彈吉他時最重要的事情之一是確保樂器音準。即使是最好的吉他手，用一把走調的吉他也不會聽起來有任何好處。使用標準調音器手動調音一直很常見，但自動調音器讓事情變得更容易，更有趣！這個基于 Arduino 的項目將為您調音吉他。

概述

上圖顯示了自動吉他調音器的概覽。

按鈕用于選擇要調音的琴弦

六個 LED 顯示屏用于指示選擇了哪個字符串

連接到電機的夾具用于轉動調音栓，直到琴弦調準。

輸入和輸出由上述四個電路控制：按鈕的數字輸入電路、吉他的模擬音頻輸入電路、LED 顯示屏的數字輸出電路和調音栓的電機驅動電路抓手。這四個電路與 Arduino Due 交互，后者正在運行使用 Simulink 開發的算法。

音頻輸入電路

吉他通過標準吉他電纜連接到調音器。吉他電纜的末端有兩個連接，稱為尖端和套管。電纜的一端將連接到輸入插孔，該插孔具有用于尖端和套管的引線。我將電線焊接到這些引線上，以將尖端和套管連接到音頻輸入電路。

我建議在這個電路中使用 TL972 運算放大器。它是一款噪聲非常低的軌到軌放大器，可以在非常低的電源電壓下工作。

電動調音釘夾

這個項目中沒有使用任何直流電機。我需要一個低速高扭矩的減速電機。我使用的電機速度為 6 RPM，最大扭矩為 613 oz-in。它的電壓范圍為 3-12 V，因此我使用 9 V 電池作為電源。

在電機的軸上，我使用夾具輪轂、四個螺絲和一些膠帶組裝了一個簡單的夾持機構。

軟件

我使用Simulink 及其對 Arduino 的支持包來開發調諧器的算法。Simulink 是用于開發算法和建模動態系統的框圖環境。支持包允許我使用 Simulink 模塊讀取和寫入 Arduino 上的引腳。使用該軟件的外部模式功能，我可以在 Arduino 上模擬一個算法，在模擬運行時自動生成代碼并調整參數，而無需重新編譯任何代碼。然后我可以將算法部署到硬件以獨立執行。我創建的模型如下所示：

外部模式允許使用范圍模塊來監控在硬件上運行的算法的某些部分。這對于監聽按鈕的數字輸入和吉他的模擬輸入特別有用。從按鈕作用域我們可以看到，當按鈕被按下時，輸入從 0 變為 1。

我希望這個從 0 到 1 的變化觸發所選字符串的變化。這被稱為上升觸發器。我創建了一個名為“Select String”的 Stateflow 圖，它有六個狀態，每個字符串一個狀態，并根據這個上升的觸發輸入從一個狀態更改為下一個狀態。以下是對 Stateflow 圖的更詳細介紹：

進入每個狀態后，相應燈串的 LED 引腳設置為高電平。在退出每個狀態時，該引腳設置為低電平。我選擇了六根弦中最低的低 E 弦作為我的默認值。當我第一次打開調諧器時，它將以這種默認狀態啟動。

Stateflow 圖上有七個輸出：一個用于六個燈串中的每一個的 LED，一個稱為“periodRange”，我將在后面討論。六個 LED 輸出直接進入 Arduino 數字輸出模塊，以打開或關閉相應的 LED。

現在讓我們看看模型的音頻處理部分。吉他信號通過模擬輸入模塊進入。對于 5 kHz 的采樣率，我將塊的采樣時間設置為 0.0002 秒。當我彈吉他并打開音頻范圍塊時，我能夠看到如下圖所示的波形：

示波器塊幫助我調整音頻電路中的電位器以改變輸入的增益。在波形峰值不達到最大值 1023 的情況下，應將增益設置得盡可能高。這將允許最精確地讀取信號。

不彈吉他時，輸入信號應該是 500 到 700 之間的一條直線。在我的例子中，它大約是 550。知道這個值很重要，因為調音器應該只在有音符時處理音頻正在播放。我選擇了一個值 575，就在這條平線上方，作為我的閾值。僅當信號高于此閾值時才會處理音頻。由于 Simulink 允許我在仿真運行時調整參數，因此我可以輕松設置閾值。

當在吉他上彈奏單個音符時，生成的波形是周期性的。波形的周期對應于某個音高。調音算法通過確定波形的周期來估計弦的音高。我編寫了一個執行此音高估計的 MATLAB 函數，并使用 MATLAB 功能塊將其包含在我的 Simulink 模型中。為了確定字符串是否合拍，MATLAB 函數需要一個輸入來指示每個字符串的音調范圍。這是 Stateflow 圖的輸出“periodRange”。該函數根據周期范圍確定琴弦的音高是過高、過低還是音準，并相應地為電機生成輸出。

MATLAB 函數的輸出是控制電機的三個引腳。這些輸出直接進入 Arduino 數字輸出模塊。

一旦我確保我的算法一切正常，我就可以將它部署到硬件上，這樣它就可以獨立運行，而無需連接到 PC 并且獨立于 Simulink。