Indholdsfortegnelse 1 Indledning...4 2 Markedsundersøgelse...5 2.1 Identifikation af problemer og muligheder...5 2.2 Formulering af markedsundersøgelsesbehov...5 2.3 Spørgeskema...6 2.4 House of Quality...6 2.5 Markedspotentiale...9 2.6 SWOT-analyse...10 2.7 Konkurrencesituationen...11 2.8 Delkonklusion...13 3 Mål og strategi...14 3.1 Målsætning...14 3.2 Porter s generiske strategier...14 3.3 STP-analyse...15 3.4 Delkonklusion...16 4 Marketing-mix...17 4.1 Produkt...17 4.2 Pris...18 4.3 Place (distribution)...18 4.4 Promotion...19 4.5 Delkonklusion...20 5 Frekvensbestemmelse...21 5.1 Kravspecifikation...21 5.2 Databehandling...23 5.3 Hardware...27 5.4 Software...28 5.5 Delkonklusion...31 6 Motorregulering...32 6.1 Kravspecifikation...32 6.2 Systembeskrivelse...33 6.3 Procesbeskrivelse...36 6.4 Software...39 6.5 Delkonklusion...42 7 Tests...43 7.1 Fremgangsmåde...43 7.2 Forsøgsresultater...44 7.3 Analyse af forsøgsdata...45 7.4 Delkonklusion...46 8 Endeligt produkt...47 8.1 Design...47 8.2 Delkonklusion...50
9 Konklusion...51 10 Litteraturliste...53 Figurliste Figur 1: House of Quality...7 Figur 2: Guitartuner...11 Figur 3: Automatisk guitartuner...12 Figur 4: Aktivitetsdiagram for UseCase...22 Figur 5: Blokdiagram af systemet...23 Figur 6: Oversigt over guitarstrengenes frekvenser...23 Figur 7: Signal fra guitar...24 Figur 8: Schmitt Trigger Plot...25 Figur 9: Kredsløb...26 Figur 10: LCD-display...27 Figur 11: Aktivitetsdiagram for frekvensbestemmelsen...28 Figur 12: Klassediagram for frekvensbestemmelse...29 Figur 13: Blokdiagram for system...33 Figur 14: Printet kobling...34 Figur 15: Mekanisk kobling...34 Figur 16: H-bro...36 Figur 17: Grafisk sammenhæng...37 Figur 18: Procesdiagram...38 Figur 19: Aktivitetsdiagram for frekvensbestemmelse...39 Figur 20: Klassediagram for frekvensbestemmelse...40 Figur 21: Forslag 1 - ægget...48 Figur 22: Forslag 2 hammeren...48 Figur 23: Display...48 Side 2 af 53
Bilagsoversigt Bilagsnumrene svarer til det fanebladsnummer bilaget er placeret under. Bilagsnummer Titel 1 Schmitt Trigger 2 Fast Fourier Transformation 3 Præcision af frekvensbestemmelse 4 Design Noter 5 D Addario Tension Chart 6 Data: Guitarstrenge 7 Matematisk sammenhæng 8 LCD-Display 9 Markedsundersøgelse 10 Spørgeskema 11 Indsamlet data fra spørgeskemaer 12 Evaluering af spørgeskema 13 House of Quality 14 Datablad: Motor 15 Datablad: Operationsforstærker 16 Datablad: H-bro 17 Appendiks 18 Procesrapport 19 Digital aflevering Side 3 af 53
1 Indledning Når man skal spille på en guitar er det nødvendigt at den altid stemmer. Selve det at stemme guitaren kan være en tidskrævende proces, især hvis én person skal stemme flere guitarer, som for eksempel en roadie i et band eller en musiklærer på en skole. I forbindelse med en nyligt opnået indsigt i faget regulering og en generel interesse for musik, kom to ingeniørstuderende på henholdsvis IT- og maskinlinjen til at tænke på, om processen med at stemme en guitar ikke kunne automatiseres. Denne tanke blev kimen til et studieprojekt om udviklingen af en automatisk guitartuner som på en eller anden måde skulle kunne stemme en guitarstreng ved selv at regulere strengens opspænding, så den kunne blive hurtigere og mere præcis end når man selv skal dreje på stemmeskruen. Efter at det blev besluttet at arbejde videre med idéen, blev der koblet to eksportingeniørstuderende på projektet for at tage sig af det markedsføringsmæssige perspektiv. Deres væsentligste opgave vil være at undersøge om der er et marked for guitartuneren og hvilke funktionaliteter de potentielle kunder vil lægge vægt på. Denne rapport er udarbejdet med det formål, at beskrive udviklingsprocessen af en prototype, som skal kunne stemme en guitarstreng, ved selv at regulere guitarens opspænding. For at dette kan lade sig gøre, skal det undersøges hvordan frekvensen for en guitarstreng bestemmes, og hvordan den tilhørende motorregulering skal udformes. Projektet er udpræget forsøgsbaseret og prototypen skal gennemtestes, for at sikre at de embeddede systemer fungerer i praksis. Der gennemføres en undersøgelse af det potentielle marked og dets behov, med udgangspunkt i en færdigudviklet guitartuner. Dette skal munde ud i en markedsføringsplan, som skal beskrive hvordan markedet bedst skal gribes an, for at maksimere profitten på lang sigt. Desuden skal markedsundersøgelsen redegøre for kundernes krav til funktionaliteter. Side 4 af 53
2 Markedsundersøgelse Når man overvejer at lancere et nyt produkt, er det nødvendigt at foretage en undersøgelse af markedet, så man kan danne sig et overblik over de muligheder markedet byder på, og de eventuelle forhindringer der skal overkommes. 2.1 Identifikation af problemer og muligheder I forbindelse med, at stemme en guitar, er det i dag normal praksis, at man anvender en tuner, som en hjælp til at ramme den ønskede tone. Herudfra kan man så manuelt stemme sin guitar. En guitar har tendens til at gå ud af stemning, for eksempel som følge af temperatursvingninger, ændring i luftfugtighed eller lignende. Derfor skal guitaren stemmes efter med jævne mellemrum, eventuelt hver gang den tages i brug. Denne proces kunne eventuelt forenkles ved automatisering. Denne idé er udsprunget af de fordele dette kunne medføre. En automatisering vil i det hele taget gøre stemmeprocessen nemmere og mindre tidskrævende. Desuden vil det kunne give mulighed for at stemme guitaren i forskellige tonearter, hvilket kan være en besværlig proces. Endeligt vil det, hvis der anvendes pick-up, gøre stemmeprocessen uafhængig af om der er støj i det pågældende lokale. 2.2 Formulering af markedsundersøgelsesbehov I dette afsnit findes en uddybende beskrivelse af de oplysninger der ønskes afdækket. Der tages udgangspunkt i produktet og den manglende viden om markedet, og der opstilles herudfra et konkret formål med markedsundersøgelsen. 2.2.1 Baggrund Et nyt produkt, den automatiske guitartuner, ønskes introduceret på det danske marked. Der ønskes mere viden om markedets potentiale før en eventuel lancering i Danmark kan sættes i gang. Kundernes behov og krav til en eventuel guitartuner er ikke kendte, hvilket besværliggør beslutningsprocessen. Side 5 af 53
2.2.2 Projektrationale Der ønskes et beslutningsgrundlag for hvorvidt det kan betale sig, at introducere guitartuneren på det danske marked. En markedsundersøgelse bør give et klart billede af, om guitartuneren skal lanceres på det danske marked eller ej. I forbindelse med udviklingen af guitartuneren ønskes kundernes behov og krav afdækket. 2.2.3 Formål Beskrivelse af markedssituationen for guitartunere i Danmark Det undersøges om segmentet folkeskoler og gymnasier kunne være attraktivt Identifikation af markedspotentialet indenfor det relevante segment Redegørelse for konkurrencesituationen Identifikation af købsadfærd i segmentet Identifikation af kundernes krav og behov med hensyn til funktionalitet 2.3 Spørgeskema Der er udarbejdet et spørgeskema til folkeskolelærere og gymnasielærere som skal give brugernes input til markedsundersøgelsen. For beskrivelse og udarbejdelse af spørgeskemaet, se bilag 9, selve spørgeskemaet findes i bilag 10. Der analyseres og konkluderes på hver besvarelse, så resultaterne indgår i bilag 11 og 12. Resultaterne anvendes i forskellige dele af markedsføringsafsnittet hvor der refereres til bilagsrapporten. To væsentlige punkter er, at cirka 2/3 af respondenterne viser interesse i produktet og at de vil acceptere en pris på cirka 1.000 kr. 2.4 House of Quality For at sammenholde kundernes behov til produktet med de tekniske egenskaber anvendes modellen House of Quality. Den færdige model og resultaterne ses herunder. For udarbejdelse af modellen, se bilag 13. Side 6 af 53
Figur 1: House of Quality Side 7 af 53
Ved summeringen af karakterer for de forskellige egenskaber, ses følgende rækkefølge for de vigtigste egenskaber: Rangering Samlet karakter Tekniske egenskaber 1 9,48 Høj kvalitet af lydopsamling 2 8,95 Høj grad af automatik 3 5,07 Høj materialekvalitet 4 3,60 Høj grad af hurtighed 5 2,72 Høj grad af præcision Den samlede karakter er et udtryk for hvor højt den enkelte egenskab skal prioriteres. I forbindelse med egenskaben høj kvalitet af lydopsamling kan der vælges imellem lydopsamling med pick-up og lydopsamling med mikrofon. Pick-up vil være den bedste løsning med hensyn til kvalitet af lydopsamling og uafhængighed af støj. Til gengæld vil denne løsning begrænse markedet væsentligt, da langt fra alle guitarer i folkeskoler og gymnasier er udstyret med pick-up. Der skal derfor prioriteres mellem fordelene ved lydopsamling med pick-up, og det potentielt større marked ved anvendelse af lydopsamling med mikrofon. Med egenskaben Høj grad af automatik forstås at guitartuneren skal være så automatisk som muligt. For eksempel kunne den automatisk opfatte hvilken streng der slås an ved hjælp af tonegenkendelse. Egenskaben Høj materialekvalitet refererer til alt andet materiale end tekniske komponenter. For eksempel hus og samlinger. Med egenskaben Høj grad af hurtighed forstås at der i programmeringen af microcontrolleren vælges algoritmer, der gør guitartuneren hurtig, frem for præcis. Der kan dog vælges at anvende en dyrere microcontroller, som vil kunne gøre guitartuneren både hurtig og præcis, men prisen ville stige uhensigtsmæssigt meget. Med egenskaben Høj grad af præcision forstås at der i programmeringen af microcontrolleren vælges algoritmer, der gør guitartuneren præcis frem for hurtig. Her kan dog også vælges en dyrere microcontroller. Det er dog et krav, at guitartuneren stemmer mindst ligeså præcist, som eksisterende guitartunere. Side 8 af 53
Prioriteres egenskaben Høj grad af præcision skal præcisionen være større end hos de eksisterende guitartunere. I sammenligningen med de eksisterende guitartunere skiller den automatiske guitartuner sig markant ud på tre punkter: Hurtighed, let anvendelighed og uafhængighed af støj. I den tekniske korrelation summeres relationsvægtningsfaktorerne for alle tekniske egenskaber. Høj grad af automatik er den tekniske egenskab der korrelerer bedst med de andre, hvorfor denne prioriteres højt. Der er dårlig teknisk korrelation mellem Høj grad af præcision og Høj grad af hurtighed, hvilket betyder at hvis den ene prioriteres højt, vil det være på bekostning af den anden, medmindre der som tidligere nævnt vælges at anvende en dyrere microcontroller, som dog vil øge produktionsomkostningerne betragteligt. 2.5 Markedspotentiale Desk research er blevet foretaget for at undersøge forholdene omkring antallet af folkeskoler og gymnasier i Danmark. Antal undervisningsinstitutioner: Folkeskoler: 2.176 1 Gymnasier: 170 2 Ifølge markedsundersøgelsen har 2 ud af 3 lærere vist interesse i den automatiske guitartuner. Da der er flere musiklærere på hver skole, og størstedelen af dem viser interesse i guitartuneren vil alle skoler blive opfattet som potentielle købere. Der anslås ikke at være behov for mere end én guitartuner pr. skole, så der regnes med et markedspotentiale på ca. 2.350 mulige købere. 1 www.dlf.org 2 www.workindk.dk/gymnasier Side 9 af 53
2.6 SWOT-analyse SWOT-analysen indeholder en undersøgelse af styrker og svagheder internt i virksomheder, samt eksterne muligheder og trusler. I dette tilfælde er det kun relevant at analysere de eksterne forhold, da forholdende omkring den producerende virksomhed ikke kendes. Der foretages derfor kun en OT-analyse af muligheder og trusler. Muligheder (O) Nyt produkt på det danske marked på grund af konkurrencefordel med hensyn til nyhedsværdi Videreudvikling af produktet via inputs fra brugerne og anvendelse af ny teknologi Eksport Udvidelse af målgruppen til andre segmenter end lærere Trusler (T) Udenlandske udbydere kan satse mere på markedsføring i Danmark Den automatiske guitartuner kan hurtigt kopieres Substituerende produkter Lang købeproces blandt lærere Nye teknologier som gør guitartuneren forældet Det er fordelagtigt, at den automatiske guitartuner er den første på det danske marked, så en stor konkurrencefordel herved opnås. Videreudvikling kan ske ved at brugerne løbende kan komme med inputs til forbedringer. Der kan også fokuseres på andre dele af markedet end kun lærere. Viser det sig at den automatiske guitartuner bliver en succes på det danske marked, kan den senere eksporteres til udlandet. Den automatiske guitartuner er forholdsvis ukompliceret at producere, så konkurrenter vil muligvis kopiere dele eller det hele af den automatiske guitartuner og producere den til en lavere kostpris. Yderligere kan det være svært at overbevise lærerne om, at de skal købe netop dette produkt, da begrænsede ressourcer er til rådighed, og da de muligvis mener at for eksempel sangbøger og instrumenter bør prioriteres højere end en automatisk guitartuner. Side 10 af 53
2.7 Konkurrencesituationen Her foretages en analyse af de mest relevante konkurrenter og risikoen ved den overordnede konkurrencesituation. 2.7.1 Substituerende produkter Der findes flere konkurrenter på det danske marked indenfor guitartunere. Fælles for dem alle er, at stemning af strengene foregår manuelt. Mange tunere benytter guitarens egen pick-up til at optage tonerne. Til akustiske guitarer benyttes en mikrofon. Måden Figur 2: Guitartuner tuneren fungerer på, er at den indstilles til Kilde: www.danguitar.dk en given frekvens hvorefter strengen slås an og en LED-lampe lyser når tonen er korrekt. Man justerer selv stemmeskruen og kan se når man nærmer sig den korrekte tone ved hjælp af en viser. I tilfælde hvor guitarer stemmes i støjfyldte rum, kan det være svært at stemme akustiske guitarer, da mikrofonen påvirkes. Prisen for guitartunere varierer meget. På hjemmesiden www.danguitar.dk findes et stort udvalg af modeller, hvor prisen varierer fra 129-399 kroner. Alle modeller bruger 9-volts batterier. Den afgørende faktor for prisforskellen ligger i kvaliteten af produkterne. Side 11 af 53
2.7.2 Direkte konkurrenter På det udenlandske marked er det muligt at købe automatiske guitartunere. I USA findes String Master, som fungerer ved at en given tone vælges og String Master påsættes stemmeskruen. Strengen slås an, og String Master indstiller helt automatisk guitaren via en mikrofon til den valgte tone. En bip-lyd udsendes når tonen er korrekt. String Master bruger 9-volts batterier og koster 100 amerikanske dollars, hvilket svarer til ca. 600 kroner. String Master kan ikke købes i Danmark, Figur 3: Automatisk guitartuner men forhandles på nettet og kan sendes fra Kilde: www.actionstuners.com USA. Kendskabet til denne vil derfor være yderst begrænset, hvilket understøttes af spørgeskemaundersøgelsen, hvor ingen af de 16 respondenter havde hørt om automatiske guitartunere. 2.7.3 Risiko for nye konkurrenter På grund af den begrænsede tekniske kompleksitet anslås det at guitartuneren vil være let at kopiere. For en etableret virksomhed i branchen vil indgangsbarriererne være lave, så risikoen for at guitartuneren bliver kopieret er høj. Markedspotentialet er dog yderst begrænset, så længe den tilpasses skoler og gymnasier, så det anslås ikke, at andre virksomheder vil have interesse i at udfordre den automatiske guitartuners position. 2.7.4 Købere og leverandørers forhandlingsmagt Guitartunerne sælges enkeltvist og udgør en relativ lille omkostning for skolerne, så det vurderes at købergruppen er meget spredt og uden nogen reel forhandlingsmagt. Da alle komponenterne til guitartuneren er standardkomponenter vil guitartuneren være uafhængig af leverandørers forhandlingsmagt. Side 12 af 53
2.8 Delkonklusion Markedsundersøgelsen har vist, at der blandt målgruppen er en stor interesse for guitartuneren. Markedet er anslået til, at kunne afsætte cirka 2.350 guitartunere. Konkurrencesituationen er gunstig, og det anslås at der ikke vil komme nogen væsentlig konkurrence, da profitmarginen med en pris på cirka 1.000 kr. ikke bliver bemærkelsesværdig og målgruppen er af yderst begrænset størrelse. Den største trussel er fra substituerende produkter, så det er vigtigt at den automatiske guitartuner, i kundens bevidsthed, adskiller sig væsentligt fra de eksisterende guitartunere. Mulighederne og truslerne for fremtiden opvejer hinanden, medmindre der satses på at udvide markedet til andre segmenter, hvor andre faktorer træder i kraft. Markedet vurderes alt i alt til at være gunstigt og der er grundlag for afsætning af guitartuneren på det danske marked. Side 13 af 53
3 Mål og strategi I dette afsnit vil der blive redegjort for en overordnet målsætning for afsætningen af guitartuneren, og der vil blive fulgt op med en strategiformulering til at understøtte målsætningen. 3.1 Målsætning I forbindelse med lanceringen af guitartuneren ønskes der at maksimere profitten over en 4-årig periode, ved at dække så meget som muligt af det potentielle marked. I løbet af den periode vurderes det, at der kan afsættes op til cirka 60 procent af det potentielle marked, hvilket er cirka 1.400 stk. Herefter kan det så overvejes om målgruppen skal udvides til at indeholde andre segmenter, eller der skal eksporteres til udlandet. 3.2 Porter s generiske strategier Når et nyt produkt ønskes udviklet, er det nødvendigt at vælge en strategi som giver producenten en konkurrencemæssig fordel. Michael Porter har opstillet 3 generiske strategier, hvormed en virksomhed kan få en god start når et nyt produkt skal udvikles. Disse strategier er: Omkostningsleder Differentiering Fokuseret o Fokuseret differentiering o Omkostningsfokus Strategierne er opstillet i følgende tabel med Porter s generiske strategier: Lav pris Unikt produkt Bredt marked Omkostningsleder Differentiering Smalt marked Omkostningsfokus Fokuseret differentiering Som tidligere beskrevet i rapporten, er potentialet for den automatiske guitartuner småt. Hvis det forudsættes at alle uddannelsesinstitutioner køber én Side 14 af 53
automatisk guitartuner kan der sælges ca. 2.350 stk. Der er altså tale om et smalt marked og den valgte strategi bør derfor være fokuseret. I den nuværende situation er der en masse substituerende produkter på det danske marked, men ingen direkte konkurrenter. Den automatiske guitartuner skiller sig derfor markant ud fra de øvrige produkter, hvorved fokuseret differentiering bør vælges som strategi. Vælges en fokuseret differentiering er prisen ikke altafgørende, men der skal oplyses om fordelene ved den automatiske guitartuner, da prisen for de substituerende produkter er forholdsvis lav. Når fokuseret differentiering vælges er der risiko for at segmentet ikke er tilstrækkeligt økonomisk attraktivt, idet antallet af potentielle kunder er begrænset. Som producent kan det derfor ikke forventes at være lukrativt udelukkende at producere den automatiske guitartuner, hvorfor den bør indgå i en større produktportefølje. 3.3 STP-analyse En STP-analyse består af tre dele. En segmenteringsdel hvor markedet opdeles i segmenter efter fællestræk, som for eksempel demografi, køn, erhverv og alder En targeting-del hvor der vælges hvilke segmenter der skal fokuseres på og til sidst en positioneringsdel hvor der fastlægges hvordan virksomheden/produktet ønsker at blive opfattet i kundens bevidsthed. 3.3.1 Segmentering og targeting Der er foretaget en afgrænsning i samråd med vejleder Anders Møller hvori der vælges kun at fokusere på danske folkeskoler og gymnasier. 3.3.2 Positionering Med udgangspunkt i markedsundersøgelsen defineres unique selling propositions, som er de unikke egenskaber som guitartuneren skal sælges på. For at positionere guitartuneren vil den blive markedsført på de funktionaliteter hvor den adskiller mest positivt fra de nærmeste konkurrenter. Side 15 af 53
Disse er ifølge House of Quality analysen: Hurtighed Let anvendelighed Uafhængighed af støj Der vil derudover blive lagt vægt på, at guitartuneren er automatisk som et centralt salgsargument til at understøtte de unikke egenskaber. 3.4 Delkonklusion Målet er at maksimere profitten ved at dække 60 procent af markedet over en 4- årig periode, hvilket bliver cirka 1.400 stk. i løbet af de 4 år. På grund af det smalle marked og det unikke produkt vælges en fokuseret differentieret strategi, men guitartuneren skal indgå i en større produktportefølje. Målgruppen vil være folkeskolelærere og gymnasielærere og guitartuneren skal positioneres på sine unikke salgsargumenter som er hurtighed, let anvendelighed, uafhængighed af støj og det faktum at den bliver automatisk. Side 16 af 53
4 Marketing-mix I det følgende afsnit sammensættes et marketing-mix i form af de 4 P er: produkt, pris, place (distribution) og promotion. De fire P er er parametre, som kan kontrolleres for at opnå det mål man har sat sig i mål- og strategiformuleringen. 4.1 Produkt House of Quality -modellen har vist hvilke tekniske egenskaber som bedst opfylder kundernes krav til funktionaliteter. Egenskaberne høj kvalitet af lydopsamling og høj grad af automatik bør ifølge modellen prioriteres højt, så der opnås størst mulig kundetilfredshed. Se afsnittet om House of Quality for en uddybelse af egenskaber og funktionaliteter for guitartuneren. Flere respondenter har direkte påpeget vigtigheden af, at eleverne selv kan stemme guitarerne, både rent pædagogisk og for at aflaste læreren. Dette stemmer udmærket overens med egenskaben høj grad af automatik, men der skal derudover fokuseres på at guitartuneren skal være let at forstå og let at bruge. Yderligere er der kommet et forslag om at den skal indeholde et øje så den kan lænkes fast for at undgå tyveri eller bortkommelse. Dette tages til efterretning, da det anses som en simpel ting at implementere i det endelige produkt. Den automatiske guitartuner skal navngives, så den har nemmere ved at få en fast plads i kundernes bevidsthed. Da målgruppen er miljøer med børn og unge vælges et sjovt navn som klinger lidt barnligt, men er nemt at huske og referere til. Ud fra disse kriterier vælges navnet Strengedrengen, som vil stå henover selve guitartuneren sammen med et logo eller en lille tegning. Kunderne vil muligvis have en skepsis overfor hvorvidt dette produkt virkelig er bedre end eksisterende produkter. En måneds fortrydelsesret kan derfor eventuelt tilbydes. Dertil kan der være en fabriksgaranti for at overbevise kunderne om produktets kvalitet og give dem en tryghedsfølelse ved købet af en ny ukendt guitartuner. Side 17 af 53
4.2 Pris Når et helt nyt produkt skal lanceres, eksisterer to mulige prisstrategier: Skimming-strategi Markedspenetrationsstrategi Research gennem det udsendte spørgeskema viser, at en stor del af folkeskolelærere og gymnasielærere vil acceptere at betale ca. 1.000 kr. for en automatisk guitartuner, hvilket er en høj pris i forhold til eksisterende guitartunere. En mindre del vil acceptere en pris på højest 500 kr. På grund af den store variation i den accepterede maksimalpris, vælges en skimming-strategi hvor produktet lanceres til en forholdsvis høj pris for at tiltrække de kunder som vil betale for nyhedsværdien i guitartuneren og få mest mulig gevinst ud af dem. Der skønnes at den ønskede målsætning kan nås ved at sætte en startpris på omkring 1.000 kr. Ved denne pris regnes der med et salg på 400-500 stk. det første år. Når salget begynder at stagnere sænkes prisen en smule til omkring 750-850 kr., hvorefter det næste lag af kunder skimmes. Hvis produktet bliver kopieret eller lignende produkter kommer på markedet kan prisen blive tvunget ned. 4.3 Place (distribution) Afsætning af den automatiske guitartuner kan ske gennem flere distributionskanaler. Først og fremmest handler afsætning af den automatiske guitartuner om, at få musikbutikker til at købe den. Folkeskolelærer Lise Ejg Kristensen 3 oplyser at køb af instrumenter i dag foregår ved at skoler jævnligt modtager kataloger fra musikbutikker, hvor adressering sker direkte til musiklærerne. Derved vil musiklærere få oplysninger om nye produkter med videre. Afsætning af den automatiske guitartuner kan også ske enten ved direkte kontakt med kunden via en internetbutik eller ved at rette henvendelse til eksisterende internetbutikker og sælge via dem. Det vil dog være en klar fordel at sælge guitartuneren igennem en butik og udnytte dens allerede etablerede kontakter. 3 Musiklærer på Beder Skole Side 18 af 53
4.4 Promotion Guitartuneren befinder sig i introduktionsfasen i forhold til dens livscyklus, hvorfor der først og fremmest skal stimuleres et behov og skabes opmærksomhed og kendskab til produktet. Hertil kan anvendes reklame, public relations, direct marketing blandt andre. Promotionsstrategierne kan inddeles i to grupper: PUSH Produktet skubbes gennem den vertikale afsætningskæde og markedsføres til næste led i kæden for at få produktet ud til forhandlere. PULL Man henvender sig til slutbrugerne gennem sin promotion og den måde får man slutbrugeren til at efterspørge produktet hos forhandlere. Folkeskoler og gymnasier modtager ofte kataloger fra musikbutikker, så promotion igennem disse vil være en oplagt mulighed for at få produktet ud til slutbrugeren (PUSH). På grund af guitartunerens nyhedsværdi og appel som innovativ gadget kan det tænkes at musikbutikkerne selv vil være interesserede i at bruge guitartuneren i deres markedsføring. Folkeskolelærer Lise Ejg Kristensen oplyser, at skoler derudover ofte modtager salgsbreve fra mindre virksomheder, som ønsker at sælge deres produkter. Denne form for direkte markedsføring vil være en god måde at markedsføre den automatiske guitartuner på, så underviserne får kendskab til den (PULL). Promotion kan også ske gennem magasiner. Eksempelvis modtager folkeskolelærere Folkeskolen hver uge, hvor en reklame for den automatiske guitartuner vil være en oplagt mulighed (PULL). Der vil derfor blive anvendt en kombination af PUSH og PULL strategier. Side 19 af 53
4.5 Delkonklusion Der er valgt nogle egenskaber som der skal fokuseres på, og der vil blive lagt stor vægt på, at guitartuneren er nem at anvende. Den har fået navnet Strengedrengen, så det bliver nemmere at få en plads i kundens bevidsthed. Med hensyn til prisen er der valgt en skimming-strategi. Prisen vil blive fastsat til omkring 1.000 kr. i introduktionsfasen, hvor der regnes med en omsætning på 400-500 stk. det første år. Distribution skal ske igennem etablerede butikker, som sender kataloger til folkeskoler og gymnasier. Til promotionen er der valgt en blanding af PUSH og PULL strategier. Der vil blive anvendt direct marketing og reklamer i fagblade. Side 20 af 53
5 Frekvensbestemmelse Den første udfordring i forbindelse med at stemme guitarstrengen, er at bestemme hvilken frekvens en spillet tone har. Tonens frekvens skal optages og bestemmes løbende, mens der reguleres, og dette stiller krav til frekvensbestemmelsen. Det er især væsentligt at frekvensbestemmelsestiden er så kort, at det ikke skaber forsinkelser i forhold til motorreguleringen. Samtidig skal den bestemte frekvens være så nøjagtig som muligt. 5.1 Kravspecifikation Der skal udvikles en elektronisk anordning, som kan bestemme den dominerende tone ud fra en lydoptagelse. Eftersom anordningen i første omgang betragtes som en prototype vil der blive implementeret funktioner, som udelukkende vil blive brugt i forbindelse med tests. Disse bliver fjernet i en færdig løsning. 5.1.1 Funktionelle krav Systemet skal opfylde følgende funktionelle krav: Databehandlingen skal startes ved hjælp af tryk på en knap. Det skal være muligt at regulere relevante værdier i forbindelse med tests, for eksempel en ændring i antallet af perioder der måles. Strengens frekvens skal bestemmes og vises på et LCD-display. Frekvensen skal kunne bestemmes på under 1 sekund. Frekvensen skal kun bestemmes for den løse A-streng. For yderligere at udspecificere de funktionelle krav til løsningen, er det valgt at lave UseCase samt aktivitetsdiagram for den overordnede funktionalitet, se Figur 4. Side 21 af 53
Use Case Betjening af anordningen Actors Almene bruger Initialiser hardware Preconditions LCD-display, knapper, H-Bro, motor og guitar skal være korrekt tilsluttet. Flow of events 1. Hardwaren initialiseres. 2. I tilfælde af at knap0 er aktiv: a. Frekvensbestemmelse udføres. b. Motorregulering udføres. 3. I tilfælde af at knap1 er aktiv: a. Periodeantal forøges 4. I tilfælde af at knap2 er aktiv: a. Periode formindskes Related information Der kan kun aktiveres én knap ad gangen. Knap0 aktiv [TRUE] [FALSE] Knap1 aktiv [TRUE] [FALSE] Knap2 aktiv [TRUE] [FALSE] Frekvensbestemmelse Motorregulering Forøg periodeantal Formindsk periodeantal Figur 4: Aktivitetsdiagram for UseCase 5.1.2 Ikke-funktionelle krav Systemet skal opfylde følgende ikke-funktionelle krav: Skal fungere som et embedded system. I kraft af at der er tale om en prototype, er der ikke fokus på designet. Løsningen skal baseres på Atmels Microcontroller-serie. Side 22 af 53
5.1.3 Blokdiagram På Figur 5 ses et blokdiagram, som grundlæggende beskriver opbygningen af det ønskede system. Pickup en står for at opsamle data, microcontrolleren for selve databehandlingen og LCD-displayet for at vise resultatet. Figur 5: Blokdiagram af systemet 5.2 Databehandling Signalet der skal behandles, kommer fra guitaren, og optages ved hjælp af en pick-up. Guitaren har seks strenge, der hver især udsender en bestemt tone, når de anslås. Det er disse løse toner der tages udgangspunkt i, når guitaren skal stemmes. Projektet koncentrerer sig kun om den løse A-streng, men generelt kan der siges at tonerne, der er interesse for, ligger i intervallet 80 Hz til 350 Hz, se Figur 6. Streng Tone Frekvens 1 E 329,63 Hz 2 B 246,94 Hz 3 G 196,00 Hz 4 D 146,83 Hz 5 A 110,00 Hz 6 E 82,407 Hz Figur 6: Oversigt over guitarstrengenes frekvenser Guitaren, der anvendes, forventes i øvrigt at have en pick-up indbygget, hvilket betyder, at der ikke tages højde for, at lyden i praksis ligeså godt kan opsamles af en mikrofon. Pick-upperne opsamler vibrationer fra strengene og transformerer dem til et elektronisk signal. Signalet er et vekselstrømsignal der har en amplitude på 100mV. På Figur 7 ses et eksempel på hvordan signalet fra en guitarstreng ser ud. Det er et signal der er sammensat af forskellige frekvenser, og det svinger omkring 0. Side 23 af 53
Figur 7: Signal fra guitar 5.2.1 Valg af metode Som udgangspunkt er der arbejdet med to forskellige metoder til databehandling, en Fast Fourier algoritme og en Schmitt Trigger. Fast Fourier Transformation Schmitt Trigger Fordele Høj præcision garanteret ved tilstrækkeligt antal målinger Simple beregninger Ulemper Kræver meget regnekraft og hukommelse til opsamling af data Lavere præcision da den bestemte frekvens vil være en tilnærmelse Fast Fourier algoritmen blev fravalgt i forbindelse med udviklingen af en prototype, da det ikke var muligt at skaffe en 8-bit microcontroller med tilstrækkelig regnekraft og hukommelse til at benytte denne metode. Det arbejde der ligger til grund for at fravælge Fast Fourier Transformationen, er dokumenteret i bilag 2. Side 24 af 53
5.2.2 Fremgangsmåde For at bestemme strengens frekvens, er der valgt at benytte et Schmitt Trigger kredsløb og efterfølgende databehandling. På Figur 8 ses en simulering genereret i PSpice 4, hvor input fra guitaren repræsenteres af den grønne kurve, og output fra Schmitt Triggeren repræsenteres af den røde kurve. Figur 8: Schmitt Trigger Plot Dette kredsløb tjener to formål. Først og fremmest former det signalet til et firkantsignal, der gør det let at bestemme frekvensen ved at måle periodelængden. Desuden kan det sortere i hvilke frekvenser udgangssignalet sammensættes af. Et signal fra en guitar består af mange forskellige frekvenser, hvoraf nogle stammer fra overtoner og andre fra støj. Grundtonen vil indgå i det samlede signal med en højere amplitude, da den er dominerende. Schmitt Triggeren gør det muligt kun at fokusere på frekvenser der indgår med en amplitude af en vis størrelse. Størrelsen på den laveste amplitude der indgår i outputtet, bestemmes ved hjælp af en variabel modstand. På denne måde sorteres overtoner og støj fra, inden frekvensen beregnes. 4 Bilag 17 Side 25 af 53
Automatisk Guitartuner Frekvensen beregnes efter følgende metode: Der tages tid på 6 perioder. Gennemsnitstiden findes, og dermed svingningstiden. Frekvensen bestemmes som den reciprokke værdi af svingningstiden. Formlerne der bruges til denne beregning er følgende: Svingningstiden Frekvensen t τ = nt f = 1 τ n τ = svingningstiden nt = antal perioder t = svingningstiden for én periode (s) f = frekvensen På Figur 9 ses det færdige kredsløb, klar til brug i forbindelse med prototypen, databladet for den anvendte operationsforstærker findes i bilag 15. Figur 9: Kredsløb Side 26 af 53
Automatisk Guitartuner 5.3 Hardware De komponenter, der bruges til at udvikle prototypen, er valgt med baggrund i de opstillede krav. Her vil der være en gennemgang af de vigtigste komponenter. 5.3.1 Microcontroller Sammen med AVR Starter Kittet medfølger to microcontrollere: Type ATmega8515L ATmega16 Flash 8kB 16kB EEPROM SRAM Hastighed 512B 512B 0-8 MHz 512B 1024B 0-16 MHz Volt 2,7 5,5 V 4,5 5,5 V ATmega8515L blev hurtigt fravalgt. Dels har den ingen A/D-converter5 og dels opererer den maksimalt ved 8 MHz. Desuden har den begrænset SRAMhukommelse, hvilket har indflydelse på mængden af data der kan opsamles. Derfor faldt valget naturligt på ATmega16-MCU en, som har indbygget en 10bit A/D-converter. For at få den til at køre 16MHz, blev der indkøbt en krystal, der muliggør dette. Databladet ATmega16 datasheet for microcontrolleren er omfattende og findes på den vedlagte cd. 5.3.2 Display LCD-Displayet er et Optrex DMC-20215, som er baseret på HD44780- controlleren, se Figur 10. Displayet har plads til 20 tegn på hver af de 2 linjer, der er til rådighed. Displayet bruges til at vise frekvensen samt antallet af perioder, der måles over. I bilag 8 findes der yderligere informationer om hvordan LCD-displayet er tilkoblet. Figur 10: LCD-display 5 Konverterer signal fra analog til digital Side 27 af 53
5.4 Software Programmet på microcontrolleren skal stå for at måle perioden og derudfra beregne frekvensen. I dette afsnit beskrives, hvorledes softwaren er opbygget. 5.4.1 Analyse For at overskue proceduren for frekvensbestemmelsen, er der anvendt et aktivitetsdiagram, som viser hvad der sker, når frekvensbestemmelsen startes, se Figur 11. Start A/D-Converter Start konvertering Nulstil timer [FALSE] Konvertering afsluttet [FALSE] Beregn frekvens [TRUE] Aflæs timer Start på periode Stop timer [FALSE] [TRUE] Slut på periode Start timer [TRUE] Figur 11: Aktivitetsdiagram for frekvensbestemmelsen Side 28 af 53
Kort fortalt skal der måles et givet antal perioder, som danner grundlag for at bestemme den endelige frekvens. Jo flere perioder der måles, jo større præcision opnås der. Men det tager samtidigt længere tid, hvilket har indflydelse på hastigheden af motorreguleringen. Som det også er vist på Figur 4, så skal der også tages højde for, at antallet af perioder skal kunne justeres i forbindelse med tests. 5.4.2 Design Selvom programmeringssproget C ikke direkte giver mulighed for oprettelse af klasser, er det for overskuelighedens skyld valgt at vise sammenhængen mellem de enkelte filer i et klassediagram, se Figur 12. Timer +init_timer0() +init_timer1() +init_timer2() +readtimer0() +readtimer1() ADC +init_adc() +enableadc() +disableadc() Button +setportc() +isbuttonpressed() +allbuttonsreleased() +buttonactivated() +buttondeactivated() Main +main() Motorcontroller +setportd() +setmotorspeed() +seterror() +pcontroller() +dcontroller() Data +storeperiodlength() +determinefrequency() +printtolcd() +inc_nrofperiods() +dec_nrofperiods() +getnrofperiods() +getfrequency() Figur 12: Klassediagram for frekvensbestemmelse LCD +lcd_init() +lcd_clrscr() +lcd_goto() +lcd_puts() Klasse ADC Button Data LCD Main Timer Beskrivelse Initialisering samt starte og stoppe A/D-converteren. Styring af knapperne på AVR-boardet. Databehandling og dataopsamling. LCD-displayet Main-filen, hvorfra programmet startes. Initialisering af Timer1 Opdelingen af funktionerne sikrer at programmet er let at viderebygge på, når det senere skal udvides med motorreguleringen. Side 29 af 53
5.4.3 Implementering De vigtigste elementer i forbindelse med implementeringen, er A/D-converteren samt timeren. Funktionen af disse forklares i dette afsnit. I bilag 4 findes en kort introduktion til brug af A/D-converter og timer. A/D-Converter For at læse det analoge signal fra Schmitt Triggeren, anvendes microcontrollerens A/D-converter. Metoden der er brugt til at detektere perioder, fungerer ved, at der tjekkes hver gang signalet overstiger en fastsat værdi. Eftersom signalet fra Schmitt Triggeren maksimalt når 4 V, skal signalværdien overstige 2 V før tjekkes om der er tale om starten eller slutningen på en periode. A/D-converteren er sat op til, at generere interrupt hver gang en konvertering er tilendebragt. Det vil sige at målingerne bliver læst så snart de er klar, hvilket hænger sammen med at lav frekvensbestemmelsestid har høj prioritet. Herefter analyseres den målte værdi, og hvis der er tale om starten på en periode startes timeren, hvorimod timeren aflæses hvis der er tale om slutningen på en periode. Timer Den valgte microcontroller indeholder 3 timere, men da præcision er et krav i forbindelse med måling af periodelængden, er det valgt at bruge 16-bit timeren. Timeren startes hver gang en periode begynder, og stoppes når der er gået en periode. Herefter aflæses timeren og værdien multipliceres med 0,5 μs. Dette kommer af at prescaleren på timer1 er sat til 8, hvilket giver følgende tidsinterval mellem hver optælling af timeren: 8 = 0,5µ s 16000000Hz Dette sætter samtidig følgende begrænsninger for frekvensområdet der kan måles i: 1 fmax = = 2MHz 0,5µ s 1 fmin = = 30,5Hz 16 0,5µ s 2 Side 30 af 53
Da programmet kun skal måle frekvensen i et begrænset område fra 100Hz til 120Hz, er det tilgængelige frekvensområde mere end tilstrækkeligt. Programmet understøtter, at frekvensen kan bestemmes over en gennemsnitlig periodemåling. Antallet af perioder kan justeres ved hjælp af switch 6 og switch 7 på AVR-boardet. 5.4.4 Tests Funktionaliteten testes undervejs ved at sende et firkantet signal til A/Dconverteren, hvor frekvensen er kendt ved hjælp af et digitalt oscilloskop. Derved sikres det at algoritmen virker efter hensigten inden det senere skal fungere sammen med guitaren. Afvigelsen på måleresultaterne er beregnet til at være mindre end 0,29 % ved en frekvens på 114 Hz. Afvigelsen falder jo lavere frekvensen er og dokumentation herfor findes i bilag 3. 5.5 Delkonklusion Periodemåling og Schmitt Trigger er valgt til frekvensbestemmelse og muliggør at aflæse den afspillede strengs frekvens på displayet. Der er dog risiko for en vis afvigelse i forhold til strengens virkelige frekvens, da metoden, der er valgt til frekvensbestemmelse, ud over programmets nøjagtighed, også afhænger af Schmitt Triggerens præcision. Denne har det ikke været muligt at teste, da frekvensen af guitarstrengen ikke kan bestemmes særligt præcist. Det eneste der kan bruges til sammenligning er eftermåling med manuel tuner, og der er eftervist overensstemmelse. Det er endnu ikke sikkert hvilken indflydelse dette vil få for afvigelsen på motorreguleringen, men det er ikke en mulighed at benytte den mere præcise Fast Fourier Transformation, da det stiller højere krav til microcontrolleren, end det er muligt at opfylde indenfor Atmels microcontroller-serie. Det er derfor besluttet at benytte periodemåling i forbindelse med prototypen. Side 31 af 53
6 Motorregulering Når det er muligt, at bestemme frekvensen for en streng, er det også muligt at regulere den. Motorreguleringen foregår ved hjælp af en PD-controller. For at udvikle denne, er det nødvendigt, at beskrive hvilke krav, der er til motorreguleringen, hvilket system der arbejdes med og hvilken proces der ønskes. 6.1 Kravspecifikation Der skal foretages en udbyggelse af frekvensbestemmelsen i form af en PDcontroller, således at motoren kan reguleres ud fra den målte frekvens. 6.1.1 Funktionelle krav Processen skal opfylde følgende funktionelle krav: Reguleringen skal påbegyndes automatisk, når der måles en frekvens. Det skal være muligt at regulere begge veje. Reguleringen skal foregå med kontrolleret hastighed. Motoren skal stoppe når den ønskede frekvens er opnået. Den skal være i stand til at stemme en streng der afviger fra set point med op til 5 %. Den skal kun kunne regulere frekvensen for en løs A-streng. Der accepteres en maksimal afvigelse på op til 0,5 % 6.1.2 Ikke-funktionelle krav Processen skal opfylde følgende ikke-funktionelle krav: Den skal fungere som et embedded system. I kraft af at der er tale om en prototype, er der ikke fokus på designet. Løsningen skal baseres på Atmels Microcontroller-serie. Side 32 af 53
6.2 Systembeskrivelse Der skabes et overblik over systemet ved hjælp af Figur 13, hvor der i et blokdiagram er beskrevet, hvordan prøvestanden opstilles. Figur 13: Blokdiagram for system Der ses hvorledes pick-up en optager lydsignalet fra guitaren. Via Jack-kablet sendes denne sampling gennem Schmitt Triggeren og ind i microcontrolleren. Microcontrolleren bestemmer frekvensen og udskriver den på et display. Frekvensbestemmelsen aktiverer motorreguleringen, og der sendes et signal gennem H-broen til motoren, der fortæller hvilken retning den skal køre, og med hvilken hastighed. Motoren og stemmeskruen er forbundet med en mekanisk kobling, der gør det let for motoren at styre stemmeskruen rundt. Denne procedure kan således gentages indtil guitaren stemmer. Side 33 af 53
Automatisk Guitartuner 6.2.1 Mekanisk kobling Der skal udvikles en mekanisk kobling, der kan overføre torsionsmomentet fra motoren til stemmeskruen. I første omgang arbejdes der specifikt på, at finde en løsning på dette problem, i forbindelse med test af prototypen. Der er udarbejdet en kobling i plast, se Figur 14 og Figur 15. Denne skal fungere som bindeled mellem motor og stemmeskrue. Koblingen er tegnet i Autodesk Inventor, men der er ikke udført arbejdstegninger, da den ikke skal behandles i et værksted, men printes ud direkte på en 3D-printer. Figur 14: Printet kobling Da koblingen er udarbejdet udelukkende med henblik på at teste prototypen, er hullet til stemmeskruen tilpasset den guitar der anvendes, således at frigangen omkring den minimeres. Koblingen monteres på motoren, ved hjælp af en bøsning der placeres på motorens aksel, og i hullet i toppen af koblingen. Løsningen spændes fast ved hjælp af en skrue. Figur 15: Mekanisk kobling Side 34 af 53
6.2.2 Motor Til den automatiske guitartuner benyttes der en motor til at dreje på stemmeskruen. For at denne dimensioneres korrekt, er det nødvendigt, at vide hvor stort et torsionsmoment der kræves, for at dreje på stemmeskruen. Til udregning af det påkrævede torsionsmoment, tages der udgangspunkt i spændingerne i de forskellige strenge. Spændingerne i strengene på en almindelig guitar varierer mellem cirka 100N og 135N. Diameteren på stemmeskruen er cirka Ø6 mm. Stemmeskruen selv har et indbygget gearforhold på mellem 14:1 og 18:1. Der regnes med 14:1 da det giver det største torsionsmoment 6. Påkrævet torsionsmoment: 135N 3mm T = T = 28,9mNm 14 Ved normale forhold skal den valgte motor altså levere et torsionsmoment på ca. 30 mnm. Der vælges en motor fra Mclennan Servo Supplies Ltd. ordrenummer T=40mNm n=9rpm = 1271 12 188 For yderligere information, se bilag 14. 6.2.3 Motorstyring Mellem motoren og microcontrolleren placeres en H-bro, der gør det muligt at skifte retning på motoren. En H-bro er en simpel transistorkonfiguration, der består af fire transistorer, se Figur 16. Den virker således at den kan sende henholdsvis positivt og negativt signal til motoren, alt efter hvilke to transistorer microcontrolleren aktiverer, og derved ændre motorens retning. Desuden forsyner den motoren med en 12 V spænding. 6 http://en.wikipedia.org/wiki/machine_head Side 35 af 53
Der vælges en H-bro fra National Semiconductor Corporation. Motorcontroller LMD18200 ordrenummer=534-4276 maxstrøm=3a maxspænding=55v Figur 16: H-bro Databladet findes i bilag 16. 6.3 Procesbeskrivelse For at beskrive reguleringsprocessen, skal der redegøres for hvilke faktorer der har indvirkning på frekvensen for en guitarstreng, samt sammenhængen mellem spændingen i strengen og frekvensen. Der er tre faktorer der har betydning for en guitarstrengs frekvens 7 : Strengens længde er omvendt proportional med frekvensen: fα 1 l Kvadratroden af strengens spænding er proportional med frekvensen: fα T 1 Strengens densitet er omvendt proportional med frekvensen: f α ρ Til beskrivelse af sammenhængen mellem strengens frekvens og spændingen i strengen, tages der udgangspunkt i de strenge der benyttes. De er fra strengeproducenten D Addario, type EJ46C, og databladet findes i bilag 6. Til hjælp benyttes et kompendium, der er udgivet af strengeproducenten, se bilag 5. Sammenhængen vil blive vist her, mens de individuelle sammenhænge er undersøgt nærmere og afbildet i bilag 7. Matematisk sammenhæng mellem frekvensen og spændingen: Funktionen: f ( t) = 385.4 T uw 4 l 2 længden: l = 25½" unit weight: uw = 2,033 10 T=Spændingen Lbs 4 7 http://en.wikipedia.org/wiki/pitch_(music) Side 36 af 53
Grafisk afbildning af funktionen ses på Figur 17. 100 f( T) 110 50 0 0 5 10 15 Figur 17: Grafisk sammenhæng T 6.3.1 PD-controller Figur 17 viser at systemet ikke er lineært. Og signalet fra guitaren, der er illustreret på Figur 7, viser at der ikke er tale om et 2. ordens system. Da disse sammenhænge ikke er til stede, kan PD-controllerens værdier for KP og KD ikke opstilles ud fra de klassiske metoder. Derfor vil de blive bestemt ud fra forsøg. PD-controlleren er en simplificeret udgave af PID-controlleren, hvor I-delen er udeladt. Der er valgt ikke at medtage Intergral controller, da denne vil gøre systemet ustabilt. Proportional Controller P-delen af controlleren er forholdsvis simpel. Det er den del af motorreguleringen, der beskæftiger sig med systemets tilstand i det enkelte øjeblik. Den består af en konstant KP ganget med error. Error er den værdi hvormed den målte frekvens afviger fra den ønskede værdi. U = K error P P I dette tilfælde gælder det om eksperimentelt at fastsætte KP værdien, således at der opnåes det bedste forhold mellem hastighed og præcision. Side 37 af 53
Derivative Controller D-delen er den forudsigelige del af controller systemet, der har til formål at stabilisere processen. Denne består af en konstant KD der ganges på errors første afledede: U D d( error) = KD dt Her gælder det om at bestemme KD faktoren således, at der opnås den bedste dæmpning af systemet. Error På Figur 18 er der tegnet et diagram over reguleringsprocessen og hvor error = SP PV PV (present value) er strengens målte frekvens. SP (set point) er den værdi det ønskes at strengen skal have. Error sendes ind i PD-controlleren, og herudfra sendes signal til motoren. Således gentages processen indtil den ønskede frekvens er nået. Figur 18: Procesdiagram Side 38 af 53
6.4 Software For at anvende H-Broen skal microcontrolleren være i stand til at styre retning og hastighed ved at udsende pulssignaler. Dette foregår ved hjælp af at implementere en PD-controller, så microcontrolleren bliver i stand til at regulere motoren således at strengen opnår den korrekte tone. 6.4.1 Analyse Proceduren for motorreguleringen er beskrevet ved hjælp af et aktivitetsdiagram, se Figur 19. Figur 19: Aktivitetsdiagram for frekvensbestemmelse Som det ses på Figur 19 fungerer det sådan, at motoren bliver deaktiveret hvis frekvensen ligger udenfor intervallet 100-120Hz. Så snart motorreguleringen er sat igang, stopper den ikke før strengen har den korrekte tone. Hvis strengen dør ud inden dette er sket, er det altså påkrævet at strengen anslås igen. Side 39 af 53
6.4.2 Design Motorreguleringen er implementeret som en udbyggelse af programmet fra frekvensbestemmelsen, se Figur 20. Der er kommet en ekstra klasse på i form af motorcontrolleren, som både indeholder styring af pulssignalet samt PD-controlleren. Timer +init_timer1() +init_timer2() +readtimer1() ADC +init_adc() +enableadc() +disableadc() Button +setportc() +isbuttonpressed() +allbuttonsreleased() +buttonactivated() +buttondeactivated() Main +main() Motorcontroller +setportd() +setmotorspeed() +seterror() +pcontroller() +dcontroller() Data +storeperiodlength() +determinefrequency() +printtolcd() +inc_nrofperiods() +dec_nrofperiods() +getnrofperiods() +getfrequency() LCD +lcd_init() +lcd_clrscr() +lcd_goto() +lcd_puts() Figur 20: Klassediagram for frekvensbestemmelse Desuden er timer-klassen udvidet til også at indeholde en metode til at initialisere timer0 og timer2. Timer0 bruges i forbindelse med at bestemme tidsrummet mellem hver frekvens og timer2 bruges i forbindelse med PWM 8 - funktionen. 8 Pulse Width Modulation Side 40 af 53
6.4.3 Implementering For at udsende de påkrævede pulssignaler til H-bro en, anvendes timer2. Timer0 kan også bruges (begge timere er 8-bit), men da H-Broen er tilkoblet til portd er det påkrævet at bruge timer2. Timeren sættes op til at køre i Fast PWM mode med en prescaler på 64, hvilket betyder at hvert af pulssignalerne udsendes med en frekvens på: f OCN2 16.000.000Hz PWM = 976,6Hz 64 256 Hvis der for eksempel ønskes, at motoren skal køre med 50 % af den maksimale hastighed, skal OCR2 registeret sættes til: OCR 250% = 50% 255 127 Retningen ændres ved at sætte den pågældende pin høj eller lav på AVRboardet. AVR (PortD) H-Bro PIN0 Brake Input PIN1 - PIN2 Direction Input PIN3 - PIN4 - PIN5 - PIN6 - PIN7 PWM Input GND GND VTG - Side 41 af 53
PD-controller PD-Controlleren er implementeret ud fra følgende formel: d( error) UTotal = UProportional + UDerivative = KP error + KD dt Error-værdien beregnes løbende ved at beregne forskellen mellem setpoint og den målte frekvens. KP og KD er konstanter i programmet og kan derfor ikke ændres uden at ændre i selve koden. Disse vil blive bestemt eksperimentielt senere. For at være i stand til at bestemme den første afledede af error-værdien, anvendes timer0 til at måle tiden mellem hver gang error-værdien beregnes. Dette kræver samtidigt at den foregående error-værdi gemmes. Den første afledede af error-værdien bestemmes som: d( error) error error = dt t 2 1 6.4.4 Tests Den retningsgivende funktion er testet ved at anvende en frekvensgenerator, som udsender et firkantet signal i omegnen af de 110Hz. Der undersøges om systemet reagerer korrekt på frekvenser der er henholdsvis større og mindre end referencefrekvensen på 110Hz. Desuden er konstanterne kp og kd bestemt eksperimentelt, hvor guitaren var tilkoblet systemet. 6.5 Delkonklusion Der er udviklet en PD-controller til regulering af motoren under stemmeprocessen. Den reagerer korrekt i forhold til det signal den får ind. Nu skal den endelige testopstilling afsløre, om der er nogle problemer i forhold til reguleringen af en løs A-streng. Side 42 af 53