢琴的基本构造以及发音原理；
2、了解目前钢琴调音的基本方法和途径；
3、了解现有电子钢琴调整装置的现状及其发展趋势；
4、设计并制作调试一套钢琴自动调音装置；
5、了解并选取用于钢琴声音进行声电转换的传感器；
6、掌握基本运算放大器的工作原理及其电路调试；
7、设计并制作出声电转换装置的前置放大电路；
8、设计并制作波形整形电路；
9、掌握MSP430单片机系统及其外围基本模块的使用方法；
10、掌握步进电机的工作原理，并选出最适合于课题要求的用于调音的步进电机。
11、掌握基本的步进电机驱动技术，并且设计制作步进电机驱动电路。
12、掌握Protel电路板设计技术，PCB制板技术，并且绘制并制作出钢琴自动调音装置系统的PCB板。
1.2.3论文章节安排
本论文共由七章组成，其具体安排如下：
第一章介绍了课题来源以及本科毕业设计中的主要工作；
第二章介绍了课题的总体规划设计，以及各个模块的基本原理与功能；
第三章介绍系统检测部分的各个模块的组成，以及其工作原理与功能；
第四章介绍了系统执行部分步进电机的工作原理，及其驱动的工作原理；
第五章介绍了系统软件整体框架的设计思路，以及主要模块的软件设计流程；
第六章介绍了在系统调试过程中遇到的主要问题，及其解决办法；
第七章总结了设计过程中的心得体会，并对系统的功能拓展进行了展望。
第2章 系统硬件总体方案设计
2.1 电子钢琴调音装置现状
随着电子化和数字化的飞速发展，现在市场上已经有一些用单片机等微处理器来实现的数字调音装置，来帮助调音师们更加出色的完成钢琴调音工作。数字调音装置的出现不仅为钢琴调律者提供了方便，更为从事调律业的同仁们不断提高自己的技艺提供了良师益友。毫无疑问数字调音装置将会被广泛的应用。
目前，在钢琴自动调音装置的研究中，主要都是基于ARM或DSP作为核心数据处理芯片的研究，主要因其运算速度快、高精度、低功耗的特点，使其在数据处理中测量精度有保障。下面将介绍一款基于DSP的钢琴调音装置。
该系统硬件平台以TI公司的州S320LF2407ADSP芯片为核心，其外围扩展电路包括：数据采集部分的前置放大电路、用于数据存储的SRAM扩展电路、时钟及电源复位模块设计、目标板与仿真器JTAG接口部分、实现快速译码的CPLD电路，人机接口的键盘以及LCD显示部分。整个硬件系统原理框图如2.1所示。
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