单片机电子校音器
 小提琴、吉他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)。最常用的方法是用音笛校音，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为止，即差拍为零，这时两个音源的频率相等，这样就调准了空弦音。这种校音的方法要求人能听出两个声音的差拍，对初学音乐的人来说掌握起来有一定的困难，能不能改变一下这种模式，用眼睛代替耳朵来进行校音呢？为此我们设计制作了单片机电子校音器，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。下面以小提琴校音器为例进行介绍，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。
硬件电路介绍
 小提琴四根琴弦音高从低到高分别为G弦、D弦、A弦和E弦。它们对应的空弦音分别为：g、d1、a1和e2，四个空弦音的频率见表1。
 表1
空弦音 g d1 a1 e2 
频率 196.00 293.66 440 659.26 
 单片机电子校音器由音频输入放大电路、选频电路、单片机电路、显示电路等部分组成。
 单片机电子校音器的电路原理图见图1。

图1

 话筒MIC、三极管VT1等组成音频输入放大电路，把小提琴发出的声音转化成电信号并进行放大。
  IC1、C4、RP1、R5等组成选频电路，将输入的音频信号转化成矩形波信号输入给单片机，由于小提琴所发声音的谐波比较丰富，很难用通常整形的方法将其转化成和其基波频率相同的矩形波，因此这里采用锁相环音频译码集成电路LM567来解决这一问题， LM567的其5脚、6脚的外接电阻（RP1+R5）、电容C4决定了内部压控振荡器（VCO）的中心频率，中心频率。当3脚输入幅度＞25mV、频率在器件带宽（0.95f0～1.05f0）内的信号时，经跟踪后f0和3脚输入信号频率一致，此时5脚输出和3脚输入信号频率一致的矩形脉冲波到AT89C2051的P3.2脚。8脚由高电平转为低电平，此信号输入到AT89C2051的P3.5脚作为LM567频率锁定的判断信号，发光二极管VD1作频率锁定指示用。因此，只要调节RP1的阻值，使LM567的内部压控振荡器（VCO）的中心频率在小提琴所调空弦音的频率附近，拉响小提琴对应的弦，把弦调到其标准音高附近，5脚就能输出相对应的矩形脉冲波。
  单片机集成电路AT89C2051、石英晶体X1和电阻R7、电容C7-C9等组成单片机最小系统电路，其中R7、C7为单片机开机复位电路。
 发光二极管VD2-VD10作输出指示，其中VD2-VD5同时兼作音名调节指示，使用时根据所要调的弦调节RP1使其对应音名的发光二极管的点亮，这样LM567内部压控振荡器（VCO）的中心频率在对应频率的附近了。
 软件设计
 由于涉及的计算比较多，程序使用C语言编写。程序由主程序、外部中断服务子程序、延时子程序等模块组成。
 测量从P3.2脚输入的脉冲信号的频率有两种方法，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，从P3.2口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。
 单片机对从P3.2脚输入的脉冲信号分两种情况处理，按哪种情况进行处理是依据单片机P3.5脚的电平决定的。在设置所调的音名时，P3.5脚为高电平，调节RP1使LM567输出的频率在所调音名对应的频率附近，这时VD2-VD5中对应该音名的发光二极管就点亮，同时对该音名所对应的标准频率的变量赋值，用来和输入频率一起计算频率比；在校音时，如果LM567的振荡频率被小提琴空弦音的频率锁定，则LM567的8脚输出低电平使单片机P3.5脚为低电平，单片机把从P3.2脚输入的脉冲信号的频率和所调音名对应的标准频率进行计算，根据计算出的频率比把结果误差转化成音乐上常用的音分来表示，最后通过发光二极管VD2-VD10显示结果。例如，当VD7点亮时，说明小提琴所调弦的音高和标准音高的误差小于等于5音分。当VD6点亮时，说明音高误差不超过±2音分，这时就认为音高调准了。
 两个频率误差和音分的关系式为：音分=1200log2频率比。表2列出程序中所用值的对应关系。
表2
音分 2 5 10 20 50 
频率比 1.0012 1.0029 1.0058 1.0116 1.0293 
音分 -2 -5 -10 -20 -50 
频率比 0.9988 0.9971 0.9942 0.9885 0.9715 
    在程序调试过程中发现：如果程序中使用浮点数运算，编译后的代码多，程序效率低，因此我们把浮点数运算转化为整数运算，既减少了代码，又提高程序的效率。
 安装调试和使用
    IC1用LM567或NE567，IC2用AT89C2051。MIC用驻极体话筒。VD1用φ3的红色发光二极管，VD2～VD10用φ3的绿色发光二极管， RP1用22K、1W的电位器，C4用塑料薄膜电容。X1用12MHz石英晶体。电池用4节5号普通电池或充电电池。
 单片机电子校音器的面板见图2。为了使用方便，调节RP1依次点亮时

图2

VD2-VD5时，在面板上标上电位器旋钮对应四个音名的位置。
 给小提琴校音时，比如调节g音，先调节RP1使VD2发光，这时LM567的振荡频率在196Hz附近，拉响对应的弦，先粗调弦的张力，使发光二极管VD1发光，这时LM567的振荡频率被3脚输入信号的频率锁定，即LM567的5脚输出的脉冲信号的频率就是小提琴空弦音的频率，然后细调弦的张力，同时观察VD2-VD10的发光状态，使发光点逐渐向中心的发光二极管VD6靠拢。当拉响弦时发光二极管VD6开始点亮，则对应的弦就调好了。
这个校音器也可以用来给二胡校音，校音方法和小提琴相同，所不同的是二胡只有两根弦，内弦的空弦音为d1，外弦的空弦音为a1。                                          吴菲  吴汉清

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