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    基于Labview壓力電子琴的設(shè)計(jì)

    2017-07-19 11:52:46杜鳴笛何淑珍
    科技資訊 2017年17期
    關(guān)鍵詞:電子琴壓力

    杜鳴笛 何淑珍

    摘 要:該文采用Labview軟件設(shè)計(jì)了壓力電子琴。利用惠斯通電路原理設(shè)計(jì)外部壓力系統(tǒng),對(duì)輸出電壓進(jìn)行放大,采用DAQ數(shù)據(jù)采集通道來采集該系統(tǒng)所感應(yīng)壓力機(jī)械信號(hào)成比例的電壓信號(hào)。采集的數(shù)據(jù)在內(nèi)部進(jìn)行處理后,實(shí)現(xiàn)壓力的變化引起輸出音調(diào)的變化。

    關(guān)鍵詞:電子琴 壓力 惠斯通

    中圖分類號(hào):TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2017)06(b)-0097-03

    Labview是一種較先進(jìn)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化用于編程的工具,是1986年美國(guó)國(guó)家儀器公司提出的一個(gè)概念,是計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)行業(yè)的一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。同時(shí)它也有一些強(qiáng)大的基本功能,包括一些程序調(diào)試工具,如單步執(zhí)行等。運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì),思路清晰,編程、調(diào)試和功能十分簡(jiǎn)單。

    關(guān)于電子琴的發(fā)展,不同的科研人員采用不同的方法。如:付夢(mèng)婷用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)了一個(gè)產(chǎn)生88個(gè)電子琴琴音的數(shù)字電路。王江偉設(shè)計(jì)了一種激光虛擬電子琴的工作原理和制作過程,通過紅外手指定位技術(shù)來確定按鍵,控制音響部分發(fā)出相應(yīng)的聲音。鐘秀媚設(shè)計(jì)采用硬件電路與軟件程序相結(jié)合的方式,設(shè)計(jì)的思路是采用一個(gè)模擬鍵盤,由超聲波來測(cè)定手的位置,測(cè)定后數(shù)據(jù)反饋給FPGA處理模塊,內(nèi)部處理結(jié)束后輸出對(duì)應(yīng)的頻率,再由揚(yáng)聲器進(jìn)行播放。王杰等采用嵌入式開發(fā)板設(shè)計(jì)了一個(gè)電子琴,電子琴采用觸摸式液晶屏按鍵,由按鍵來控制脈沖寬度調(diào)制波形進(jìn)行演奏,不同的音符會(huì)使得LED燈有不同的閃爍方式,另外還能播放預(yù)置歌曲。王洋設(shè)計(jì)以AT89S52單片機(jī)作為系統(tǒng)核心控制器,通過外部硬件電路的實(shí)現(xiàn)和軟件的設(shè)計(jì),最終實(shí)現(xiàn)電子琴的演奏、播放功能。張國(guó)華 采用軟件的方式,設(shè)計(jì)的思路是采用前面板設(shè)計(jì)模擬琴鍵,程序則負(fù)責(zé)在有琴鍵按下的時(shí)候,播放對(duì)應(yīng)頻率的音樂。

    1 壓力電子琴程序流程

    壓力電子琴程序流程圖如圖1所示。首先電壓信號(hào)產(chǎn)生和放大;再采用DAQ采集放大的電壓信號(hào);然后就是一個(gè)多重判斷,根據(jù)電壓大小所在的范圍來給y賦不同的值。當(dāng)電壓為負(fù)值或高于設(shè)計(jì)的范圍,則會(huì)給y賦“0”值。程序運(yùn)行依據(jù)y值來跳轉(zhuǎn)到不同的程序段執(zhí)行。執(zhí)行時(shí),將一個(gè)數(shù)字頻率輸入控件,控件負(fù)責(zé)播放該頻率對(duì)應(yīng)的聲音。

    2 電壓信號(hào)的產(chǎn)生

    外部設(shè)計(jì)電路就是電壓信號(hào)產(chǎn)生電路,也是惠斯通電路,如圖2所示。電路由三個(gè)固定電阻和一個(gè)可變電阻組成。固定電阻阻值為R1=R2=R3=2 kΩ,可變電阻Rx的最大值為2 kΩ。電阻是由敏感柵等構(gòu)成用于測(cè)量應(yīng)變的元件。它能夠?qū)C(jī)械構(gòu)件上的形變轉(zhuǎn)換為電阻變化,感應(yīng)靈敏度極高。在圖2中,如果四個(gè)電阻阻值相同,此時(shí)處于電橋平衡狀態(tài)。如果此時(shí)電阻應(yīng)變片的阻值發(fā)生變化,平衡狀態(tài)被打破,變化電阻對(duì)應(yīng)著變化的電壓值,由此可以把不可測(cè)量的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電信號(hào)。

    聲音的一般音調(diào)是由0~7組成,相對(duì)應(yīng)8個(gè)鍵,圖3是琴鍵和音調(diào)對(duì)應(yīng)的示意圖。8個(gè)鍵根據(jù)力的大小和形變的大小來控制。

    3 電壓信號(hào)的放大

    通過改變壓力來改變電阻的阻值,盡管構(gòu)件已經(jīng)發(fā)生最大的形變,但電阻應(yīng)變片發(fā)生的阻值變化太小,故引起的電壓變化自然很小。一般情況下,電壓的輸出值太小,無法很好地對(duì)應(yīng)進(jìn)行判斷。電橋輸出的電壓值不僅很小且易被外界信號(hào)干擾,所以在電橋輸出之后必須加入放大電路和抗干擾電路。具體的硬件電路原理圖如圖4所示。當(dāng)壓力傳感裝置感知的壓力產(chǎn)生變化后,傳感器里的電阻阻值便會(huì)相應(yīng)的進(jìn)行變化,進(jìn)而引起壓力橋式測(cè)量電路輸出的電壓發(fā)生變化,該變化的電信號(hào)經(jīng)由連接元件J2輸入后被前三個(gè)LM324構(gòu)成的差分放大電路執(zhí)行一級(jí)放大,最終在CH2端輸出一個(gè)被LM324的U8A進(jìn)行二級(jí)放大后正比于壓力F的電壓信號(hào)。

    4 Labview軟件設(shè)計(jì)

    8個(gè)音調(diào)對(duì)應(yīng)的8個(gè)鍵,每個(gè)鍵都是0和1兩種狀態(tài),因此需要設(shè)計(jì)8個(gè)條件結(jié)構(gòu),每個(gè)條件結(jié)構(gòu)有“真”“假”兩個(gè)分支。然后采用“仿真信號(hào)”控件,只需要設(shè)置信號(hào)類型為“正弦”波形,其他無需設(shè)置,點(diǎn)擊確定保存即可。將條件結(jié)構(gòu)中8個(gè)分支下的數(shù)值常量與“仿真信號(hào)”控件的“頻率”接線端連接。軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

    5 實(shí)驗(yàn)調(diào)試

    此外,把設(shè)計(jì)的控制軟件和放大電路共同組合和調(diào)試,可以得到如下的效果。

    (1)基本可控制的力的大小,實(shí)現(xiàn)單鍵發(fā)音。

    (2)能夠彈奏非常簡(jiǎn)單的曲子。

    但是也存在很大的問題,力的大小很難把握和控制,經(jīng)常出現(xiàn)跑調(diào)等情況。

    6 結(jié)語(yǔ)

    該文利用惠斯通電路原理設(shè)計(jì)外部壓力感應(yīng)系統(tǒng),根據(jù)放大電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行放大,采用DAQ數(shù)據(jù)采集通道來采集該系統(tǒng)所感應(yīng)與壓力機(jī)械信號(hào)成比例的電壓信號(hào)。利用Labview軟件設(shè)計(jì)壓力感電子琴,采集的數(shù)據(jù)在內(nèi)部進(jìn)行處理后,實(shí)現(xiàn)壓力的變化引起輸出音樂頻率的變化。按的力度不同,會(huì)有不同音調(diào)的聲音。

    參考文獻(xiàn)

    [1] 陳錫輝,張銀紅.LabVIEW 8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007:60-65.

    [2] 龍馬工作室.labview完全自學(xué)手冊(cè)[M].北京:人民郵電出版社,2005:104-105.

    [3] 張金.LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2015:93-96.

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