基于FFT音频处理的自动电子调音器及其自动调音方法与流程

本发明涉及FFT音频处理技术领域，尤其是一种基于FFT音频处理的自动电子调音器及其自动调音方法。

背景技术：

调音器属于乐器的辅助工具，是用于各种弦乐器调音的电子设备。目前弦乐器采用的调音工具及缺点如下：

1、音笛：通过其自身固定的几个音，吹奏音笛来发出标准音，使用者自行判断琴弦音的高低，从而自行调试；这类调音装置对使用者的辨音能力要求极高，主要适用对象是经验丰富的乐器演奏者、使用者，对于初学者并不适用。

2、电子调音器：电子调音器拾音一般有两种原理，一个是声音原理，一个是振动原理；其中，声音原理其实就是根据调音器的内置拾音器收集乐器的声音，通过分析判断该音的音高，这种方法一般比较容易收外界干扰，因此准确性有点难说；大部分调音器是使用振动原理的，也就是当拨动琴弦时，琴弦发出震动，由于不同的弦在发出不同的音时振动的频率是不一样的，调音器能够根据这些振频来判断音高，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，再通过发光二极管显示出来，但这种调音器仅能实现声音信号的采集和单片机控制下的频率比对，最后需要手动调节。

3、手机软件调音：通过手机的麦克风拾音，音频处理部分与电子调音器类似，通过音频处理得到音的频率，与标准空弦频率进行比对，显示在手机屏幕上。同样最后需要根据显示频率的高低进行手动调节。

4、Roadie自动调弦器：Roadie Tuner内置蓝牙模块，配合手机APP使用，把它放在琴钮上，手机放在吉他附近，依次拨弦Roadie便可自动为吉他调音；除木吉他外Roadie也可以给电吉他调音，不过需要电吉他连接转接器接到手机上。

技术实现要素：

本发明的首要目的在于提供一种能够解决弦乐调音问题，实现调音过程自动化并保证高调音精度的基于FFT音频处理的自动电子调音器。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于FFT音频处理的自动电子调音器，包括：

音频信号预处理电路，采集待调音弦乐器的声音信号并转换为电信号，对其进行预处理，将预处理得到的信号输出到频率比对模块；

频率比对模块，采用STC15F2K60S2单片机，将音频信号预处理电路得到的信号经过A/D转换后，进行数据的处理，该处理包括通过傅立叶变换完成时域到频域的转换，滤除高次谐波和噪声，测量出待调音弦乐器的基波频率；将该基波频率与标准空弦频率比较，判断出步进电机下一次的转动方向，直到所测基波频率达到标准空弦频率误差范围内；

电机控制模块，通过驱动芯片驱动，使步进电机带动待调音弦乐器的琴弦转动，从而实现调音；

所述音频信号预处理电路的信号输入端接收待调音弦乐器的音频信号，所述音频信号预处理电路的信号输出端与频率比对模块的信号输入端相连，所述频率比对模块的信号输出端与电机控制模块的信号输入端相连，电机控制模块内的步进电机通过联轴器与待调音弦乐器的弦轴相连。

所述音频信号预处理电路包括：

咪头采集电路，用于采集待调音弦乐器的实时音频信号，并将音频信号转化为电信号；

放大电路，用于放大咪头采集电路的输出电信号来匹配STC15F2K60S2单片机的输入电平；

咪头采集电路的输入端采集待调音弦乐器的实时音频信号，咪头采集电路的输出端与放大电路的输入端相连，放大电路的输出端与STC15F2K60S2单片机的输入端相连。

所述电机控制模块采用L298N电机驱动芯片，其5、7、10、12引脚接音频信号预处理电路的信号输出端，其6、11引脚接+5V电源，其8、1、5 引脚接地，其2、3、13、14引脚接步进电机。

本发明的另一目的在于提供一种基于FFT音频处理的自动电子调音器的自动调音方法，该方法包括下列顺序的步骤：

（1）启动调音器，连接联轴器与待调音弦乐器的弦轴，用户拉响待调音弦乐器的琴弦，音频信号预处理电路采集琴弦的音频信号；

（2）音频信号预处理电路将采集到的音频信号进行放大、滤波、整形处理后输入STC15F2K60S2单片机，通过FFT变换测出声音信号频率并输出至对频率对比模块；

（3）频率对比模块实时测量处理后的音频信号频率，并对比标准空弦频率，根据对比结果，输出控制信号控制步进电机正/反转带动待调音弦乐器的弦轴，调节琴弦松紧，实时跟踪，直至采集的音频信号基波频率置于标准空弦频率误差允许的区间内。

所述频率对比模块的频率比对方法具体如下：测出声音信号的频率后，将测出的声音信号频率，也就是待调音弦乐器的基波频率与标准空弦频率进行比较，若所测基波频率小于标准空弦频率且差值超过0.5HZ，则调用电机正转程序使步进电机正向转动，从而拉紧琴弦，频率逐渐增大；若所测基波频率大于标准空弦频率且差值超过0.5HZ，则调用电机反转程序使步进电机反向转动，从而放松琴弦，频率逐渐减小；当所测基波频率处在标准空弦频率上下0.5HZ区间内时，则调用电机停转程序使步进电机停止转动，调节工作完成。

由上述技术方案可知，本发明的优点在于：第一，本发明通过音频信号预处理电路实现对音频信号的采集及处理，在处理之后，频率比对模块实时对比音频信号频率与标准空弦频率，最后由对比结果实施对步进电机的控制，直至调音完成；第二，用户可以在STC15F2K60S2单片机上实时了解当前音频频率，保证测量过程的精确性；第三，本发明应用为弦乐调音提供巨大的便利，解决了弦乐调音的复杂问题，应用在各种需要调音的场合，极大地实现了调音的快速性与精确性。

附图说明

图1为本发明的系统组成框图；

图2为图1中音频信号预处理电路的电路结构框图；

图3为频率比对模块的工作流程图；

图4为电机控制模块的电路原理图；

图5为联轴器的结构示意图。

具体实施方式

如图1、5所示，一种基于FFT音频处理的自动电子调音器，包括：音频信号预处理电路1，采集待调音弦乐器的声音信号并转换为电信号，对其进行预处理，将预处理得到的信号输出到频率比对模块2；频率比对模块2，采用STC15F2K60S2单片机，将音频信号预处理电路得到的信号经过A/D转换后，进行数据的处理，该处理包括通过傅立叶变换完成时域到频域的转换，滤除高次谐波和噪声，测量出待调音弦乐器的基波频率；将该基波频率与标准空弦频率比较，判断出步进电机5下一次的转动方向，直到所测基波频率达到标准空弦频率误差范围内；电机控制模块3，通过驱动芯片驱动，使步进电机5带动待调音弦乐器的琴弦转动，从而实现调音；所述音频信号预处理电路1的信号输入端接收待调音弦乐器的音频信号，所述音频信号预处理电路1的信号输出端与频率比对模块2的信号输入端相连，所述频率比对模块2的信号输出端与电机控制模块3的信号输入端相连，电机控制模块3内的步进电机5通过联轴器4与待调音弦乐器的弦轴6相连。

如图2所示，所述音频信号预处理电路1包括：咪头采集电路，用于采集待调音弦乐器的实时音频信号，并将音频信号转化为电信号；放大电路，用于放大咪头采集电路的输出电信号来匹配STC15F2K60S2单片机的输入电平；咪头采集电路的输入端采集待调音弦乐器的实时音频信号，咪头采集电路的输出端与放大电路的输入端相连，放大电路的输出端与STC15F2K60S2单片机的输入端相连。

如图4所示，所述电机控制模块3采用L298N电机驱动芯片，其5、7、10、12引脚接音频信号预处理电路1的信号输出端，其6、11引脚接+5V电源，其8、1、5 引脚接地，其2、3、13、14引脚接步进电机5。

本方法包括下列顺序的步骤：

（1）启动调音器，连接联轴器4与待调音弦乐器的弦轴，用户拉响待调音弦乐器的琴弦，音频信号预处理电路1采集琴弦的音频信号；

（2）音频信号预处理电路1将采集到的音频信号进行放大、滤波、整形处理后输入STC15F2K60S2单片机，通过FFT变换测出声音信号频率并输出至对频率对比模块；

（3）频率对比模块实时测量处理后的音频信号频率，并对比标准空弦频率，根据对比结果，输出控制信号控制步进电机5正/反转带动待调音弦乐器的弦轴，调节琴弦松紧，实时跟踪，直至采集的音频信号基波频率置于标准空弦频率误差允许的区间内。

如图3所示，所述频率对比模块的频率比对方法具体如下：测出声音信号的频率后，将测出的声音信号频率，也就是待调音弦乐器的基波频率与标准空弦频率进行比较，若所测基波频率小于标准空弦频率且差值超过0.5HZ，则调用电机正转程序使步进电机5正向转动，从而拉紧琴弦，频率逐渐增大；若所测基波频率大于标准空弦频率且差值超过0.5HZ，则调用电机反转程序使步进电机5反向转动，从而放松琴弦，频率逐渐减小；当所测基波频率处在标准空弦频率上下0.5HZ区间内时，则调用电机停转程序使步进电机5停止转动，调节工作完成。

综上所述，本发明通过音频信号预处理电路1实现对音频信号的采集及处理，在处理之后，频率比对模块2实时对比音频信号频率与标准空弦频率，最后由对比结果实施对步进电机5的控制，直至调音完成；用户可以在STC15F2K60S2单片机上实时了解当前音频频率，保证测量过程的精确性；本发明应用为弦乐调音提供巨大的便利，解决了弦乐调音的复杂问题，应用在各种需要调音的场合，极大地实现了调音的快速性与精确性。