CN104157276B - 一种钢琴键盘动作的光电检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种钢琴键盘动作的光电检测装置及其检测方法，属于音乐教学设备技术领域。这种光电检测装置把对射式红外光电器件、反射式红外光电器件和光电检测数据处理单元设置在光电传感器支架上，光电检测数据处理单元包括进行电气连接的光电传感器状态检测单元和钢琴琴键检测主控单元。该光电检测装置采用基于高性价比的STM8处理器实现光电数字信号的获取、处理、标准MIDI流的产生以及无线数据输出。具备琴键状态的自适应设置和钢琴琴键动作的实时自动检测的基本功能，解决了钢琴学习装置安装不方便等问题，减少硬件成本，且操作方便。

Description

一种钢琴键盘动作的光电检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种钢琴键盘动作的光电检测装置及其检测方法，属于音乐教学设备技术领域。

背景技术

目前国际上使用的是放置于琴键下面的对射式红外光电开关形式的信号采集装置。信号采集器件为光发射器件、光接收器件、与琴键连接的遮光装置。所述光电发射器件和光接收器件之间安置可以与琴键同步运动的遮光装置。当演奏钢琴时，光发射器件、光接收器件与遮光装置将因键盘相对琴架运动而产生通断，结果光发射器件发出的光电信号或被光电接收器件接收或被阻挡，将弹奏状态、时长等各种键盘动作参数转换为相应的脉冲数字信号，以便后续电路和计算机软件处理，并将检测结果输出。该项装置的缺点主要有如下两点：一是安装复杂，对安装精度要求很高，需要专业人士花大量时间安装调试，不利于推广；二是破坏钢琴完好性，因为要安装在钢琴键盘下面，需要在钢琴上打孔走线及螺丝固定等。

发明内容

为了解决上述信号采集装置存在的问题，本发明提供一种钢琴键盘动作的光电检测装置及其检测方法，该装置能够方便、快捷、准确的实现钢琴琴键的动作检测，并实时以标准MIDI格式无线上传给上位机。

本发明采用的技术方案是：一种钢琴键盘动作的光电检测装置及其检测方法，它包括与黑色琴键相配合的对射式红外光电器件、与白色琴键相配合的反射式红外光电器件和光电检测数据处理单元，所述对射式红外光电器件的红外光源与红外光接收器分别固定设置在黑色琴键两侧的光电传感器支架上，所述反射式红外光电器件固定设置在白色琴键上方的光电传感器支架上，所述光电检测数据处理单元固定设置在对射式红外光电器件和反射式红外光电器件上方的支架上，并与对射式红外光电器件和反射式红外光电器件进行电气连接，所述光电检测数据处理单元包括进行电气连接的光电传感器状态检测单元和钢琴琴键检测主控单元。

所述光电传感器状态检测单元采用光电器件的电源电路、光电器件的主控单片机电路、光电器件的LED指示电路、光电器件的反射光电管电路和光电器件的对射光电管电路进行电气连接。

所述钢琴琴键检测主控单元采用钢琴琴键检测的接口板电源电路、钢琴琴键检测的接口板主控MCU电路、钢琴琴键检测的接口板MIDI输入电路和钢琴琴键检测的接口板MIDI输出电路进行电气连接。

所述的一种钢琴键盘动作的光电检测方法是：

（a）光电检测装置采用基于高性价比的STM8处理器实现光电数字信号的获取、处理、标准MIDI流的产生以及无线数据输出；

（b）所述光电传感器状态检测单元采用发射和接收红外器件配合实现，红外器件不随琴键的动作而动作，但光电信号将随对应琴键的位置变化而变化，光电器件能够实时获取琴键的动作及相应参数，所获取的数据参数经过模数转换后输送给CPU处理器进行判断处理；

（c）所述光电信号的获取和转换采取的智能自适应方式为，在将装置放置于钢琴上后，初次给装置供电时，装置能够自动根据放置的状态获取当前的每个琴键的状态信息，而后以此为基础判断每个琴键的动作情况；

（e）所述钢琴琴键检测主控单元根据光电信号获取及转换电路提供的琴键动作数据，实时判断每个琴键的动作方式，并据此实时产生相应的MIDI数据流；

（f）所述钢琴琴键检测主控单元将数据处理电路产生的标准MIDI数据流数据以无线方式实时传送给上位机进行进一步的处理。

本发明的有益效果是：这种光电检测装置把对射式红外光电器件、反射式红外光电器件和光电检测数据处理单元设置在光电传感器支架上，光电检测数据处理单元包括进行电气连接的光电传感器状态检测单元和钢琴琴键检测主控单元。该光电检测装置采用基于高性价比的STM8处理器实现光电数字信号的获取、处理、标准MIDI流的产生以及无线数据输出。具备琴键状态的自适应设置和钢琴琴键动作的实时自动检测的基本功能，解决了钢琴学习装置安装不方便等问题，减少硬件成本，且操作方便。

附图说明

图1是一种钢琴键盘动作的光电检测装置的机械原理图。

图2是图1中的A-A视图。

图3是图2中的B放大图。

图4是光电器件的电源电路图。

图5是光电器件的主控单片机电路图。

图6是光电器件的LED指示电路图。

图7是光电器件的反射光电管电路图。

图8是光电器件的对射光电管电路图。

图9 是钢琴琴键检测的接口板电源电路图。

图10是钢琴琴键检测的接口板主控MCU电路图。

图11是钢琴琴键检测的接口板MIDI输入电路图。

图12是钢琴琴键检测的接口板MIDI输出电路图。

图中：1、黑色琴键，2、对射式红外光电器件，3、白色琴键，4、反射式红外光电器件，5、光电检测数据处理单元，6、琴盖，7、琴键支点。

具体实施方式

图1、2、3示出了一种钢琴键盘动作的光电检测装置的机械原理图。钢琴键盘动作的光电检测装置包括与黑色琴键1相配合的对射式红外光电器件2、与白色琴键3相配合的反射式红外光电器件4和光电检测数据处理单元5。对射式红外光电器件2的红外光源与红外光接收器分别固定设置在黑色琴键1两侧的光电传感器支架上。反射式红外光电器件4固定设置在白色琴键3上方的光电传感器支架上。光电检测数据处理单元5固定设置在对射式红外光电器件2和反射式红外光电器件4上方的支架上，并与对射式红外光电器件2和反射式红外光电器件4进行电气连接。

84个琴键与84个红外光电器件具有一一对应的关系，且红外器件不随随琴键的动作而动作，但光电信号将随对应琴键的位置变化而变化，该关系既反映琴键的动作节奏、动作速度以及动作力度等信息。

图4、5、6、7、8示出了光电传感器状态检测单元的电路图。光电传感器状态检测单元采用光电器件的电源电路、光电器件的主控单片机电路、光电器件的LED指示电路、光电器件的反射光电管电路和光电器件的对射光电管电路进行电气连接。光电传感器状态检测单元负责12路信号的检测和转换及处理工作。电路以STM8 CPU为核心包括光电传感器电路、LED MIDI状态指示电路、复位电路、电源电路等。7个同样的检测电路协同工作可以完成对84个钢琴琴键的状态检测。当有琴键发生动作时，例如抬起或按下等，红外器件不随随琴键的动作而动作，但光电信号将随对应琴键的位置变化而变化，光电器件能够实时获取琴键的动作及相应参数，所获取的数据参数经过模数转换后输送给CPU处理器进行判断处理。

图9、10、11、12示出了钢琴琴键检测主控单元的电路图。钢琴琴键检测主控单元采用钢琴琴键检测的接口板电源电路、钢琴琴键检测的接口板主控MCU电路、钢琴琴键检测的接口板MIDI输入电路和钢琴琴键检测的接口板MIDI输出电路进行电气连接。钢琴琴键检测主控单元负责标准MIDI流的产生和无线传输控制等。电路以STM8 CPU为核心，包括电源电路、复位电路、EEPROM存储电路、蓝牙无线传输电路等。主控电路通过专用通信接口实时接收光电传感器检测电路上传的琴键状态，即按下或是弹起等，并实时转换为标准MIDI格式，通过无线传输控制模块上传给上位机进行进一步的处理。EEPROM存储电路可根据需要实时存储电路运行过程中的关键参数，保证系统可靠运行。

采用上述技术方案的光电检测装置，当弹奏钢琴时，白色琴键被按下时，由于白色琴键与光电器件的距离发生变化，光电器件收到的红外光电信号强弱发生变化，将此变化的模拟电信号传送给板载CPU进行后续处理。当黑色琴键被按下时，对射式红外光电信号发生变化，将变化的模拟信号传送到板载CPU进行后续处理。经过板载CPU处理后的琴键状态数字信息传送给上位机进行进一步处理。该检测装置反映灵敏、结果精确、便于数字化，成本低，便于大范围推广。

Claims (1)

1.一种钢琴键盘动作的光电检测装置的光电检测方法，光电检测装置包括与黑色琴键（1）相配合的对射式红外光电器件（2）、与白色琴键（3）相配合的反射式红外光电器件（4）和光电检测数据处理单元（5），所述对射式红外光电器件（2）的红外光源与红外光接收器分别固定设置在黑色琴键（1）两侧的光电传感器支架上，所述反射式红外光电器件（4）固定设置在白色琴键（3）上方的光电传感器支架上，所述光电检测数据处理单元（5）固定设置在对射式红外光电器件（2）和反射式红外光电器件（4）上方的支架上，并与对射式红外光电器件（2）和反射式红外光电器件（4）进行互相电气连接，所述光电检测数据处理单元（5）包括互相进行电气连接的光电传感器状态检测单元和钢琴琴键检测主控单元；所述光电传感器状态检测单元采用光电器件的电源电路、光电器件的主控单片机电路、光电器件的LED指示电路、光电器件的反射光电管电路和光电器件的对射光电管电路进行电气连接；所述钢琴琴键检测主控单元采用钢琴琴键检测的接口板电源电路、钢琴琴键检测的接口板主控MCU电路、钢琴琴键检测的接口板MIDI输入电路和钢琴琴键检测的接口板MIDI输出电路进行电气连接，其特征是：

（a）光电检测装置采用STM8处理器实现光电数字信号的获取、处理、标准MIDI流的产生以及无线数据输出；

（b）所述光电传感器状态检测单元采用发射和接收红外器件配合实现，红外器件不随琴键的动作而动作，但光电信号将随对应琴键的位置变化而变化，光电器件能够实时获取琴键的动作及相应参数，所获取的数据参数经过模数转换后输送给STM8处理器进行判断处理；

（c）光电信号的获取和转换采取的方式为，在将光电检测装置放置于钢琴上后，初次给光电检测装置供电时，光电检测装置能够自动根据放置的状态获取当前的每个琴键的状态信息，而后以此为基础判断每个琴键的动作情况；

（e）所述钢琴琴键检测主控单元根据光电信号获取及转换电路提供的琴键动作数据，实时判断每个琴键的动作方式，并据此实时产生相应的MIDI数据流；

（f）所述钢琴琴键检测主控单元将数据处理电路产生的标准MIDI数据流数据以无线方式实时传送给上位机进行进一步的处理。