专利名称：多功能钢琴音准仪的制作方法
技术领域：
一种多功能钢琴音准仪，涉及到计算机科学，电子学，声学等技术领域。在钢琴上完成十二平均律的调整，广泛使用了“四、五度循环法”，即利用两个频率的倍频差，逐音轮换递推，完成中间基准音组，再向两端扩展。由于适用于钢琴的平均律不同于纯律，故而要求调律师不仅能分辩出有无拍音，更要能定量地估测各组音程间不尽相同的倍频差。同时，为了减小逐音轮换递推所造成的累计误差，引入了三度、六度、和声等较高深的手法，但这并不是一般的调音师所能够掌握的，而且其各音之间的关系尤为复杂，要使每组音程都调到理想状态较为困难。此外，钢琴音律并非是理论上的物理高度，而是有一条低音偏低，高音偏高的偏离曲线，这更增加了调律的复杂性。
电子学的发展使精确地测试声音的频率成为可能。于是，国外研制出一些钢琴音准仪，但还存在着一些问题，主要是忽略了钢琴音律的偏离曲线，以及显示不直观，不能精确地反应被测音高与标准音高的相对误差，整体功能较弱。
本实用新型的目的在于大幅度增强钢琴音准仪的功能，从根本上改进传统的调律技术，放宽对调律者的技术要求，并提高效率。
本仪表采用微型单片计算机80C31控制传感器及放大、滤波电路，实时计算所采集的数据，并在4×20字符的点阵式液晶显示屏上显示出多项测试结果。
根据国内外的研究，钢琴的音准曲线近似于三次抛物线，表示于下X＝0.000364463(Y-44.5)3式中X为音高偏移量的音分值，Y为键号。
根据多方面的情况，公式需要作以下修正当14≤Y≤44时，X＝0.000364463(Y-44.5)3+0.00177778(Y-29)2-0.4当50≤Y≤78时，X＝0.000364463(Y-44.5)3-0.00612245(Y-64)2+1.2再可由公式X＝10(0.000250858)Y算出频率差的比值。
式中X为频率差的比值，Y为音高偏移量的音分值。
仪表原理方框图见图一，由拾音器，多级放大器，可控滤波器，显示屏，微处理器(以下简称CPU)，只读存储器(以下简称ROM)，和键盘相互联接而成，其中CPU，ROM和键盘再加上地址锁存器通过总线及辅助控制信号联接构成单片机系统。拾音器接第一级集成运算放大器(以下简称运放)输入端，第一级运放输出端接第二级运放输入端，第二级运放输出端接可控滤波器输入端，可控滤波器控制端接单片机系统输出口，可控滤波器输出端接第三级运放输入端，第三级运放输出端经电阻和二级管网络接第四级运放输入端，第四级运放输出端经一个非门接单片机系统的外中断输入口，单片机系统通过总线及辅助控制信号联接显示屏。用户通过键盘向仪表输入必要的信息后，仪表就处于测试状态。拾音器收到的声波信号经过前两级放大后送至可控滤波器，可控滤波器在计算机的控制下，根据用户输入的信息自动确定滤波器的通频带，以更有效地滤除杂波干扰。滤波后的信号经第三级运放并通过由电阻和二极管组成的非线性网络后变为与声波同频率的脉冲信号，再经放大和整型后最终转换成与声波同频率的方波信号，联接于机算机的外中断输入口，供计算机计数。ROM用于保存系统软件和以音准曲线函数计算出的各标准音频率值。计算机将检测到的若干个方波脉冲一组为计数单位，根据自身定时器和计数器的数值直接计算出被测声波信号的频率，与机内存储的标准音频率相比较，并进一步计算后得出各项结果，最终送显示屏输出。
本仪表电路原理图见图二。CPU为8位单片机80C31。ROM为64K×1位只读存储器，用于存放系统软件。4×3的键盘用于用户向仪表输入必要的信息，如输入待测的键号等。DMC20434为一体化显示模块，满屏能显示4×20个字符。ICL7660能将单电源转换为双电源，供运放使用。TL084为四运放，其第二级输出联接的滤波器由单片机控制。拾音器为普通驻极体电容话筒。
拾音器接第一级运放输入端，第一级运放输出端接第二级运放输入端，第二级运放输出端接可控滤波器输入端，可控滤波器控制端接单片机系统输出口，可控滤波器输出端接第三级运放输入端，第三级运放输出端经两只电阻串联后接地，电阻的串联处接一个二级管的正级，二级管的负级接第四级运放输入端，第四级运放输出端接一个非门的输入端，非门的输出接单片机系统的外中断输入口，单片机系统通过总线及辅助控制信号联接显示屏。
可控滤波器由两只电阻，两只滤波电容(无极性电容)，两只旁路电容(有极性电解电容)和六只二极管组成，其电阻1的一端接第二级运放输出端，电阻1的另一端与两只滤波电容的一端分别联接后再与二级管1的正级相联，滤波电容1的另一端与二级管2的负级联接后再与二级管3的正级相联，二级管3的负级与旁路电容相联后再与单片机系统的输出口端1相联，滤波电容2的另一端与二级管4的负级联接后再与二级管5的正级相联，二级管5的负级与二级管6的负级和旁路电容2的正级分别相联后再与单片机系统的输出口端2相联，二级管6的正级与电阻2的一端相联，电阻2的另一端与二级管1的负级联接后再与第三级运放输入端相联，二级管2和二级管4的正级以及和两只旁路电容的正级分别接地。
显示屏通过数据总线，地址总线，’RD’信号，’WR’信号及四个或非门与CPU联接，显示屏的数据总线接CPU的数据总线，显示屏的’RS’端接地址总线的’A0’端，显示屏的’R/W’端接地址总线的’A1’端，显示屏的’E’端接或非门1的输出端，或非门1的两输入端相联后接或非门2的输出端，或非门2的输入端之一接或非门3的输出端，或非门2的输入端之二接或非门4的输出端，或非门3的输入端之一接CPU的’RD’端，或非门3的输入端之二与或非门4的输入端之一联接后再接CPU地址总线的’A15’端，或非门4的输入端之二接CPU的’WR’端。
CPU，ROM，锁存器和键盘构成单片机系统，CPU的数据总线接锁存器的数据总线输入端，锁存器的锁存输出端接ROM的低位地址总线，ROM的高位地址总线接CPU的地址总线，CPU的’ALE’信号接锁存器的’G’端，CPU的’PSEN’信号接ROM的’OE’端，锁存器的’OC’端和ROM的’CE’端接低电平，键盘由CPU的一个输入输出口的高四位端口和低三位端口呈矩阵交叉而形成。
仪表的软件系统主要由键盘扫描子程序、计数器中断服务程序、定时器中断服务程序、高精度除法子程序、显示子程序组成。软件清单见附录。
本仪表将计算机科学与电子学及声学紧密结合起来，使仪表具有电子计算机所有的智能化、高速度、高精度等特点。
1、采用石英晶体振荡器作为测试基准，稳定性极佳。
2、使用计算机控制的滤波放大器，减小了泛音和声强度变化带来的影响。
3、仪表内部均用十进制七位有效数字实现高精度运算，最后才调整为五位有效数字可供显示。
4、测试标准信号时误差可小于0.002％，实测钢琴音高由于受各种外界因素影响，再加上钢琴的音高本来就随着音量的变化而变化，故平均误差约0.04％，约1音分(环境较理想时仍可达0.01％)，完全达到并超过钢琴调律的要求。
5、通过计算机采用非线性函数表达式计算出每一个琴键的标准物理音高，确保测试标准与钢琴的音准偏离曲线重合。
6、可将基准音高偏离±0.1％——±9.9％，以适应不同的调律需要。
7、每秒钟计算结果30次左右，实时反映被测音高的变化。
8、由于钢琴声音的谐波及强度变化，以及测试环境的声学特性所造成的影响，不能保证每次测试均能达到理想的效果，所以特设了测试结果“可信度”一条信息。可信度由计算机根据内部测试结果的一致性而确定。
9、使用大屏幕字符点阵显示屏，可同时显示被测键号，基准偏离(百分比)，基准音高(HZ)，实测音高(HZ)，误差(百分比)，可信度等各项信息。
10、各键位独立测试，根本杜绝了传统方法造成的累计误差。
11、体积小，仅18×11×2.5CM3。
建议钢琴调律行业推广使用本仪表，不仅提高效率，而且可以统一标准，减少调律师本身的个性对调律结果的影响，实现调律规范化。
权利要求1.一种钢琴音准仪，其特征是它由拾音器，可控滤波及放大器，显示屏，微处理器(以下简称CPU)，只读存储器(以下简称ROM)和键盘构成，拾音器与可控滤波及放大器相联，可控滤波器及放大器与CPU相联，键盘与CPU相联，ROM与CPU相联，CPU与显示屏相联。
2.根据权利要求1所述的钢琴音准仪，其特征是CPU，ROM，锁存器和键盘构成单片机系统，CPU的数据总线接锁存器的数据总线输入端，锁存器的锁存输出端接ROM的低位地址总线，ROM的高位地址总线接CPU的地址总线，CPU的’ALE’信号接锁存器的’G’端，CPU的’PSEN’信号接ROM的’OE’端，锁存器的’OC’端和ROM的’CE’端接低电平，键盘由CPU的一个输入输出口的高四位端口和低三位端口呈矩阵交叉而形成。
3.根据权利要求1所述的钢琴音准仪，其特征是拾音器接第一级集成运算放大器(以下简称运放)输入端，第一级运放输出端接第二级运放输入端，第二级运放输出端接可控滤波器输入端，可控滤波器控制端接单片机系统输出口，可控滤波器输出端接第三级运放输入端，第三级运放输出端经两只电阻串联后接地，电阻的串联处接一个二级管的正级，二级管的负级接第四级运放输入端，第四级运放输出端接一个非门的输入端，非门的输出接单片机系统的外中断输入口，单片机系统通过总线及辅助控制信号联接显示屏。
4.根据权利要求1所述的钢琴音准仪，其特征是可控滤波器由两只电阻，两只滤波电容(无极性电容)，两只旁路电容(有极性电解电容)和六只二极管组成，其电阻1的一端接第二级运放输出端，电阻1的另一端与两只滤波电容的一端分别联接后再与二级管1的正级相联，滤波电容1的另一端与二级管2的负级联接后再与二级管3的正级相联，二级管3的负级与旁路电容相联后再与单片机系统的输出口端1相联，滤波电容2的另一端与二级管4的负级联接后再与二级管5的正级相联，二级管5的负级与二级管6的负级和旁路电容2的正级分别相联后再与单片机系统的输出口端2相联，二级管6的正级与电阻2的一端相联，电阻2的另一端与二级管1的负级联接后再与第三级运放输入端相联，二级管2和二级管4的正级以及和两只旁路电容的正级分别接地。
5.根据权利要求1所述的钢琴音准仪，其特征是显示屏通过数据总线，地址总线，’RD’信号，’WR’信号及四个或非门与CPU联接，显示屏的数据总线接CPU的数据总线，显示屏的’RS’端接地址总线的’A0’端，显示屏的’R/W’端接地址总线的’A1’端，显示屏的’E’端接或非门1的输出端，或非门1的两输入端相联后接或非门2的输出端，或非门2的输入端之一接或非门3的输出端，或非门2的输入端之二接或非门4的输出端，或非门3的输入端之一接CPU的’RD’端，或非门3的输入端之二与或非门4的输入端之一联接后再接CPU地址总线的’A15’端，或非门4的输入端之二接CPU的’WR’端。
6.根据权利要求1所述的钢琴音准仪，其特征是钢琴每一个键的标准音频率的值储存于ROM中。
专利摘要一种涉及计算机科学、电子学、声学的钢琴音准仪,它是在确立钢琴理想音律与各音实际物理音高的关系的基础上,将原始声波信号放大后滤去谐波等各种干扰,转换成方波脉冲,并使用80C31单片机内部的定时器和计数器计时和计数,再通过高精度运算子程序与标准音高比较后计算出各项结果,最后用软件中断的方式实时输出至80字符液晶显示屏。其体积为18×11×2.5cm
文档编号G10C9/00GK2289279SQ9623971
公开日1998年8月26日 申请日期1996年11月7日 优先权日1996年11月7日
发明者蒋湘 申请人:蒋湘