afinador de guitarra acústica semiautomático
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Afinador de Guitarra Acústica Semiautomático Juan Bejarano, Leandro Torres, Cesar Zúñiga
Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma del Caribe
Barranquilla, Colombia
Abstract─ Este documento explica cada una de las fases de diseño
de un afinador semiautomático de guitarra acústica, en donde el
usuario debe tocar continuamente la cuerda que desea afinar y
un juego de servomotores junto con el sistema de control harán
girar la clavija de dicha cuerda hasta que esta alcance su punto
de afinación. El prototipo fue diseñado con fines académicos
para aquellos que empiecen a relacionarse con este instrumento
musical y con fines comerciales para optimar el proceso de
afinación de dicho instrumento.
I. Introducción
Una de las primeras lecciones que se tiene al aprender a tocar una
guitarra es a afinarla, con el fin de familiarizarse con los sonidos
correctos con los que debe escucharse las cuerdas de dicho
instrumento. A veces el proceso puede ser complicado para las
personas que lo intentan por primera vez y esto puede atrasar su
aprendizaje; por tanto, se diseñó e implementó un prototipo
Mecatrónico de afinador con la finalidad de acelerar el proceso de
aprendizaje, ayudándole a encontrar la nota correcta que debe llevar
la guitarra en cada una de sus 6 cuerdas, además de poder agilizar el
proceso de afinación de la guitarra para algunas personas con más
experiencia que demoren en hacerlo manualmente.
Para todo esto se decidió usar un captador de la señal producida
por la cuerda a afinar que será parte de un afinador de guitarras del
mercado, luego de que se tenga esta señal se determina que tan
desafinada esta la cuerda, para que por medio del control hecho en
base al afinador comercial se puedan dar las directrices con las cuales
se moverán los motores acoplados a las clavijas y estos hagan girar
las cuerdas hasta alcanzar la afinación de las mismas. Cabe recordar
que durante la afinación el usuario debe mantenerse tocando la
cuerda hasta que se indique que la cuerda ha sido afinada para que el
procedimiento se cumpla de manera satisfactoria. Más adelante se
estará explicando cada una de las partes que componen el proceso de
afinación semiautomático de una guitarra para dar un mayor
entendimiento de dicho proceso.
II. Reseña General
Para llevar a cabo el proyecto propuesto se dispuso de un afinador
de guitarra que ya se encontraba en el mercado de la marca Cherub
modelo WST-550G, se escogió este por la comodidad que ofrecía
para el control que se decidió implementar.
Fig. 1 Guitarra acústica clásica [1]
Fig. 2 Afinador Cherub wst-550G [2]
Luego de saber cuál sería el principal elemento del proyecto, se
dispuso a determinar cuáles serían los otros elementos que
conformarían el afinador semiautomático a realizar. Se decide
entonces que luego de obtener las señales que envía este dispositivo
afinador se necesita de algo que interprete estas señales y para ello se
elige al PIC18F452 para que este nos indique la salida necesaria que
finalmente moverá los motores a partir de la señal de entrada que
recibe. Siguiendo con los dispositivos utilizados se tienen los
motores que darán movimiento a las clavijas que sostienen la cuerda
y para tal caso se implementaron unos servomotores de la marca
hexTronik modelo HX12K, los cuales tenían la capacidad suficiente
de mover las clavijas en ambos sentidos (tensionar o aflojar)
acompañados por tres integrados L293D que cumple la función de un
puente H y así poder mover los servomotores en ambos sentidos.
Posterior a esto se tuvo la necesidad de crear un acople que
permitiera unir al servomotor con la clavija de la guitarra y se diseñó
un acople con material de PVC y madera en forma de U para que
estos tuvieran un buen agarre con las clavijas. Por ultimo solo se creó
una caja para la parte superior de la guitarra donde se encontrarían
los seis motores utilizados y el circuito que se encargaría del cambio
de giro de los mismos. Esta también fue diseñada en madera ya que a
su vez se busca que el proyecto no sea tan costoso pero sí que sea
eficiente al momento de implementarse.
III. Sistema de Control
El sistema control es el encargado de recibir las señales
correspondientes del sensor conectado a la guitarra, procesarlas y
enviar la acción de control correspondiente hacia alguno de los 6
motores que acompañan a las clavijas de la guitarra. A continuación
se mostraran las partes involucradas en dicho sistema.
A. Sensor Utilizado por el Sistema
La señal dirigida al sistema de control proviene del afinador WST-
550G Guitar Mate de la compañía Cherub (ver fig. 2). Este es un
afinador “Clip-on” que al engancharse al mango de la guitarra su
sensor piezoeléctrico capta las vibraciones del instrumento; este
dispositivo cuenta con un total de 17 indicadores leds, de los cuales 6
de color rojo y con el nombre de la cuerda se encargan de indicar la
cuerda y la nota ideal que se debe escuchar, y los 11 restantes
muestran que tan afinada o desafinada esta la cuerda con un error que
va de -50 a +50 representado en 10 de estos leds de color rojo
también y uno central que se ilumina en verde si la cuerda que se
toca esta afinada, de lo contrario este permanece iluminando en rojo
durante el proceso.
Debido a que el afinador no fue diseñado para utilizarse como un
sensor, fue necesario adaptarlo para luego poder dirigir las señales al
microcontrolador, el procedimiento realizado consistió en destapar el
dispositivo y soldar cables sobre los terminales donde se encuentran
soldados los leds en la placa de su circuito impreso. La descripción
del comportamiento de los voltajes que transitan en los terminales de
los indicadores del dispositivo se muestra en la tabla 1, se puede
apreciar que mientras el led está apagado hay voltaje sobre este, pero
si se encuentra encendido no se encuentra voltaje alguno. Esta
situación obliga a invertir los voltajes por medio de circuitos digitales
para llevarlo a la lógica apropiada en el microcontrolador; para ello
se utilizó el Schmitt-trigger 74LS14 [3], que cumple con las
especificaciones que se necesitaron para acondicionar la señal y
dirigirla a la siguiente parte del sistema de control.
TABLA I
Voltajes en los Terminales de los Indicadores Según su Estado Lógico
Estado lógico del led Nivel de voltaje
ALTO 0V
BAJO 2.97V
B. Microcontrolador y Algoritmo de Control
La figura 3 muestra el diagrama de pines del microcontrolador
PIC18F452; se necesitaron un total de 28 pines para el proyecto, 16
de estos para recibir las señales del afinador y 12 para enviar las
señales de control a cada uno de los 6 servomotores y poder
controlarlos de manera bidireccional. El algoritmo básicamente
consiste en la relación entre cada una de los indicadores de las
cuerdas y el indicador del error en la afinación, si por ejemplo el
indicador de la cuerda 1 esta encendido entonces el algoritmo
seleccionara uno de los 6 pares de pines destinados para la señal de
control del servomotor que controla la clavija de la cuerda 1.
Posterior a eso y según el error indicado por uno de los 10 leds
indicadores del error, el servomotor controlado girará la clavija
durante un tiempo estipulado en el algoritmo de control programado
en el microcontrolador, a mayor error mayor será el tiempo de
activación del actuador y teniendo en cuenta si el error es positivo o
negativo, uno de los dos pines se activará, permitiendo un control
bidireccional del servomotor seleccionado por el algoritmo de
control; la descripción completa de las dos partes del programa se
muestran en las tablas I y II.
Fig. 3 Diagrama de pines 18F452 [4]
TABLA II
Asignación de los Pines para Controlar los Servomotores
Cuerda a afinar Par de pines del PIC
1 RC7, RD4
2 RD5, RD6
3 RD7, RB1
4 RB2, RB3
5 RB4, RB5
6 RB6, RB7
TABLA III
Tiempo Asignado Según el Error de Afinación
Error de afinación Tiempo de activación (mSeg)
±10 300
±20 500
±30 700
±40 900
±50 1100
Como medida de optimización al proceso, se programó una
interrupción externa en el pin RB0 del microcontrolador, cuya
entrada fue el indicador central cuando ilumina de color verde
avisando que la cuerda ya está afinada. Una vez activada la
interrupción el microcontrolador desactivará todas las salidas hacia
los servomotores deteniéndolos en el momento justo que el afinador
indique que la cuerda alcanzó su punto de afinación; con esta medida
se impide posibles oscilaciones cuando la cuerda este cerca de ser
afinada.
IV. Sistema Mecánico
Ya habiendo pasado por la parte de control que utiliza el sistema, y
conociendo todo lo que esta realiza en el sistema de afinación se
tiene que saber ahora cómo es que se acoplo este afinador a la
guitarra y es allí donde la parte mecánica entra a realizar su trabajo.
Se pensó en utilizar motores para la parte del movimiento de las
clavijas y entonces surgió la necesidad de encontrar un motor que
tuviera la capacidad de mover con facilidad esas clavijas y que no se
frenara por la incapacidad de tensionar las cuerdas que era el caso
más crítico del movimiento. Es allí donde se decide implementar
servomotores de la marca hexTronik por lo que estos tenían la fuerza
necesaria para realizar esta labor y son más económicos que los
motores reductores que también podían realizar la tarea antes
descrita. Estos motores con un torque de 15Kg/cm a 6V fueron los
seleccionados y con ellos se eligieron los integrados L293D que
contienen cada uno dos puente H en su interior para poder hacer
cambiar de giro los motores por lo que para los seis motores fueron
necesarios tres de estos. Estos integrados permiten un voltaje
máximo de 32V y una corriente de 600mA que para el proyecto era
suficiente en su funcionamiento [5].
Fig. 4 Servomotor hexTronik HX12K [6]
Ya teniendo los motores definidos se pasa a la parte de cómo hacer
que estos se mantengan firmes en la guitarra y que no fallen a la hora
de moverse, por eso se hizo un acople que fuese económico y eficaz.
Este acople tiene forma circular de un tamaño que abarca la clavija al
girar con una ranura en su centro que lo atraviesa de lado a lado por
donde se inserta la clavija y esta queda fija para que no se pueda
soltar y quedar el motor rodando solo. Se hizo un esquema en el
programa solidworks para tener una idea de cómo sería la pieza
ideada.
Fig. 5 Esquema en el programa solidworks del acople
Para acomodar los motores en la guitarra se tuvo en cuenta la
forma en que esta llevaba las clavijas ya que de allí dependía el
diseño de la caja que iba a contener los motores para hacer algo más
transportable todo el sistema. En este caso las clavijas de la guitarra
estaban en dirección hacia abajo y no hacia los laterales como
algunas otras lo llevan por lo que se hizo también un esquema en
solidworks para tener en cuenta las distancias entre clavijas y diseñar
de manera precisa dicha caja.
Fig. 6 Esquema en el programa de solidworks de la caja de motores
La caja a su vez también se diseño para que en su parte interior
pudiese contener el circuito de los integrados L293D para dar la idea
de que este es un modulo del proyecto final y así hacerlo más fácil de
utilizar y transportar.
V. Resultados
El circuito integrado L293D ofrece un máximo de corriente de
600mA por cada motor; por ensayo y error se descubrió que si dicha
corriente ingresa a los dos canales destinados para los motores con
una conexión en paralelo, cada uno consumiría la mitad de esta, es
decir 300mA, los cuales fueron suficientes para que el servomotor
tuviera la capacidad de mover la clavija. Sabido eso y teniendo en
cuenta que son tres dispositivos idénticos que debían ser alimentados
al tiempo, se concluyó que la corriente necesaria para alimentar
correctamente los tres dispositivos es de 1.8A. El sistema de control
realizo muy bien su labor en la mayoría de los casos, hubo
excepciones cuando la cuerda estaba tan desafinada que incluso el
afinador Cherub que utilizamos como sensor marcaba una cuerda
errónea. Esto se debe a que una cuerda cuando no está afinada puede
escucharse parecido a la cuerda siguiente o anterior, eso provoca que
el afinador confunda las cuerdas y active el servomotor incorrecto; se
debe tener en cuenta este suceso para próximos proyectos.
Fig. 7 Acoples de Enlace para las Clavijas
Los acoples que enlazan los servomotores a la clavija de la guitarra
se pueden ver terminados en la figura 7, cumplen con la función de
sujetar las clavijas, aunque varias veces se soltaron debido a la poca
profundidad del acople, por lo que se concluyó que se debe diseñar
un acople con mayor profundidad para garantizar una sujeción
apropiada.
Fig. 8 Caja de Ajuste para los Servomotores
Fig. 9 Afinador Semiautomático Versión Prototipo
VI. Conclusiones
El proyecto descrito en este documento ha sido de mucha utilidad
en la parte académica donde se potencializaron ciertas habilidades
requeridas en diseño de ingeniería, y también es un gran paso para
diseñar un producto final que se pueda comercializar y así competir
con los afinadores actuales en el mercado como es el caso del
afinador de la empresa Cherub. Los resultados obtenidos en las
pruebas finales invitan a plantear nuevas estrategias para captar la
señal de una manera más eficiente y evitar conflictos como los
descritos en la sección anterior, además de diseñar los acoples para
que estos cumplan con las necesidades expuestas para asegurar de
forma correcta el enlace entre los motores y las clavijas de la
guitarra.
Cabe mencionar que también sería oportuno diseñar un nuevo sub-
sistema capaz de tocar cada una de las cuerdas, esa parte no fue
diseñada debido a que los costos habrían sido más altos que el
presupuesto estipulado para el proyecto pero a futuro se puede
plantear si en verdad es viable el proyecto a nivel económico y
funcional, y posteriormente diseñar el prototipo correspondiente.
Diseñar un afinador de guitarra económico pero sobre todo
funcional para el usuario es una idea muy interesante para tener en
cuenta en los próximos trabajos, se estarán buscando nuevas
alternativas para un rendimiento más óptimo pero se considerará este
prototipo como la base para futuros proyectos con el fin de obtener
una versión final que pueda ser llevada a producción.
Reconocimientos
En agradecimiento a Danilo Rojas, estudiante de Ingeniería
Mecatrónica de la Universidad Autónoma del Caribe por suministrar
el afinador Cherub y su ayuda en la modificación para poder
utilizarse como sensor; y también al ingeniero Edgar Francisco
Arcos, Docente de tiempo completo del programa de Ingeniería
Mecatrónica de la Universidad Autónoma del Caribe, por su guía a lo
largo de la ejecución del proyecto.
Referencias
[1] El rincón del guitarrista. (2013) Tipos de guitarra. [Online]. Disponible
desde:
http://www.guitarraonline.com.ar/index.php?sec=articulos/guitarras&tit
ulo=Articulos#acusticas
[2] Cherub Technology. (2013) WST-550G Guitar Mate. [Online].
Disponible desde:
http://cherubtechnology.com/product_detail.php?id=9&id1=32&id2=0
[3] “HD74LS14 Hex Schmitt trigger inverters”, Hitachi, Ltd, Tokyo, Japan.
[4] “PIC18FXX2 Data Sheet”, Microchip Technology Inc, Chandler,
Arizona, EE.UU.
[5] “L293, L293D QUADRUPLE HALF-H DRIVERS”, Texas Instruments
Incorporated, Dallas, Texas, EE.UU.
[6] ServoDatabase.com. (2013) Hextronik HXT12K Servo Specifications
and Reviews. [Online]. Disponible desde:
http://www.servodatabase.com/servo/hextronik/hxt12k