基于Labview壓力電子琴的設(shè)計(jì)

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)

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