Детектор музыкальных нот: 3 шага

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:48

Удивите своих друзей и семью этим проектом, который распознает ноты, сыгранные на инструменте. В этом проекте будет отображаться приблизительная частота, а также музыкальная нота, сыгранная на электронной клавиатуре, приложении для фортепиано или любом другом инструменте.

Подробности

В этом проекте аналоговый выход детектора звукового модуля отправляется на аналоговый вход A0 Arduino Uno. Аналоговый сигнал дискретизируется и квантуется (оцифровывается). Код автокорреляции, взвешивания и настройки используется для нахождения основной частоты с использованием первых 3 периодов. Затем приблизительная основная частота сравнивается с частотами в диапазоне октав 3, 4 и 5 для определения ближайшей частоты музыкальной ноты. Наконец, на экране печатается предполагаемое примечание для ближайшей частоты.

Примечание. В этом руководстве рассказывается только о том, как построить проект. Для получения дополнительной информации о деталях и обоснованиях дизайна перейдите по этой ссылке: Подробнее

Запасы

• (1) Arduino Uno (или Genuino Uno)
• (1) Совместимость с модулем обнаружения звука высокой чувствительности датчика микрофона DEVMO
• (1) Макетная плата без пайки
• (1) Кабель USB-A - B
• Провода перемычки
• Музыкальный источник (фортепиано, клавиатура или приложение paino с динамиками)
• (1) Компьютер или ноутбук

Шаг 1. Создайте оборудование для детектора музыкальных нот

Используя Arduino Uno, соединительные провода, макетную плату без пайки и модуль обнаружения звука высокой чувствительности датчика микрофона DEVMO (или аналогичный), создайте схему, показанную на этом изображении.

Шаг 2: запрограммируйте детектор музыкальных нот

В IDE Arduino добавьте следующий код.

gistfile1.txt

/*

Имя файла / эскиза: MusicalNoteDetector

Номер версии: v1.0 Создано 7 июня 2020 г.

Автор оригинала: Клайд А. Леттсом, PhD, PE, MEM

Описание: этот код / эскиз отображает приблизительную частоту, а также музыкальную ноту, сыгранную на электронной клавиатуре или в приложении для фортепиано. Для этого проекта аналоговый выход из

Звуковой модуль детектора отправляется на аналоговый вход A0 Arduino Uno. Аналоговый сигнал дискретизируется и квантуется (оцифровывается). Код автокорреляции, взвешивания и настройки используется для

найти основную частоту, используя первые 3 периода. Затем приблизительная основная частота сравнивается с частотами в диапазоне 3, 4 и 5 октав для определения ближайшего музыкального

обратите внимание на частоту. Наконец, на экране печатается предполагаемое примечание для ближайшей частоты.

Лицензия: Эта программа является бесплатным программным обеспечением; вы можете распространять и / или изменять его в соответствии с условиями Стандартной общественной лицензии GNU (GPL) версии 3 или любой более поздней.

версия по вашему выбору, опубликованная Free Software Foundation.

Примечания: Copyright (c) 2020 by C. A. Lettsome Services, LLC

Для получения дополнительной информации посетите

*/

#define SAMPLES 128 // Макс 128 для Arduino Uno.

#define SAMPLING_FREQUENCY 2048 // Fs = на основе Найквиста, должно быть в 2 раза больше максимальной ожидаемой частоты.

#define OFFSETSAMPLES 40 // используется для калибровки

#define TUNER -3 // Регулируйте, пока C3 не станет 130,50

float samplingPeriod;

беззнаковые длинные микросекунды;

int X [ОБРАЗЦЫ]; // создаем вектор размера SAMPLES для хранения реальных значений

float autoCorr [ОБРАЗЦЫ]; // создаем вектор размера SAMPLES для хранения мнимых значений

float storedNoteFreq [12] = {130,81, 138,59, 146,83, 155,56, 164,81, 174,61, 185, 196, 207,65, 220, 233,08, 246,94};

int sumOffSet = 0;

int offSet [СМЕЩЕНИЯ]; // создаем вектор смещения

int avgOffSet; // создаем вектор смещения

int i, k, periodEnd, periodBegin, period, adjuster, noteLocation, octaveRange;

float maxValue, minValue;

длинная сумма;

int thresh = 0;

int numOfCycles = 0;

float signalFrequency, signalFrequency2, signalFrequency3, signalFrequencyGuess, total;

байт state_machine = 0;

int samplesPerPeriod = 0;

установка void ()

{

Serial.begin (115200); // 115200 бод для последовательного монитора

}

пустой цикл ()

{

//*****************************************************************

// Раздел калибровки

//*****************************************************************

Serial.println («Калибровка. Пожалуйста, не играйте никаких нот во время калибровки.»);

for (i = 0; i <OFFSETSAMPLES; i ++)

{

offSet = analogRead (0); // Считывает значение с аналогового вывода 0 (A0), квантует его и сохраняет как действительный член.

//Serial.println(offSet); // используйте это, чтобы настроить модуль обнаружения звука примерно на половину или 512, когда звук не воспроизводится.

sumOffSet = sumOffSet + offSet [я];

}

samplesPerPeriod = 0;

maxValue = 0;

//*****************************************************************

// Готовимся принять ввод от A0

//*****************************************************************

avgOffSet = round (sumOffSet / OFFSETSAMPLES);

Serial.println («Обратный отсчет»);

задержка (1000); // пауза на 1 секунду

Serial.println («3»);

задержка (1000); // пауза на 1 секунду

Serial.println («2»);

задержка (1000); // пауза на 1

Serial.println («1»);

задержка (1000); // пауза на 1 секунду

Serial.println («Сыграй свою ноту!»);

задержка (250); // пауза на 1/4 секунды на время реакции

//*****************************************************************

// Собираем SAMPLES выборки из A0 с периодом выборки samplingPeriod

//*****************************************************************

samplingPeriod = 1.0 / SAMPLING_FREQUENCY; // Период в микросекундах

для (i = 0; i <ОБРАЗЦЫ; i ++)

{

микросекунды = микросекунды (); // Возвращает количество микросекунд, прошедших с того момента, как плата Arduino начала запускать текущий скрипт.

X = analogRead (0); // Считывает значение с аналогового вывода 0 (A0), квантует его и сохраняет как действительный член.

/ * оставшееся время ожидания между выборками, если необходимо, в секундах * /

а (микросекунды () <(микросекунды + (период выборки * 1000000)))

{

// ничего не делаем, просто ждем

}

}

//*****************************************************************

// Автокорреляционная функция

//*****************************************************************

for (i = 0; i <SAMPLES; i ++) // i = задержка

{

сумма = 0;

for (k = 0; k <SAMPLES - i; k ++) // Сопоставить сигнал с задержанным сигналом

{

сумма = сумма + (((X [k]) - avgOffSet) * ((X [k + i]) - avgOffSet)); // X [k] - это сигнал, а X [k + i] - это отложенная версия

}

autoCorr = сумма / ОБРАЗЦЫ;

// Конечный автомат первого обнаружения пика

если (state_machine == 0 && i == 0)

{

порог = autoCorr * 0,5;

state_machine = 1;

}

else if (state_machine == 1 && i> 0 && thresh 0) // state_machine = 1, найти 1 период для использования первого цикла

{

maxValue = autoCorr ;

}

иначе if (state_machine == 1 && i> 0 && thresh <autoCorr [i-1] && maxValue == autoCorr [i-1] && (autoCorr -autoCorr [i-1]) <= 0)

{

periodBegin = i-1;

state_machine = 2;

numOfCycles = 1;

samplesPerPeriod = (periodBegin - 0);

период = samplesPerPeriod;

регулятор = TUNER + (50.04 * exp (-0.102 * samplesPerPeriod));

signalFrequency = ((SAMPLING_FREQUENCY) / (samplesPerPeriod)) - регулятор; // f = fs / N

}

else if (state_machine == 2 && i> 0 && thresh 0) // state_machine = 2, найти 2 периода для 1-го и 2-го цикла

{

maxValue = autoCorr ;

}

иначе if (state_machine == 2 && i> 0 && thresh <autoCorr [i-1] && maxValue == autoCorr [i-1] && (autoCorr -autoCorr [i-1]) <= 0)

{

periodEnd = i-1;

state_machine = 3;

numOfCycles = 2;

samplesPerPeriod = (periodEnd - 0);

signalFrequency2 = ((numOfCycles * SAMPLING_FREQUENCY) / (samplesPerPeriod)) - регулятор; // f = (2 * fs) / (2 * N)

maxValue = 0;

}

else if (state_machine == 3 && i> 0 && thresh 0) // state_machine = 3, найти 3 периода для 1-го, 2-го и 3-го цикла

{

maxValue = autoCorr ;

}

иначе if (state_machine == 3 && i> 0 && thresh <autoCorr [i-1] && maxValue == autoCorr [i-1] && (autoCorr -autoCorr [i-1]) <= 0)

{

periodEnd = i-1;

state_machine = 4;

numOfCycles = 3;

samplesPerPeriod = (periodEnd - 0);

signalFrequency3 = ((numOfCycles * SAMPLING_FREQUENCY) / (samplesPerPeriod)) - регулятор; // f = (3 * fs) / (3 * N)

}

}

//*****************************************************************

// Анализ результатов

//*****************************************************************

если (samplesPerPeriod == 0)

{

Serial.println («Хм….. я не уверен. Вы пытаетесь меня обмануть?»);

}

еще

{

// подготавливаем весовую функцию

всего = 0;

если (частота сигнала! = 0)

{

всего = 1;

}

если (signalFrequency2! = 0)

{

итого = всего + 2;

}

если (signalFrequency3! = 0)

{

итого = всего + 3;

}

// вычисляем частоту с помощью весовой функции

signalFrequencyGuess = ((1 / всего) * signalFrequency) + ((2 / total) * signalFrequency2) + ((3 / total) * signalFrequency3); // находим взвешенную частоту

Serial.print («Сыгранная вами нота примерно равна»);

Serial.print (signalFrequencyGuess); // Распечатываем предположение о частоте.

Serial.println («Гц»);

// находим диапазон октав на основе предположения

octaveRange = 3;

while (! (signalFrequencyGuess> = storedNoteFreq [0] -7 && signalFrequencyGuess <= storedNoteFreq [11] +7))

{

для (я = 0; я <12; я ++)

{

storedNoteFreq = 2 * storedNoteFreq ;

}

octaveRange ++;

}

// Находим ближайшую заметку

minValue = 10000000;

noteLocation = 0;

для (я = 0; я <12; я ++)

{

если (minValue> abs (signalFrequencyGuess-storedNoteFreq ))

{

minValue = abs (signalFrequencyGuess-storedNoteFreq );

noteLocation = i;

}

}

// Распечатываем заметку

Serial.print («Думаю, ты играл»);

если (noteLocation == 0)

{

Serial.print ("C");

}

иначе, если (noteLocation == 1)

{

Serial.print («C #»);

}

иначе, если (noteLocation == 2)

{

Serial.print ("D");

}

иначе, если (noteLocation == 3)

{

Serial.print ("D #");

}

иначе, если (noteLocation == 4)

{

Serial.print («E»);

}

иначе, если (noteLocation == 5)

{

Serial.print («F»);

}

иначе, если (noteLocation == 6)

{

Serial.print ("F #");

}

иначе, если (noteLocation == 7)

{

Serial.print ("G");

}

иначе, если (noteLocation == 8)

{

Serial.print ("G #");

}

иначе, если (noteLocation == 9)

{

Serial.print («А»);

}

иначе, если (noteLocation == 10)

{

Serial.print ("A #");

}

иначе, если (noteLocation == 11)

{

Serial.print («B»);

}

Serial.println (octaveRange);

}

//*****************************************************************

//Остановись здесь. Нажмите кнопку сброса на Arduino, чтобы перезапустить

//*****************************************************************

в то время как (1);

}

просмотреть rawgistfile1.txt, размещенный на ❤ на GitHub

Шаг 3: Настройте Детектор музыкальных нот

Подключите Arduino Uno к ПК с кодом, написанным или загруженным в Arduino IDE. Скомпилируйте и загрузите код в Arduino. Разместите схему рядом с источником музыки. Примечание. Во вводном видео я использую приложение, установленное на планшете, в сочетании с динамиками ПК в качестве источника музыки. Нажмите кнопку сброса на плате Arduino, а затем сыграйте ноту на источнике музыки. Через несколько секунд детектор музыкальных нот отобразит сыгранную ноту и ее частоту.