CN106952465A - 一种钢琴琴键位移检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钢琴琴键位移检测装置，包括用于放置在钢琴键盘上的安装支架，所述安装支架的下表面贴有柔性电路板；所述柔性电路板上设置有多个光学探测单元，所述光学探测单元位于琴键的正上方，用于检测钢琴琴键的位移。本发明通过采用三层复合机械结构，并利用柔性电路板使得检测元件能够贴近钢琴的琴键，极大的缩小了整个检测装置的体积。
Description
技术领域
本发明属于钢琴检测技术领域，特别是涉及一种钢琴琴键位移检测装置。
背景技术
在很多场景下需要检测钢琴琴键的位移，比如钢琴的学习和练习过程、钢琴的生产测试过程、自动及联合演奏的场景等。现有的检测方法采用PCB硬板加上简单的结构部件来达到检测目的，但是采用这种方式的检测装置体积庞大，难以做到检测设备的小型化。
现有技术中，钢琴键盘动作的检测装置包括对射式红外光电器件，对射式红外光电器件设置在黑色琴键两侧，当黑色琴键被按下时，对射式红外光电器件的发光管发出的红外光线能够进入对射式红外光电器件的接收管，从而判断出黑色琴键被按下。但是由于现有技术中采用的是刚性的PCB硬板，因此对射式红外光电器件被固定，因此对于黑色琴键而言，只能在位移超过一定幅度时才能被检测出来，并且也不能定量检测出黑色琴键的位移大小，因此无法对演奏者敲击黑色钢琴键的力度进行有效检测。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种钢琴琴键位移检测装置，能够减小体积且定量检测出琴键的位移大小。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种钢琴琴键位移检测装置，包括用于放置在钢琴键盘上的安装支架，所述安装支架的下表面贴有柔性电路板；所述柔性电路板上设置有多个光学探测单元，所述光学探测单元位于琴键的正上方，用于检测钢琴琴键的位移。
作为本发明所述的技术方案的一种补充，所述光学探测单元包括发射器件、接收器件和处理器，所述发射器件用于向琴键发出探测光线，所述接收器件用于接收经过琴键反射的探测光线，所述处理器根据接收器件接收到的探测光线的特征得到钢琴琴键的位移。
作为本发明所述的技术方案的一种补充，所述处理器根据接收器件接收到的探测光线的光照参数，并结合预先保存的光照参数与位移的函数关系得到钢琴琴键的位移。
作为本发明所述的技术方案的一种补充，所述处理器根据接收器件接收到的探测光线的光照参数，并将其与预设的阈值范围进行比较，当接收到的探测光线的光照参数超出阈值范围时判断钢琴琴键发生位移。
作为本发明所述的技术方案的一种补充，所述处理器根据接收器件接收到的探测光线的波长和频率判断接收到的探测光线是否为发射器件发出的探测光线。
作为本发明所述的技术方案的一种补充，所述处理器还用于根据钢琴琴键的位移计算按键的平均速度，并根据按键平均速度与按键力度的线性关系，对按键力度进行估算。
作为本发明所述的技术方案的一种补充，所述按键的平均速度的计算方式为：vAB＝DAB/(TXB-TXA)，其中，DAB为钢琴琴键的位移，TXB为琴键被按下至最远距离的时间，TXA为琴键刚被按下时的时间。
作为本发明所述的技术方案的一种补充，所述安装支架的下表面的形状与钢琴键盘的形状相配，放置在钢琴键盘上时能够与钢琴琴键的表面相贴合。
作为本发明所述的技术方案的一种补充，所述安装支架外套有底壳，所述柔性电路板位于安装支架和底壳之间；所述底壳上正对光学探测单元的位置设置有开口。
作为本发明所述的技术方案的一种补充，所述底壳的下表面设置有缓冲材料。
作为本发明所述的技术方案的一种补充，所述安装支架上表面设置有刚性电路板，所述刚性电路板上设置有多个指示灯，所述指示灯与光学探测单元一一对应连接，当所述光学探测单元检测出钢琴琴键存在位移时，所述指示灯发光。
作为本发明所述的技术方案的一种补充，所述安装支架两侧设置有连接件，所述连接件用于将安装支架与另一个安装支架相连。如此安装支架之间可以活动连接，能够进行适量的伸缩以适应不同长度的钢琴键盘。
本发明通过采用三层复合机械结构，并利用柔性电路板使得检测元件能够贴近钢琴的琴键，极大的缩小了整个检测装置的体积，为设备的微型化和便携化提供了条件。另外，本发明通过对钢琴的琴键反射参数的分析，可以定量测得钢琴的琴键的位移大小，然后进一步计算出人敲击钢琴琴键的力度大小，因此对于黑色琴键和白色琴键都可以很好的完成检测。同时通过对三层复合机械结构的设计，能够确保在使用柔性电路板时，整体部件仍具有良好的结构强度，以满足实际各种不同工况下的对强度的要求。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的结构爆炸图；
图2是根据本发明实施例的剖面图；
图3是根据本发明实施例的整体结构爆炸图；
图4是根据本发明实施例的光学探测单元的检测原理图；
图5是根据本发明实施例的检测值与位移的对应关系图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本领域的技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，在本领域普通技术人员没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
根据本发明的实施例，提供了一种钢琴琴键位移检测装置，包括用于放置在钢琴键盘上的安装支架1，所述安装支架1的下表面贴有柔性电路板2；所述柔性电路板2上设置有多个光学探测单元3，所述光学探测单元3位于琴键的正上方，用于检测钢琴琴键的位移。
如图1，图2和图3所示，该钢琴琴键位移检测装置包括安装支架1，所述安装支架1的上表面设有凹槽11，安装支架1的下表面的形状与钢琴键盘的形状相配，放置在钢琴键盘上时能够与钢琴琴键的表面相贴合。由于现有钢琴键盘的构造中，黑色琴键较高、白色琴键较低，为了在紧凑的空间内完成检测钢琴琴键的位移，使得安装支架1的截面与钢琴键盘的截面相互匹配，安装支架1的下表面可以设计成一个不满凹陷12的形状，其凹凸的物理尺寸和钢琴的黑白键截面的物理尺寸一致，如此设计，当安装支架1放置在钢琴键盘上时，能够正好与钢琴的黑白键的外表面相贴合。
安装支架1的下表面上贴有柔性电路板2，在柔性电路板2上设置了多个光学探测单元3，光学探测单元3的数量同钢琴键盘上琴键的数量相同。每个光学探测单元3包括一个发射器件、一个接收器件92和一个处理器，发射器件91和接收器件92位于琴键的正上方，所述发射器件91用于向琴键发出探测光线，所述接收器件92用于接收经过琴键反射的探测光线，所述处理器根据接收器件92接收到的探测光线的特征得到钢琴琴键的位移。为了降低成本，本实施例中所有的光学探测单元3使用同一个处理器。柔性电路板2的表面紧贴安装支架1的下表面，使得柔性电路板2的表面平整，并且发射器件91和接收器件92能够处在正确的位置上。本实施例中，发射器91件可以是红外发射器，接收器件92可以是红外接收器。
在柔性电路板2下面使用了一个较薄的底壳4将柔性电路板2夹在底壳4与安装支架1的中间，该底壳4还包覆在安装支架1的外部。底壳4用于保护柔性电路板2和光学探测单元3不被碰撞或刮擦导致损坏，并且定位光学探测单元3使得它们处在正确的位置上，保证最佳的探测效果。在底壳上正对光学探测单元3的位置，有合适尺寸的开口41，确保探测用的光线和反射回来的光线能够不受阻碍的通过。
不难发现，本发明通过采用三层复合机械结构，并利用柔性电路板2使得检测元件能够贴近钢琴的琴键，极大的缩小了整个检测装置的体积，为设备的微型化和便携化提供了条件。另外，由于底壳包覆在安装支架1的外部，能够很好的保护柔性电路板2，并能够确保在使用柔性电路板2时整体部件仍具有良好的结构强度，以满足实际各种不同工况下的对强度的要求。
在底壳4下面，有合适厚度的缓冲材料5，通常是类似海绵或橡胶的柔软材料。缓冲材料5用以降低因钢琴琴键弹起时撞击底壳所产生的噪音，并且降低在钢琴琴键未被按下时周围环境光线进入光学探测单元3的可能性。这些杂散光会提高在钢琴键未被按下时的检出读数从而提高检出错误概率。因此，通过使用类似海绵或橡胶的柔软材料还可以降低在钢琴键未被按下时的检出读数，从而提高检测正确性。
安装支架1上表面的凹槽11中放置有刚性电路板6，所述刚性电路板6上设置有多个指示灯61，所述指示灯61与光学探测单元3一一对应连接，当所述光学探测单元3检测出钢琴琴键存在位移时，所述指示灯61发光。将指示灯61与控制装置相连时，控制装置控制指示灯61点亮，演奏者可以根据点亮的指示灯按下与其相应的钢琴琴键，从而实现游戏/练习的目的。所述刚性电路板6和柔性电路板2之间可以通过31pin FPC连接器7相连，只需在安装支架1的适当位置开设连接槽，31pin FPC连接器7穿过连接槽将刚性电路板6和柔性电路板2连接即可。
刚性电路板6上还设置有蓝牙通信芯片62，该蓝牙通信芯片62可以将光学探测单元3检测到的数据发送至上位机。蓝牙通信芯片可以为CC2540芯片，采用蓝牙串口透明传输方式，协议采用蓝牙4.0协议，蓝牙通信芯片62的接口为TTL串口，为了兼容外接串口和蓝牙串口的TXD，蓝牙通信芯片62可以采用BAW56的双二极管实现TTL串口的通信总线。为了将光学探测单元3检测到的数据发送至上位机还可以在柔性电路板2上安装数据接口，该数据接口可以直接与外部终端(例如PC、手机)相连。
在刚性电路板6上面使用了一个较薄的铝面壳8将刚性电路板6放置在铝面壳8与安装支架1的中间，该铝面壳8与底壳4通过卡扣的方式连接，将整个检测装置保护在内部。铝面壳8顶部还设置有镜面9。
另外，为了配合不同大小的钢琴，本实施例中安装支架1两侧均设有连接件13，通过连接件13可以将两个不同的安装支架1相连，从而使得该检测装置能够检测不同尺寸的钢琴。
所述安装支架1的两侧的端部还设置有安装卡槽，所述安装卡槽内可以放置DC电源座，DC电源座的引脚能够与柔性电路板上设置的电源座相连，该DC电源座可以连接交直流转换器，通过交直流转换器将220V的电压转换为5V电压，从而能够为柔性电路板和刚性电路板上的元器件进行供电。
如图4所示，当检测装置通电进入工作状态时，光学探测单元3中的发射器件91发出具有某种特征(如亮度或照度、波长、频率)的光线，这些光线在经过钢琴琴键的表面反射后，被接收器件92检测到。其中一部分特征，如波长和频率在反射后会保持原来的特征，处理器可以根据这部分特征来判断接收器件92所接收到的反射光线是否为发射器件91发射出去的探测光线，从而避免因周围的环境光而导致的检测错误。而亮度或照度在反射后会有所变化，因此其可以用来作为检测琴键位移的检测值。
在进行检测时，当琴键处于初始位置(即未被按下)时，接收器件92接收到的亮度或照度值为初始值。当琴键发生位移时，接收器件92接收到的亮度或照度值为检测值。如图5所示，检测值和琴键位移具有一定的函数关系，这个函数关系是已知的，可以预先保存在光学探测单元3的处理器中。当处理器接收到接收器件92的反射光线的检测值为LX，根据图5所示的函数关系，处理器能够得到琴键位移为DX。为了能够确保数据的准确性，在进行检测时，可以通过多次检测取平均值的方法来降低噪声的影响，进而提高检测准确性。
如图5所示，在琴键未被按下时，琴键处于离光学探测单元3的最近位置，其检测值为LXA，在琴键被按下时，琴键处于离光学探测单元3的较远位置，其检测值为LXB，分别记录下离开检测值LXA和到达检测值LXB的时间TXA和TXB，即记录琴键刚被按下时的时间和琴键被按下至最远距离的时间，则琴键被按下的平均速度计算公式为：vAB＝DAB/(TXB-TXA)，其中，DAB为钢琴琴键的位移。计算得到的平均速度和按压琴键的力度基本成单调线性关系，通过平均速度可以对力度等级进行估算。
由此可见，本发明通过对钢琴的琴键反射光亮度的分析，可以定量测得钢琴的琴键的位移大小，然后进一步计算出人敲击钢琴琴键的力度大小，因此对于黑色琴键和白色琴键都可以很好的完成检测。
值得一提的是，本发明不仅可以进行定量的检测，还可以进行定性的检测。本发明中的处理器还可以根据接收器件接收到的探测光线的光照参数，并将其与预设的阈值范围进行比较，当接收到的探测光线的光照参数超出阈值范围时判断钢琴琴键发生位移。如图5所示，系统在上电时，对每一个按键的检测值进行记录，设此值为初始检测值LXA，这个初始检测值代表着琴键在未被按下时的反射参数。根据一定的比例计算得到阈值LXC，该阈值LXC可以等于80％初始检测值LXA，当检测到检测值LXB低于此阈值时，即认为钢琴键被按下了。这种检测方式放弃了力度检测，但是因为简化了计算，使得检测更为迅速灵敏，降低了检测所需的硬件成本。另外，阈值范围可以是如上述实施例中的反射强度阈值范围，还可以是行走时间的阈值范围。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种钢琴琴键位移检测装置，其特征在于，包括用于放置在钢琴键盘上的安装支架，所述安装支架的下表面贴有柔性电路板；所述柔性电路板上设置有多个光学探测单元，所述光学探测单元位于琴键的正上方，用于检测钢琴琴键的位移。
2.根据权利要求1所述的钢琴琴键位移检测装置，其特征在于，所述光学探测单元包括发射器件、接收器件和处理器，所述发射器件用于向琴键发出探测光线，所述接收器件用于接收经过琴键反射的探测光线，所述处理器根据接收器件接收到的探测光线的特征得到钢琴琴键的位移。
3.根据权利要求2所述的钢琴琴键位移检测装置，其特征在于，所述处理器根据接收器件接收到的探测光线的光照参数，并结合预先保存的光照参数与位移的函数关系得到钢琴琴键的位移。
4.根据权利要求2所述的钢琴琴键位移检测装置，其特征在于，所述处理器根据接收器件接收到的探测光线的光照参数，并将其与预设的阈值范围进行比较，当接收到的探测光线的光照参数超出阈值范围时判断钢琴琴键发生位移。
5.根据权利要求2所述的钢琴琴键位移检测装置，其特征在于，所述处理器根据接收器件接收到的探测光线的波长和频率判断接收到的探测光线是否为发射器件发出的探测光线。
6.根据权利要求2所述的钢琴琴键位移检测装置，其特征在于，所述处理器还用于根据钢琴琴键的位移计算按键的平均速度，并根据按键平均速度与按键力度的线性关系，对按键力度进行估算。
7.根据权利要求6所述的钢琴琴键位移检测装置，其特征在于，所述按键的平均速度的计算方式为：，其中，为钢琴琴键的位移，为琴键被按下至最远距离的时间，为琴键刚被按下时的时间。
8.根据权利要求1所述的钢琴琴键位移检测装置，其特征在于，所述安装支架的下表面的形状与钢琴键盘的形状相配，放置在钢琴键盘上时能够与钢琴琴键的表面相贴合。
9.根据权利要求1所述的钢琴琴键位移检测装置，其特征在于，所述安装支架外套有底壳，所述柔性电路板位于安装支架和底壳之间；所述底壳上正对光学探测单元的位置设置有开口。
10.根据权利要求1所述的钢琴琴键位移检测装置，其特征在于，所述底壳的下表面设置有缓冲材料。
11.根据权利要求1所述的钢琴琴键位移检测装置，其特征在于，所述安装支架上表面设置有刚性电路板，所述刚性电路板上设置有多个指示灯，所述指示灯与光学探测单元一一对应连接，当所述光学探测单元检测出钢琴琴键存在位移时，所述指示灯发光。
12.根据权利要求1所述的钢琴琴键位移检测装置，其特征在于，所述安装支架两侧设置有连接件，所述连接件用于将安装支架与另一个安装支架相连。
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