CN107123334A - 一种智能钢琴学习机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能钢琴学习机及根据该智能钢琴学习机的控制方法，包括主板(1)，若干子板(2～5)，移动端APP(6)，与钢琴琴键对应设置的反射型光电传感器(7)与对射型光电传感器(11)，以及与钢琴琴键对应设置的灯条LED(9)；由移动端APP(6)进行控制决策，将决策信号发送至主板(1)；主板(1)设置为1块，子板(2～5)根据琴键数量设置若干块，主板(1)与子板(2～5)分别对应分配一定数量的琴键，用于采集对应琴键的状态信息，以及驱动对应琴键设置的灯条LED(9)。该智能学习机能够大大提高数据采集和响应决策的速度，与高性能移动端设备结合，控制精准，灵活可靠，解决了误报问题。

Description

一种智能钢琴学习机及其控制方法

技术领域

本发明涉及乐器装置技术领域，具体涉及一种智能钢琴学习机及根据该智能钢琴学习机的控制方法。

背景技术

基于声光电的智能钢琴教学和学习设备在乐器技术领域应用广泛。现有的钢琴智能学习练习设备，一种是嵌入钢琴，和钢琴一体化设置并出厂；另一种是独立于钢琴设备本身之外，属于钢琴的附件。与钢琴一体化设置的钢琴智能学习设备，专用于特定的钢琴进行配套、匹配和测试，与特定钢琴的配合性及控制的准确性都较好，但不能应用于其他品牌型号的钢琴设备；作为独立附件的钢琴智能学习设备，其通用性较好，能够安装适用于多种品牌型号的钢琴，应用灵活，节约成本，然而，虽然大多数型号品牌的钢琴都有通用的尺寸标准，但其键位设置、样式、结构总是存在些许差异，导致智能钢琴学习机作为附件安装使用时，人眼、人手由于光信号提示位置偏差，将导致响应准确性下降，从而影响智能钢琴学习机控制的精准性。如何缓和智能钢琴学习机通用性和控制精准性的矛盾，成为不易被察觉，且影响学习机技术效果的亟待解决的问题之一。

同时，现有的智能钢琴教学和学习设备，在工作过程中采用传感器对琴键位置状态进行监测，用来监测判断琴键是否被正确的弹奏，然后将琴键状态信息传送给控制单元上位机进行决策。然而，在操作实践中，现有的钢琴智能教学设备容易发生提示误报的情况。深入分析原因，发现在钢琴的演奏中，指法速度有时要求非常快，乐谱的间隙有时非常短，多个键位信息会形成高速的变化态势。这样，多个串列的钢琴键位信息就需要被同时采集传输，而且需要同时进行判断、决策处理，驱动LED点亮或熄灭。这样，控制单元上位机对传感信号的解耦和分析有时容易产生滞后延迟，甚至导致主控单元产生错误驱动、决策信息，形成LED提示信息的误报。因此，上述缺陷将将影响智能钢琴学习机的操作控制效果，也是亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的上述不足，提供一种通用的、控制精准、响应迅速可靠的智能钢琴学习机，以及该智能钢琴学习机的控制方法。

本发明采用上位机向LED灯条发送曲谱所显示需要弹奏按键的信息，根据信息点亮灯条所对应的LED指示灯，按下相应琴键，通过灯条的红外传感器捕捉琴键运动状态并将信息上传至上位机以完成跟灯弹奏。

为了防止钢琴高速变化的琴键状态信息的采集分析出现误报，本发明首先采用多个控制芯片作为分布式并行采集及驱动控制子单元，用多个硬件的高速响应特性弥补、克服单一硬件、仅通过软件实现采集分析、驱动控制时速度缓慢的缺陷。同时，用移动端APP代替传统单片机控制单元作为决策控制单元，充分利用移动端设备强大的软硬件处理性能，此外移动端APP在乐曲曲谱管理，人机交互以及设备通用性上具有显著优势。这样，通过分布式的主板和子板的采集驱动控制功能，以及移动端APP的结合设置，提高了智能钢琴学习机的控制精准性，解决了误报问题。

本发明提供一种智能钢琴学习机，包括：主板(1)，对应部分钢琴按键，多个子板(2～5)，对应另一部分钢琴按键；灯条LED(9)，其与钢琴琴键对应设置；反射型光电传感器(7)与对射型光电传感器(8)，其分别采集并发送钢琴琴键传感信号至该按键对应的主板(1)或子板(2～5)，若子板获得传感信信号，则子板(2～5)与主板(1)间进行通信，将从对应钢琴琴键传感信号获取的琴键状态信息发送至主板(1)；移动端APP(6)，与主板(1)获取各琴键状态信息通信；其中，主板(1)驱动琴键所对应设置的灯条LED(9)，同时主板(1)与子板(2～5)进行通信，由子板(2～5)驱动琴键所对应设置的灯条LED(9)；主板(1)与子板(2～5)分别对应分配一定数量的琴键，用于采集对应琴键的状态信息，以及驱动对应琴键设置的灯条LED(9)。

优选的，所述子板设置为4块；所述主板(1)分配3琴键，(2～4)块子板分配24个琴键，(5)子板分配13个琴键；所述移动端设备为PAD或Phone，通过USB与主板进行通信。

优选的，主板由STM32F301C8作为主控芯片，通过两种红外光电传感器进行信号采集来判别是否有琴键按下，同时还要与子板通过UART进行通信，把所有琴键状态发送到移动端APP，根据所述移动端APP发来的数据通过GPIO口输出高低电平来点亮对应琴键的灯条LED；子板由STM32F030C8作为控制芯片,通过两种红外光电传感器进行信号采集来判别是否有琴键按下，同时还要与主板通过UART进行通信，把所有琴键状态通过UART发送到主板，通过主板的命令使GPIO口输出高低电平来点亮对应琴键的灯条LED。

优选的，钢琴琴键黑键的检测主要是通过对射型光电传感器实现，对射型光电传感器为IR908-7和PT908-7C的组合；白键的检测主要是通过反射型光电传感器实现，反射型光电传感器为红外漫反射型光电传感器ITR20001/T。

该智能钢琴学习机，通过圆形LED指示灯提示用户平板设备APP端琴谱所对应弹奏的琴键，采用一条长金属氧化外观支架横穿整个灯条。此外，本发明还提供一种基于该智能钢琴学习机的控制方法，包括如下步骤：

(1)移动端APP根据乐谱信息，向主板发送LED灯点亮序列信号；

(2)主板根据LED灯点亮序列信号，通过GPIO接口驱动主板对应LED灯，同时与子板进行通信，将所述序列信号传输至子板；

(3)子板根据接收的LED灯点亮序列信号，通过GPIO接口驱动子板对应的LED；

(4)按下琴键，红外光电传感器捕捉到琴键黑键或白键被按下的传感信号，将所述捕捉到的传感信号发送至对应的主板或子板；

(5)主板根据传感信号判断对应琴键状态信息；子板根据传感信号判断对应琴键状态信息，将琴键状态信息通过UART传输至主板；

(6)主板根据各琴键状态信息，判断用户弹奏是否正确；若不正确，则LED继续保持点亮；若正确，则对应琴键LED指示灯熄灭，

(7)主板将步骤(6)的判断结果发送至移动端APPP，移动端APP进行决策，若用户弹奏不正确，保持乐曲曲谱不动；若用户弹奏正确，则执行步骤(1)，发送下一组LED灯点亮序列信号，用以通过LED点亮显示下一组曲谱所对应弹奏的琴键。

本发明的技术效果如下：

1、本发明的智能钢琴学习机，并行设置主板和多个子板的控制结构，能够大大提高系统数据采集和响应决策的速度，与高性能移动端设备结合，控制精准，灵活可靠，解决了误报问题。灯条上电即进入自检模式，此时LED灯全部点亮，主板、子板的单片机AD控制器分别开始采集琴键信息，通过单片机内部算法处理得到一个稳定的标定阈值，然后熄灭对应的LED灯。注意在这个过程中不能按下琴键或者移动灯条，否则会使阈值不准确。自检结束后灯条上亮灯为红蓝色的LED表示当前板子的ID号值。自检结束后，如果不连接APP，此时如果有按下琴键，则对应的LED灯会点亮。如果连接到APP，此时按键就不在亮灯，而是按照APP的指令来亮灯。

2、产品品设计可兼容各种不同的88键键盘乐器(包括不同品牌的电钢琴、原声钢琴或MIDI键盘)

附图说明

图1是本发明的智能钢琴学习机的硬件总体框图；

图2是本发明的主板硬件框图；

图3是本发明的子板硬件框图；

图4是本发明的灯条安装结构图。

具体实施方式

实施例1

本发明的智能钢琴学习机硬件总体框图如附图1所示，该智能钢琴学习机适用通用88键键盘乐器，包括主板1，若干子板2～5，移动端APP 6，与钢琴琴键数量相等的反射型光电传感器7，对射型光电传感器8，以及灯条LED9，该灯条LED优选为高亮双色LED。

其中，主板1和子板2～5间通过UART串口进行通信，各子板间UART接口通过二极管进行隔离，避免干扰，主板和移动端APP6中的应用程式通过USB进行通信，反射型光电传感器7信号通过单片机GPIO进行AD采集，对射型光电传感器8信号通过单片机GPIO接口进行输入捕获，将两种光电传感器采集的钢琴琴键传感信息传输至主板1和子板2～8；主板1接收上述传感器信息，以及子板2～5的信息，判断琴键状态信息，与APP移动端设备6通信，APP移动端设备6根据乐谱信息和琴键状态信息进行决策，将决策信号发送至主板1，最后主板1驱动所对应LED灯，同时，主板1与子板2～5进行通信，由子板2～5驱动对应LED灯。

在实际应用中，主板1可设置为1块，子板2～5可设置为4块，通用88键盘钢琴的键盘的信号采集端口以及对应高亮双色LED驱动端口，可以根据情况分配给主板1和子板2～5。例如，每块主板或子板分配11个按键。

主板1硬件框图如图2所示，主板是由STM32F301C8作为主控芯片，通过两种红外光电传感器进行信号采集来判别是否有琴键按下，同时还要与子板进行通信，把所有琴键状态通过USB发送到移动端APP6应用程序，通过移动端设备6发来的数据通过GPIO口输出高低电平来点亮对应琴键的LED。

子板硬件框图如图3所示，子板是由STM32F030C8作为控制芯片,通过两种红外光电传感器进行信号采集来判别是否有琴键按下，同时还要与主板1通过UART进行通信，把所有琴键状态通过UART发送到主板，通过主板1的命令使GPIO口输出高低电平来点亮对应琴键的LED。

移动端APP6为PAD或Phone等。移动端APP6通过USB与主板1进行通信，获取钢琴键盘状态信息，判断琴键状态，进行决策控制。

钢琴黑键和白键的状态检测信息由红外光电传感器7，8获取。黑键的检测主要是通过IR908-7和PT908-7C组合来实现。IR908-7C是940nm峰值波长的红外发射二极管，PT908-7C是一个PNP型光敏三极管，红外发射管发出的红外光线可控制光敏三极管的感应的光电流，通过串联在PNP三极管上的电阻来改变其电压降，以期作为高低电位0和1的变化，可利用此来作为光电感应开关。把此输出信号接到单片机的GPIO口，同时把GPIO设置为输入模式，来检测此信号进而判别黑键是否被按下。

a)当黑键被按下时，即有光线通过时，光敏管感应到红外光，产生光电流Ic，此时Vout为低电位；

b)当黑键没有被按下时，即遮断住发射管的光线，光敏管几乎感应不到红外光，只是很小的暗电流(一般为0.1uA)，此时Vout为高电位。

白键的检测主要是通过红外漫反射型光电传感器ITR20001/T，TR20001/T传感器是一种集发射与接收于一体的光电传感器，主要用于黑白线检测。这款黑白线传感器受可见光干扰小，输出信号为开关量，信号处理简单，使用非常方便。此模块不需外部电路，我们加入一个10K和100欧姆的上拉电阻便可使其工作正常。

a)当白键按下时，此时光线不完全反射到接收器，Vout输出为较高电压值；

b)当白键没有按下时，此时光线可以完全反射到接收器，Vout输出为较低电压值。

然后通过主板或子板单片机进行AD采集，通过多次测量，算出阈值，然后根据阈值判断是否有白键按下。

实施例2

本发明的智能钢琴学习机的实施例2的硬件框图与实施例1相同。在此基础上，其LED灯条结构如图4所示，通过圆形LED指示灯提示用户平板设备APP端琴谱所对应弹奏的琴键，其LED灯条宽度足够小，放置在乐器上不影响正常弹奏；采用一条长金属氧化外观支架横穿整个灯条，在保证整个灯条的形状不易发生形变，避免放置琴键时每个按键应力不均匀；金属条上覆盖PVC面板，增加外观的整体性以及美观程度，保证透光度的同时增强了金属表面所不能达到的细腻。其相对现有技术的改进在于。这样，灯条上LED灯位置可以根据不同型号品牌钢琴的琴键位置进行弹性调整或者伸缩调整，或者简单更换不同尺寸的金属氧化物支架即可调整LED灯的位置。锯齿状卡槽用于放置红外传感器，且能与琴键很好的契合。

实施例3

本发明的智能钢琴学习机的实施例3的硬件框图与实施例1相同，灯条结构与实施例2相同。在此基础上，提供一种根据智能钢琴学习机的控制方法，包括如下步骤：

(1)移动端APP 6根据乐谱信息，向主板1发送LED灯点亮序列信号；

(2)主板1根据LED灯点亮序列信号，通过GPIO接口驱动主板对应LED灯，同时与子板2～5进行通信，将所述序列信号传输至子板2～5；

(3)子板根据接收的LED灯点亮序列信号，通过GPIO接口驱动子板对应的LED；

(4)按下琴键，红外光电传感器捕捉到琴键黑键或白键被按下的传感信号，将所述捕捉到的传感信号发送至对应的主板1或子板2～5；

(5)主板根据传感信号判断对应琴键状态信息；子板根据传感信号判断对应琴键状态信息，将琴键状态信息通过UART传输至主板；

(6)主板根据各琴键状态信息，判断用户弹奏是否正确；若不正确，则LED继续保持点亮；若正确，则对应琴键LED指示灯熄灭，

(7)主板将步骤(6)的判断结果发送至移动端APP，移动端APP进行决策，若用户弹奏不正确，保持乐曲曲谱不动；若用户弹奏正确，则执行步骤(1)，发送下一组LED灯点亮序列信号，用以通过LED点亮显示下一组曲谱所对应弹奏的琴键。

本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。

Claims (8)

1.一种智能钢琴学习机，其特征在于包括：

主板(1)，对应部分钢琴按键；

多个子板(2～5)，对应另一部分钢琴按键；

灯条LED(9)，其与钢琴琴键对应设置；

反射型光电传感器(7)与对射型光电传感器(8)，其分别采集并发送钢琴琴键传感信号至该按键对应的主板(1)或子板(2～5)，若子板获得传感信信号，则子板(2～5)与主板(1)间进行通信，将从对应钢琴琴键传感信号获取的琴键状态信息发送至主板(1)；

移动端APP(6)，与主板(1)获取各琴键状态信息通信；

其中，主板(1)驱动琴键所对应设置的灯条LED(9)，同时主板(1)与子板(2～5)进行通信，由子板(2～5)驱动琴键所对应设置的灯条LED(9)；

主板(1)与子板(2～5)分别对应分配一定数量的琴键，用于采集对应琴键的状态信息，以及驱动对应琴键设置的灯条LED(9)。

2.如权利要求1所述的智能钢琴学习机，所述子板(2～5)设置为7块。

3.如权利要求1所述的智能钢琴学习机，所述主板(1)及每块子板(2～5)分配11个琴键。

4.如权利要求1所述的智能钢琴学习机，所述主板(1)通过所述反射型光电传感器(7)与对射型光电传感器(8)进行信号采集来判别是否有琴键按下，同时还要与子板(2～5)通过UART进行通信，把所有琴键状态发送到移动端APP(6)，根据所述移动端APP(6)发来的数据通过GPIO口输出高低电平来点亮对应琴键的灯条LED(9)。

5.如权利要求1所述的智能钢琴学习机，所述子板(2～5)通过所述反射型光电传感器(7)与对射型光电传感器(8)进行信号采集来判别是否有琴键按下，同时还要与主板(1)通过UART进行通信，把所有琴键状态通过UART发送到主板(1)，通过主板(1)的命令使GPIO口输出高低电平来点亮对应琴键的灯条LED(9)。

6.如权利要求1所述的智能钢琴学习机，所述APP移动端设备(6)为平板电脑或智能手机，通过数据线与主板(1)进行通信。

7.如权利要求1所述的智能钢琴学习机，还包括一条长金属氧化物支架其横穿整个灯条，所属金属氧化物支架被设置为具有刚性，通过刚性金属氧化物支架，调整灯条LED(9)在钢琴上的位置。

8.一种根据权利要求1－7所述的智能钢琴学习机的控制方法，包括如下步骤：

(a)移动端APP(6)根据乐谱信息，向主板(1)发送LED灯点亮序列信号；

(b)主板1根据LED灯点亮序列信号，通过GPIO接口驱动主板对应LED灯，同时与子板(2～5)进行通信，将所述序列信号传输至子板2～5；

(c)子板根据接收的LED灯点亮序列信号，通过GPIO接口驱动子板对应的LED；

(d)按下琴键，红外光电传感器捕捉到琴键黑键或白键被按下的传感信号，将所述捕捉到的传感信号发送至对应的主板(1)或子板(2～5)；

(e)主板(1)根据传感信号判断对应琴键状态信息；子板(2～5)根据传感信号判断对应琴键状态信息，将琴键状态信息通过UART传输至主板(1)；

(f)主板(1)根据各琴键状态信息，判断用户弹奏是否正确；若不正确，则LED继续保持点亮；若正确，则对应琴键LED指示灯熄灭，

(g)主板将步骤(f)的判断结果发送至APP移动端设备(6)，APP移动端设备(6)进行决策，若用户弹奏不正确，保持乐曲曲谱不动；若用户弹奏正确，则执行步骤(a)，发送下一组LED灯点亮序列信号，用以通过LED点亮显示下一组曲谱所对应弹奏的琴键。