Тюнер для электрогитары на базе Arduino

В данной статье рассмотрено, как можно изготовить тюнер для электрогитары с помощью Arduino! На создание этого устройства автора натолкнуло желание поэкспериментировать с возможностью обработки ардуино аудио сигнала и определением частоты. При этом использовался код Аманды Гассеи, позволяющий определять частоту с использованием Arduino. В качестве индикации используются светодиоды разного цвета, которые указывают, является ли воспроизводимая струна настроенной. Устройство работает как любой другой гитарный тюнер, но вы можете сделать его самостоятельно!

Шаг 1. Необходимое

(x1) Arduino Uno (можно использовать и Nano)
(x1) TL082 спаренный операционный усилитель TL082 (TL072, TL062)
(x1) Корпус 6x4x2 дюйма (или любой подходящий)
(x6) 5-мм желтый светодиод
(x6) Красный светодиод 5 мм
(x1) Зеленый светодиод 5 мм
(x13) Резистор 150 Ом
(x2) Батарея 9 В («Крона»)
(x2) Коннекторы для батарей
(x1) Разъем питания 5.5 х 2.1 мм «папа»
(x1) Выключатель питания
(x1) Монофонический разъем Джек 6.3 мм (Jack 1/4″)
(x2) Макетная плата
(x3) Резистор 100 кОм
(x1) Резистор 22 кОм
( x1) Конденсатор электролитический 10 мкФ
(x1) Конденсатор 100 нФ

Шаг 2: Подготовка корпуса

Просверлите все необходимые отверстия. Диаметр отверстий выбирается исходя их конкретно ваших компонентов.

Шаг 3: Включение / выключение

Выключатель нужно впаять в разрыв питания. В данном случае автор разрывает цепь от плюсового контакта батареи. От себя могу добавить, что можно использовать специальные гитарные разъемы, которые позволяют включать/отключать питание подсоединением гитарного штекера, во всех гитарных эффектах это реализовано именно таким образом. В таком случае разрывать необходимо «минус».

Шаг 4: Аудио разъем

Что бы не путаться при дальнейшем монтаже припаяйте к разъему провода разных цветов, зеленый — сигнал, черный — масса. К слову, автор использовал именно такой разъем, о котором я писал выше, но, очевидно, не знал о таком функционале этих разъемов.
После этого оба разъема можно монтировать в корпус, используя комплектные гайки и шайбы.

Шаг 5: Штепсельная вилка

Раскрутите вилку. Положительный провод необходимо припаять к центральному контакту штекера, а отрицательный к наружному (минус «снаружи», плюс «внутри», если смотреть на сам штекер). После этого произведите сборку штекера.

Шаг 6: Усиление и смещение

Аудио сигнал, поступающий от электрогитары, необходимо усилить до уровня около 5 В от пика до пика, а смещение должно составлять 2,5 вольта, а не 0 вольт. То есть нижний пик должен быть 0 вольт, верхний — 5 вольт. Это необходимо для того, что бы ардуино смогла прочитать подаваемый аудио сигнал. Выше Вы можете видеть принципиальную схему, которую перед окончательно сборки желательно собрать на беспечатной макетной плате.

От себя. Далее автор предлагает проверить схему при помощи осциллографа, подключив электрогитару и убедившись, что уровень не превышает 5 вольт. Совет, на самом деле дельный, так как если эти уровни превысить, есть шанс повредить входы ардуино. Проблема заключается лишь в том, что схематически сложность самоделки на уровне среднего школьного возраста, в то время как полноценный осциллограф имеет далеко не каждый взрослый радиолюбитель. Выход из ситуации однако есть. Сигнал электрогитары, что в принципе очевидно, находиться в звуковом диапазоне, следовательно его можно считать звуковой картой компьютера. В интернете есть довольно много несложных схем, по сути представляющих из себя набор делителей, позволяющих использовать их в сочетании с компьютером и специальной программой как несложный осциллограф.

После этого можно подать сигнал на ардуино, залить на нее скетч и убедиться, что все работает верно. Необходимый код находиться ниже (код скрыт спойлером).

Показать / Скрыть текст/*
* Modified Arduino Frequency Detection
* by Nicole Grimwood
*
* For more information please visit:
* https://www.instructables.com/id/Arduino-Guitar-Tuner/
*
*
* Slightly edited version of:
* Arduino Frequency Detection
* created October 7, 2012
* by Amanda Ghassaei
*
* This code is in the public domain.
*/

//clipping indicator variables
boolean clipping = 0;

//data storage variables
byte newData = 0;
byte prevData = 0;
unsigned int time = 0;//keeps time and sends vales to store in timer[] occasionally
int timer[10];//storage for timing of events
int slope[10];//storage for slope of events
unsigned int totalTimer;//used to calculate period
unsigned int period;//storage for period of wave
byte index = 0;//current storage index
float frequency;//storage for frequency calculations
int maxSlope = 0;//used to calculate max slope as trigger point
int newSlope;//storage for incoming slope data

//variables for decided whether you have a match
byte noMatch = 0;//counts how many non-matches you've received to reset variables if it's been too long
byte slopeTol = 3;//slope tolerance- adjust this if you need
int timerTol = 10;//timer tolerance- adjust this if you need

//variables for amp detection
unsigned int ampTimer = 0;
byte maxAmp = 0;
byte checkMaxAmp;
byte ampThreshold = 30;//raise if you have a very noisy signal

void setup(){

Serial.begin(9600);

pinMode(13,OUTPUT);//led indicator pin
pinMode(12,OUTPUT);//output pin

cli();//diable interrupts

//set up continuous sampling of analog pin 0 at 38.5kHz

//clear ADCSRA and ADCSRB registers
ADCSRA = 0;
ADCSRB = 0;

ADMUX |= (1 << REFS0); //set reference voltage
ADMUX |= (1 << ADLAR); //left align the ADC value- so we can read highest 8 bits from ADCH register only

sei();//enable interrupts
}

ISR(ADC_vect) {//when new ADC value ready

PORTB &= B11101111;//set pin 12 low
prevData = newData;//store previous value
newData = ADCH;//get value from A0
if (prevData < 127 && newData >=127){//if increasing and crossing midpoint
newSlope = newData — prevData;//calculate slope
if (abs(newSlope-maxSlope)<slopeTol){//if slopes are ==
//record new data and reset time
slope[index] = newSlope;
timer[index] = time;
time = 0;
if (index == 0){//new max slope just reset
PORTB |= B00010000;//set pin 12 high
noMatch = 0;
index++;//increment index
}
else if (abs(timer[0]-timer[index])<timerTol && abs(slope[0]-newSlope)<slopeTol){//if timer duration and slopes match
//sum timer values
totalTimer = 0;
for (byte i=0;i<index;i++){
totalTimer+=timer[i];
}
period = totalTimer;//set period
//reset new zero index values to compare with
timer[0] = timer[index];
slope[0] = slope[index];
index = 1;//set index to 1
PORTB |= B00010000;//set pin 12 high
noMatch = 0;
}
else{//crossing midpoint but not match
index++;//increment index
if (index > 9){
reset();
}
}
}
else if (newSlope>maxSlope){//if new slope is much larger than max slope
maxSlope = newSlope;
time = 0;//reset clock
noMatch = 0;
index = 0;//reset index
}
else{//slope not steep enough
noMatch++;//increment no match counter
if (noMatch>9){
reset();
}
}
}

if (newData == 0 || newData == 1023){//if clipping
clipping = 1;//currently clipping
Serial.println("clipping");
}

time++;//increment timer at rate of 38.5kHz

ampTimer++;//increment amplitude timer
if (abs(127-ADCH)>maxAmp){
maxAmp = abs(127-ADCH);
}
if (ampTimer==1000){
ampTimer = 0;
checkMaxAmp = maxAmp;
maxAmp = 0;
}

}

void reset(){//clean out some variables
index = 0;//reset index
noMatch = 0;//reset match couner
maxSlope = 0;//reset slope
}

void checkClipping(){//manage clipping indication
if (clipping){//if currently clipping
clipping = 0;
}
}

void loop(){

checkClipping();

if (checkMaxAmp>ampThreshold){
frequency = 38462/float(period);//calculate frequency timer rate/period

//print results
Serial.print(frequency);
Serial.println(" hz");
}

delay(100);

}

Монитор порта будет выводить частоту воспроизводимых струн. Гитарные струны, при стандартной настройке, имеют такие частоты:

При первых попытках могут возникнуть проблемы при определении частот либо верхних, либо нижних струн. В коде Аманды есть значение ampThreshold. Меняя это значение необходимо добиться хорошего детектирования частоты всех струн, это значение должно быть в диапазоне от 10 до 30, но можно поэкспериментировать и с другими значениями.

Шаг 7: Впайка чипа

Шаг 8: Впайка остальных компонентов

Шаг 9: Предварительная сборка

Шаг 10: Программирование

Загрузите следующий код в Arduino.

Показать / Скрыть текст<pre>/*
* Arduino Guitar Tuner
* by Nicole Grimwood
*
* For more information please visit:
* https://www.instructables.com/id/Arduino-Guitar-Tuner/
*
* Based upon:
* Arduino Frequency Detection
* created October 7, 2012
* by Amanda Ghassaei
*
* This code is in the public domain.
*/

//variables for deciding whether you have a match
byte noMatch = 0;//counts how many non-matches you've received to reset variables if it's been too long
byte slopeTol = 3;//slope tolerance- adjust this if you need
int timerTol = 10;//timer tolerance- adjust this if you need

//variables for amp detection
unsigned int ampTimer = 0;
byte maxAmp = 0;
byte checkMaxAmp;
byte ampThreshold = 30;//raise if you have a very noisy signal

//variables for tuning
int correctFrequency;//the correct frequency for the string being played

void setup(){

Serial.begin(9600);

//LED pins
pinMode(7,OUTPUT);
pinMode(6,OUTPUT);
pinMode(5,OUTPUT);
pinMode(4,OUTPUT);
pinMode(3,OUTPUT);
pinMode(2,OUTPUT);
pinMode(A3,OUTPUT);
pinMode(A4,OUTPUT);
pinMode(A5,OUTPUT);
pinMode(A1,OUTPUT);
pinMode(A2,OUTPUT);
pinMode(8,OUTPUT);
pinMode(9,OUTPUT);

//Beginning LED sequence
digitalWrite(7,1);
digitalWrite(6,1);
digitalWrite(5,1);
digitalWrite(4,1);
digitalWrite(3,1);
digitalWrite(2,1);
digitalWrite(8,1);
analogWrite(A1,255);
delay(500);
digitalWrite(9,1);
analogWrite(A2,255);
delay(500);
digitalWrite(A5,255);
analogWrite(A3,255);
delay(500);
analogWrite(A4,255);
delay(500);

cli();//disable interrupts

//set up continuous sampling of analog pin 0 at 38.5kHz

//clear ADCSRA and ADCSRB registers
ADCSRA = 0;
ADCSRB = 0;

ADMUX |= (1 << REFS0); //set reference voltage
ADMUX |= (1 << ADLAR); //left align the ADC value- so we can read highest 8 bits from ADCH register only

sei();//enable interrupts
}

ISR(ADC_vect) {//when new ADC value ready

time++;//increment timer at rate of 38.5kHz

ampTimer++;//increment amplitude timer
if (abs(127-ADCH)>maxAmp){
maxAmp = abs(127-ADCH);
}
if (ampTimer==1000){
ampTimer = 0;
checkMaxAmp = maxAmp;
maxAmp = 0;
}

}

void reset(){//clean out some variables
index = 0;//reset index
noMatch = 0;//reset match couner
maxSlope = 0;//reset slope
}

//Turn off 5 out the 6 LEDs for the guitar strings
void otherLEDsOff(int LED1, int LED2,int LED3,int LED4,int LED5){
digitalWrite(LED1,0);
digitalWrite(LED2,0);
digitalWrite(LED3,0);
digitalWrite(LED4,0);
digitalWrite(LED5,0);
}

//Determine the correct frequency and light up
//the appropriate LED for the string being played
void stringCheck(){
if(frequency>70&frequency<90){
otherLEDsOff(2,3,5,6,7);
digitalWrite(2,1);
correctFrequency = 82.4;
}
if(frequency>100&frequency<120){
otherLEDsOff(2,3,4,5,6);
digitalWrite(3,1);
correctFrequency = 110;
}
if(frequency>135&frequency<155){
otherLEDsOff(2,3,4,6,7);
digitalWrite(4,1);
correctFrequency = 146.8;
}
if(frequency>186&frequency<205){
otherLEDsOff(2,3,5,6,7);
digitalWrite(5,1);
correctFrequency = 196;
}
if(frequency>235&frequency<255){
otherLEDsOff(2,4,5,6,7);
digitalWrite(6,1);
correctFrequency = 246.9;
}
if(frequency>320&frequency<340){
otherLEDsOff(3,4,5,6,7);
digitalWrite(7,1);
correctFrequency = 329.6;
}
}

//Compare the frequency input to the correct
//frequency and light up the appropriate LEDS
void frequencyCheck(){
if(frequency>correctFrequency+1){
analogWrite(A3,255);
}
if(frequency>correctFrequency+4){
analogWrite(A2,255);
}
if(frequency>correctFrequency+6){
analogWrite(A1,255);
}
if(frequency<correctFrequency-1){
analogWrite(A5,255);
}
if(frequency<correctFrequency-4){
digitalWrite(9,1);
}
if(frequency<correctFrequency-6){
digitalWrite(8,1);
}
if(frequency>correctFrequency-1&frequency<correctFrequency+1){
analogWrite(A4,255);
}
}

void allLEDsOff(){
digitalWrite(2,0);
digitalWrite(3,0);
digitalWrite(4,0);
digitalWrite(5,0);
digitalWrite(6,0);
digitalWrite(7,0);
digitalWrite(8,0);
digitalWrite(9,0);
analogWrite(A1,0);
analogWrite(A2,0);
analogWrite(A3,0);
analogWrite(A4,0);
analogWrite(A5,0);
}

void loop(){

allLEDsOff();

if (checkMaxAmp>ampThreshold){
frequency = 38462/float(period);//calculate frequency timer rate/period
}

stringCheck();
frequencyCheck();

delay(100);

}

Шаг 11: Шильдик

Для своего гитарного тюнера автор выбрал лазерную резку. Вместо этого можно использовать стандартную крышку корпуса, предварительно насверлив в ней отверстия.

Шаг 12: Светодиоды

Впаяйте LED на плату. Что бы сделать это соосно с отверстиями, вставьте их вместе с платой в крышку не запаивая, а после уже припаяйте. К аноду каждого светодиода необходимо припаять сопротивление 150 Ом, к нему в свою очередь провод, который пойдет на один из входов Arduino. Автор использовал красные диоды для обозначения настройки струны, зеленый для обозначения того, что струна настроена и желтые для указания, какая именно струна сейчас настраивается. Катоды соединяются вместе, и при помощи провода соединяются с землей ардуино.

Шаг 13: Подключение светодиодов

Подключите провода к плате Arduino. В следующем списке указано, какой светодиод должен быть подключен к какому контакту.

Крайний левый красный светодиод — контакт 8,
Следующий красный светодиод справа — контакт 9,
Следующий красный светодиод справа — А5
Зеленый светодиод — А4
Первый красный светодиод справа от зеленого светодиода — A3
Следующий красный светодиод справа — А2
Самый правый красный светодиод — А1

Крайний левый светодиод с надписью «E» — контакт 2,
Светодиод струны «А» — контакт 3,
Светодиод струны «D» — контакт 4,
Светодиод струны «G» — контакт 5,
Светодиод струны » B «- контакт 6,
Крайний правый светодиод с надписью» E «- контакт 7

После подключения всех светодиодов включите устройство и убедитесь, что светодиоды правильно отображают воспроизводимые струны и процесс настройки.

Шаг 14: Окончательная сборка

Аккуратно соберите устройство, убедившись в том, что не один из проводов не отсоединился от ардуино.

Шаг 15: Настройтесь!

Источник (Source)

Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

Подборки: Крона

Источник: usamodelkina.ru