CN108694932B - 一种能与音乐同步动作的趣味乐队音乐盒及实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能与音乐同步动作的趣味乐队音乐盒及实现方法，音乐盒包括乐队指挥棒、卡通乐手以及音乐盒本体；所述音乐盒本体内部设有供电模块、控制器、舞台灯电路、电磁驱动电路、MP3模块以及按键电路；所述音乐指挥棒外部结构包括激光器孔和电源开关，内部设有编码器、驱动器和激光器，所述编码器、驱动器、激光器顺序连接；所述卡通乐手头部开有一光检测孔，光检测孔内设置一光敏电阻，中部有一卡槽，所述卡槽用于将对应的乐器卡在卡槽中。本发明基于检测孔内光敏电阻测得的光照度的变化率，识别出手动设置状态下对每个卡通乐手的乐器随音乐或歌曲中乐器的出现同步动作，解决了音乐盒的乐器与播放音乐不同步的问题。

Description

一种能与音乐同步动作的趣味乐队音乐盒及实现方法
技术领域
本发明属于音乐玩具的技术领域，涉及一种能与音乐同步动作的趣味乐队音乐盒及实现方法。
背景技术
儿童音乐盒是目前比较流行的早教玩具，受到越来越多的家长的喜欢，但是如何选择合适的音乐盒是各位家长碰到的问题，虽然当前的音乐盒种类繁多，但是当前已有的音乐盒普遍存在以下问题：
1、音乐曲目固定，不能根据儿童的不同年龄段选取不同的音乐；
2、不能播放立体声音乐或歌曲；
3、卡通乐手是固定动作，且只能与固定音乐曲目同步，动作幅度和频率不能随音乐的变化发生改变；
4、卡通乐手的乐器固定，不能根据音乐中的乐器随机更换；
5、没有乐队同步指挥功能和对任何音乐的同步动作功能；
6、没有随音乐的变化的舞台彩色灯光、活动背景画和幕布。
所以，如何开发一款能与音乐同步动作的趣味乐队音乐盒是本领域技术人员的研究的方向之一。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种能与音乐同步动作的趣味乐队音乐盒及实现方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种能与音乐同步动作的趣味乐队音乐盒，包括乐队指挥棒、卡通乐手以及音乐盒本体；
所述音乐盒本体包括底座和上盖，所述底座上设有圆形音孔和控制面板，所述上盖上设有舞台灯、活动背景画、以及幕布；所述底座上设有多个卡通乐手席，每个卡通乐手席上设置一卡通乐手；所述音乐盒本体内部还设有供电模块、控制器、舞台灯电路、电磁驱动电路、MP3模块以及按键电路；所述供电模块、舞台灯电路、电磁驱动电路、MP3模块、按键电路均与控制器连接；
所述音乐指挥棒外部结构包括激光器孔和电源开关，内部设有编码器、驱动器和激光器，所述编码器、驱动器、激光器顺序连接；电源开关用于控制激光器的通断；激光器用于产生编码激光，防止其它激光器照射音乐盒时产生误动作，当激光器产生的激光指向某个卡通乐手时，该卡通乐手动作，再次指向该卡通乐手时则停止动作；
所述卡通乐手头部开有一光检测孔，光检测孔内设置一光敏电阻，中部有一卡槽，所述卡槽用于将对应的乐器卡在卡槽中，根据音乐的不同，给卡通乐手挂上不同的乐器；卡通乐手的底部设有铁磁性金属片，用于增强电磁线圈通电时对卡通乐手的吸合力；卡通乐手的底部设有两个与定位杆匹配的两个定位孔，每个孔洞内装有金属弹簧，当卡通乐手放入音乐盒席槽上对应的金属定位杆时，金属弹簧的一端与金属定位杆套接，另一端与头部上的光敏电阻通过导线连接在一起；当控制器控制卡通乐手的底座下部的电磁线圈电流的通、断时，产生吸合、断开的过程，在孔洞内的弹簧作用下，使卡通乐手沿定位杆作上下的往复移动。
作为优选的技术方案，所述供电模块包括供电模块和+9V接口，+9V接口用于外接+9V直流电源，可通过接外接直流电源线接入；供电模块用于将+9V接口送入的+9V直流电压转换为+5V直流电压，为整机电路供电；
所述控制器，用于识别和控制音乐盒的各种工作状态，并控制MP3模块的工作，控制器利用按键电路通过一线串口控制MP3模块同步播放出SD卡上的MP3格式的音乐文件，并对每个卡通乐手对应的光照度进行数据采集，识别出是手动控制还是音乐指挥棒发出的激光编码，记录下每个卡通乐手相对于音乐文件动作的时间段，同时，在播放音乐文件时，将当前播放音乐信号送入控制器的A/D端进行声音数据采集和快速傅立叶变换计算后，自动识别出播放音乐的频率高低分量、幅度分量、频率范围，控制舞台灯音乐按不同的节拍范围和频率范围显示不同的色彩和亮度；
所述舞台灯电路包括LED驱动电路和舞台灯，舞台灯电路是在控制器的6路PWM控制下产生不同的色彩和亮度，LED驱动电路与控制器的6路PWM端连接，在控制器的控制下产生频率不同、脉冲占空比不同的驱动电压送到舞台灯的LED对应管脚上；
所述电磁驱动电路包括驱动电路和电磁线圈，电磁驱动电路在控制器的控制下，将不同频率、不同脉冲占空比的信号送入电磁线圈，产生不同频率、不同吸合力的磁力，吸合卡通乐手在金属定位杆上按不同频率和幅度上下移动，驱动电路与控制器的IO端口接连；电磁线圈是将漆包线以两个金属定位杆为中心绕制而成，以增强线圈接通电流后产生的磁力；
所述MP3模块用于将存储SD卡上的MP3格式文件解码，该模块通过一线串口端与控制器连接，并在+按键、-按键、快退按键、快进按键、音量增、音量减按键的控制下对MP3格式文件进行播放；同时，MP3模块扬声器的输出端接入到控制器的一个DAC通道，实现对当前播放音乐信号进行声音数据采集。
作为优选的技术方案，所述控制器选用stc15w4k56s4型单片机，其中，7个通道10位高速ADC接入到7个卡通乐手的光照度进行数据采集，1个通道10位高速ADC接入到MP3当前播放音乐信号进行声音数据采集；
舞台灯由控制器的6路PWM端通过LED驱动电路控制其色彩和亮度。
作为优选的技术方案，所述圆形音孔为两个，两个圆形音孔内部分别装有左声道和右声道扬声器，圆形音孔用于将扬声器的声音传出到音乐盒外。
作为优选的技术方案，所述按键电路包括：带有LED灯的设置按键、带有LED灯的开关按键、+按键、-按键、快进按键、快退按键、音量增以及音量减按键。
作为优选的技术方案，所述卡通乐手席包括席槽和金属定位杆，所述席槽用于与卡通乐手的底座卡接，每个席槽的底部装有用于吸合一个卡通乐手的电磁线圈；定位杆由两个金属杆组成，一方面用于将卡通乐手定位与在定位杆进行上下移动，另一方面用于将卡通乐手头部安装的光敏电阻与盒内的控制器实现电路连接。
作为优选的技术方案，所述舞台灯电路由三个RGB LED发光二极管组成，在控制器的控制下，可根据音乐的节奏和音量的大小，变换出不同色彩，模拟出舞台的灯光效果；
所述活动背景画用于根据不同的音乐配在舞台上的相应图画，以增强舞台的情景效果；所述幕布用于配合舞台灯产生不同的背景光和色，以增强舞台的色彩效果。
本发明还提供了一种能与音乐同步动作的趣味乐队音乐盒的实现方法，包括下述步骤：
S1、音乐播放状态；
音乐播放状态即乐队音乐盒作为MP3音乐播放器的工作状态，其状态的检测与识别方法是：当控制器识别出带灯开关按键为开时，进入音乐播放状态，控制器通过一线串口调用存储在SD卡上的第一个曲目开始顺序播放MP3音乐文件；同时，控制器监测按键电路中是否有按键按下，如有，控制器则响应对应按键功能，通过一线串口控制MP3模块执行对应的按键操作；
S2、手动设置状态；
手动设置状态即乐队音乐盒通过儿童的家长根据音乐中乐器出现的时间和位置，对乐队音乐盒上的每个卡通乐手动作进行人工设置的状态；其状态的检测与识别方法是：当控制器识别出带灯设置按键为开时，并检测出某个卡通乐手对应的光照度值变小一定时间T后，确定为该卡通乐手头部检测孔处为家长用手将其盖住了T时间，即为一次手动遮挡，则进入手动设置状态；当大于T时间后，该卡通乐手在控制器控制下开始做上下动作，直到家长再次用手将该卡通乐手头部检测孔处盖住了T时间，即为二次手动遮挡，该卡通乐手在控制器控制下停止做上下动作；
S3、编码设置状态；
编码设置状态即乐队音乐盒根据儿童用乐队指挥棒指定的卡通乐手，对乐队音乐盒上的每个卡通乐手动作进行时间和位置设置的状态；其状态的检测与识别方法是：当控制器识别出带灯设置按键为开时，并检测出某个卡通乐手对应的光照度数据变化率与控制器内设定的编码一致时，确定为该卡通乐手头部检测孔处接收到儿童用乐队指挥棒上的编码激光斑点照射，光敏电阻接收的光照度数据变化率即为编码信号，即为接收到了一次激光编码，则进入编码设置状态；该卡通乐手在控制器控制下开始做上下动作，直到儿童再次用乐队指挥棒发出的编码激光斑点照射到该卡通乐手头部检测孔，即为接收到了二次激光编码，该卡通乐手在控制器控制下停止做上下动作；
S4、舞台效果控制状态；
舞台效果控制状态即在播放状态的同时，对当前播放的音乐进行频率和节拍的识别，驱动卡通乐手手按节拍动作和舞台灯按音乐频率和节拍产生不同彩色和亮度的变化；其状态的检测与识别方法是：当控制器识别出带灯开关按键为开，带灯设置开关按键为关时，音乐盒进入播放状态后则进入舞台效果控制状态，控制器的ADC端口与MP3模块扬声器输出端连接，对播放音乐进行数据采集，并对采集的数据进行快速傅立叶变换运算，计算出当前音乐的频率分量，存储到存储器中；根据低频段每次出现的某个频率分量的时间可计算出该曲目的节拍；根据节拍，控制器调用卡通乐手动作的起始和停止时间、对应曲目编号和对应曲目播放时间数据，驱动每个卡通乐手按该曲目的节拍做上下动作；根据频率范围和节拍，控制器产生不同宽度的六通道PWM波形，控制和驱动RGB LED灯，使其按频率高中低的不同及节拍的快慢进行色彩和亮度变化。
作为优选的技术方案，在步骤S2中，对应卡通乐手动作的起始和停止时间、对应曲目编号和对应曲目播放时间存储到控制器的存储器中，当控制器识别出带灯设置按键为关，即音乐盒进入音乐播放状态时，每到播放到该曲目的某个时间段出现某种乐器声时，对应的手持对应乐器的卡通乐手做上下动作，实现曲目音乐内的乐器出现的时间和位置与手持乐器的卡通乐手的动作同步出现，培养儿童对不同乐器声音的分辨能力。
作为优选的技术方案，对应卡通乐手动作的起始和停止时间、对应曲目编号和对应曲目播放时间存储到控制器的存储器中，当控制器识别出带灯设置按键为关，即音乐盒进入音乐播放状态时，每到播放到该曲目的某个时间段出现某种乐器声时，对应的手持对应乐器的卡通乐手做上下动作，实现验证儿童使用乐队指挥棒是否与曲目音乐内的乐器出现的时间和位置一致，并可以重新进入编码设置状态，进行多次修正，培训儿童对音乐和各种乐器的理解能力；
在编码设置状态下，可一次对多个卡通乐手的动作时间和位置进行设置，即只需要用乐队指挥棒发出的激光斑点照射多个需要动作的卡通乐手头部的光检测孔即可；当需要停止某个卡通乐手的动作时，只需用用乐队指挥棒发出的激光斑点再次照射卡通乐手头部的光检测孔。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明中创新设计的乐队音乐盒可播放任何MP3格式的立体声音乐或歌曲，可根据儿童的不同年龄段选取和方便更换不同的音乐。
2、本发明基于检测孔内光敏电阻测得的光照度的变化率，识别出手动设置状态下对每个卡通乐手的乐器随音乐或歌曲中乐器的出现同步动作，解决了音乐盒的乐器与播放音乐不同步的问题。
3、本发明基于激光编码技术创新设计出乐队指挥棒，可以以非接触方式指挥每个卡通乐手动作起、止时间，增强与使用者的智能互动。
4、本发明通过TTF算法解算出音乐或曲目的频率范围和音乐节拍，控制每个卡通乐手按音乐节拍动作、RGB LED灯光按频率高中低的不同及节拍的快慢进行色彩和亮度变化。
附图说明
图1是本发明音乐盒本体的结构示意图；
图2是本发明音乐盒本体正面的结构示意图；
图3是本发明音乐盒本体的侧面结构示意图；
图4是本发明卡通乐手席的结构示意图；
图5(a)是本发明卡通乐手的正面结构示意图；
图5(b)是本发明卡通乐手的反面结构示意图；
图6是本发明音乐指挥棒结构示意图；
图7是本发明的电路原理组成图；
图8是本发明的方法流程图；
图9是本发明的手动设置状态识别示意图；
图10是本发明编码设置状态识别示意图。
附图标号说明：1、音乐盒本体；2、乐队指挥棒；3、卡通乐手；4、圆形音孔；5、控制面板；7、左声道扬声器；8、右声道扬声器；9、带灯开关按键；10、带灯设置按键；11、SD卡接口；12、+按键；13、-按键；14、快进按键；15、快退按键；16、音量增按键；17、音量减按键；18、9V电源接口；19、席槽；20、定位杆；21、电磁线圈；22、舞台灯；23、活动背景画；24、幕布；25、光检测孔；26、铁磁性金属片；27、定位孔；28、金属弹簧；29、激光器孔；30、电源开关。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本实施例一种能与音乐同步动作的趣味乐队音乐盒，由音乐盒本体1、乐队指挥棒2、卡通乐手3三个部分组成；本发明可根据音乐或歌曲的需要将卡通乐手放置在卡通乐手席上，如卡通乐手放置在最前的位置席上，吉他声音在右侧，吉他卡通乐手放置在右侧某个席位上，使乐队的位置与音乐盒内播放的音乐或歌曲现场一致，可培养儿童的听力和对不同乐器的分辨力。
如图1所示所述音乐盒本体包括底座和上盖，底座上设有圆形音孔，4、控制面板5，卡通乐手2设置在底座上，所述上盖上设有舞台灯3个；
(1)圆形音孔
音乐盒本体正面示意图如图2所示，音乐盒体本体正面有两个多孔状的圆形音孔4，圆形音孔内部分别装有左声道扬声器7和右声道扬声器8，圆形音孔用于将扬声器的声音传出到音乐盒外。
(2)控制面板
音乐盒侧面示意图如图3所示，控制面板5安放在音乐盒体本体的右侧，上面分别有：
带灯开关按键9，用于控制和指示电源的通断，按下带灯开关按键，开关键上的红色LED灯亮，电源处于接通状态；再按一下，开关按键上的红色LED灯灭，电源处于断开状态；
带灯设置按键10，用于设置卡通乐手随音乐或歌曲中乐器的出现同步动作。按下带灯设置按键，设置按键上的绿色LED灯亮，电路处于设置状态，可以通过音乐指挥棒发出的编码激光或人的手指对卡通乐手上检测孔的遮挡，控制卡通乐手的动与不动；再按一下，设置按键上的绿色LED灯灭，电路处于播放状态，可以播放和显示出随音乐和乐器做同步动作的乐队情景。
SD卡接口11，用于插入和取出SD卡；
+按键12、-按键13，用于选取当前音乐曲目的下一个、上一个音乐文件播放；
快进按键14、快退按键15，用于连续选取当前音乐曲目的下一个、上一个音乐文件播放；
音量增按键16、音量减按键17，用于选取当前音乐曲目的音量大小，连续按音量增按键(箭头向上)，音乐音量增加，连续按音量减按键(箭头向下)，音乐音量减小。
9V电源接口18，用于将外接+9V直流电源接入音乐盒电路中。
(3)卡通乐手席
卡通乐手席结构示意图如图4所示，卡通乐手席由席槽19和金属定位杆20组成。席槽19用于与卡通乐手的底座卡接，每个席槽的底部装有用与吸合一个卡通乐手的电磁线圈21；定位杆20由两个金属杆组成，其作用有二，一是用于将卡通乐手定位与在定位杆进行上下移动，二是定位金属杆用于将卡通乐手头部安装的光敏电阻与盒内的控制器实现电路连接。
(4)舞台灯
舞台灯22由三个RGB LED发光二极管组成，在控制器的控制下，可根据音乐的节奏和音量的大小，变换出不同色彩，模拟出舞台的灯光效果。
(5)活动背景画和幕布
活动背景画23用于根据不同的音乐配在舞台上的相应图画，以增强舞台的情景效果，培养儿童的画面感；幕布24的作用是用于配合舞台灯产生不同的背景光和色，以增强舞台的色彩效果，培养儿童的层次感。
如图5(a)、图5(b)所示，卡通乐手头部开有一个光检测孔25，孔内装了一个光敏电阻，中部有一卡槽，用于将对应的乐器卡在卡槽中，可根据音乐的不同，给卡通乐手挂上不同的乐器；卡通乐手的底部装有铁磁性金属片26，用于增强电磁线圈通电时对卡通乐手的吸合力；卡通乐手的底部有两个与定位杆匹配的两个定位孔27，每个孔洞内装有金属弹簧28，当卡通乐手放入音乐盒席槽上对应的金属定位杆时，金属弹簧的一端与金属定位杆套接，另一端与头部上的光敏电阻通过导线连接在一起；当控制器控制卡通乐手的底座下部的电磁线圈电流的通、断时，吸合、断开的过程，在孔洞内的弹簧作用下，使卡通乐手沿定位杆作上下的往复移动；
在乐队指挥棒内部电路组成如图7所示，由开关，电池，编码器，激光器组成。乐队指挥棒用于产生特定编码激光束，编码激光束从激光器孔发出，当编码激光信号束照射到卡通乐手头部的光检测孔时，声乐盒接收编码激光束到控制器中解码，确认为乐队指挥棒发出的编码信号后，控制对应的卡通乐手动作。
(1)开关；
开关安装在乐队指挥棒的根部，用于控制编码激光束的发射，选用拨动式开关，向前推为开，向后推为关。
(2)电池；
电池安装在乐队指挥棒的后部，用于给乐队指挥棒提供电能，选用两块1.5V的扣式电池串联，在开关的控制下给其供电。
(3)编码器
编码器用于产生特定的激光调制脉冲波形，可任意设置激光调制脉冲波形的频率和占空比。编码的目的是防止其它光线或激光器产生的光束照射到卡通乐手上，产生误动。选用NE555型集成电路实现激光调制脉冲波形的频率和占空比的设置。
(4)驱动器；
驱动器用于驱动激光器产生红色激光束。选用EL7516型升压芯片实现。其中，EL7516型升压芯片将2.7～5.5V输入转化成12V的恒定电压，以驱动激光器工作，用于控制驱动器的通断的3管脚与编码器连接，产生与调制脉冲波形一致的驱动电压输出。
(5)激光器；
激光器用于在驱动器的驱动下产生红色激光束。选用12V供电3.8MM激光模组，激光器模组前的透镜选用扩束透镜，以增大激光器发出的激光斑点，方便使用者容易指向或扫过卡通乐手的头部。
如图7所示，所述卡通乐手由光敏电阻、金属弹簧和金属片组成。
(1)光敏电阻；
光敏电阻用于接收通过光检测孔过来的编码激光束和当前环境光线，形成光照度信号，并通过金属弹簧和金属定位杆将光照度信号传送到控制器上。选用环氧树脂封装光敏电阻按陶瓷基板直径为
Figure BDA0001687767090000091
型号为GL3537-1型光敏电阻。
(2)金属弹簧；
金属弹簧安装在卡通乐手的底部两个与定位杆匹配的两个孔洞内，用于卡通乐手的底座下部的电磁线圈电流的通、断时，在金属弹簧作用下，使卡通乐手沿定位杆作上下的往复移动。金属弹簧的底端与金属定位杆套接，以确保与定位杆的导电性，另一端与头部上的光敏电阻通过导线连接在一起。
(3)金属片；
金属片安装在卡通乐手的底部，用于增强电磁线圈通电时对卡通乐手的吸合力。
音乐盒内部电路组成方框图如图7所示，包括：电路由+9V接口，供电模块，SD卡座，MP3模块，左、右扬声器，带灯设置按键，带灯开关按键，+、-按键，快退、快进按键，音量增、减按键，LED驱动器，RGB LED，控制器，驱动电路，电磁线圈，金属定位杆组成。
(1)电源供电电路；
电源供电电路包括供电模块和+9V接口。+9V接口用于外接+9V直流电源，可通过接外接直流电源线接入；供电模块用于将+9V接口送入的+9V直流电压转换为+5V直流电压，为整机电路供电，选用7805型三端稳压集成电路。
(2)控制器；
控制器用于识别和控制音乐盒的各种工作状态和控制MP3模块的全部工作。控制器的作用是用+、-按键，快退、快进按键，音量增、减按键，通过一线串口控制MP3模块同步播放出SD卡上的对应页面上的MP3格式的配音文件，并对每个卡通乐手对应的光照度进行数据采集，识别出是手动控制还是音乐指挥棒发出的激光编码，记录下每个卡通乐手相对于音乐文件动作的时间段，同时，在播放音乐文件时，将当前播放音乐信号送入控制器的A/D端进行声音数据采集和快速傅立叶变换(FFT)计算后，自动识别出播放音乐的频率高低分量、幅度分量、频率范围等，控制舞台灯按音乐不同的节拍范围和频率范围显示不同的色彩和亮度，同时也控制相应卡通乐手按音乐不同的节拍范围和频率范围，做不同幅度和频率的动作。控制器选用stc15w4k56s4型单片机。其中，7个通道10位高速ADC接入到7个卡通乐手的光照度进行数据采集，1个通道10位高速ADC接入到MP3当前播放音乐信号进行声音数据采集；舞台灯由6路PWM端通过LED驱动电路控制其色彩和亮度。
(3)舞台灯电路；
舞台灯电路由LED驱动电路和舞台灯组成。舞台灯电路是在控制器的6路PWM控制下产生不同的色彩和亮度。LED驱动电路与控制的6路PWM端连接，在控制器的控制下产生频率不同、脉冲占空比不同的驱动电压送到舞台灯的LED对应管脚上，选用9926A型场效应管作为LED驱动电路。舞台灯用于产生不同的色彩和亮度的舞台灯效果，选用5mm雾状共阴极RGB LED。其额定驱动电压3.3V(2.7V-3.8V)，额定驱动电流为20mA。
(4)电磁驱动电路
电磁驱动电路由驱动电路和电磁线圈组成。电路在控制器的控制下，将不同频率、不同脉冲占空比的信号送入电磁线圈，产生不同频率、不同吸合力的磁力，吸合卡通乐手在金属定位杆上按不同的不同频率和幅度上下移动。驱动电路与控制器的IO端口接连，选用9926A型场效应管作为驱动电路；电磁线圈是将漆包线以两个金属定位杆为中心绕制而成，以增强线圈接通电流后产生的磁力。
(5)MP3模块、扬声器和SD卡
MP3模块的作用是将存储SD卡上的MP3格式文件解码，该模块通过一线串口端与控制器连接，并在+、-按键，快退、快进按键，音量增、减按键的控制下对MP3格式文件进行播放；同时，MP3模块扬声器的输出端接入到控制器的一个DAC通道，实现对当前播放音乐信号进行声音数据采集。MP3模块采用N9103型MP3解码芯片，并可以直推两个0.25W左、右扬声器工作。扬声器选用8欧喇叭；SD卡即小的内存卡，用于存储MP3格式的配音文件以及使用者喜欢的音乐文件，这些文件通过MP3模块的解码，在控制器的控制下经扬声器播放出去。
(6)带灯开关按键和带灯设置按键
带灯开关按键用于控制9V电源的通断，按下按键，接通电源，按键右上角的红色LED指示灯亮，否则不亮；带灯设置按键用于切换系统的工作状态，按下按键，进入到设置状态，按键右上角的录色LED指示灯亮，否则不亮。
如图8所示，本发明能与音乐同步动作的趣味乐队音乐盒的实现方法，包括下述步骤：
1.音乐播放状态；
音乐播放状态即乐队音乐盒可以作为MP3音乐播放器的工作状态。其状态的检测与识别方法是：当控制器识别出带灯开关按键为开时，进入音乐播放状态，控制器通过一线串口调用存储在SD卡上的第一个曲目开始顺序播放MP3音乐文件。同时，控制器监测+、-按键，快退、快进按键，音量增、减按键是否按下，如按下，控制器则响应对应按键功能，通过一线串口控制MP3模块执行曲目加一、曲目减一，曲目快进、快退，音量增、减操作。
2.手动设置状态；
手动设置状态即乐队音乐盒可以通过儿童的家长根据音乐中乐器出现的时间和位置，对乐队音乐盒上的每个卡通乐手动作进行人工设置的状态。其状态的检测与识别方法是：当控制器识别出带灯设置按键为开时，并检测出某个卡通乐手对应的光照度值变小一定时间T后，确定为该卡通乐手头部检测孔处为家长用手将其盖住了T时间，即为一次手动遮挡，则进入手动设置状态。当大于T时间后，该卡通乐手在控制器控制下开始做上下动作，直到家长再次用手将该卡通乐手头部检测孔处盖住了T时间，即为二次手动遮挡，该卡通乐手在控制器控制下停止做上下动作。手动设置状态识别示意图如图9所示。同时，将该卡通乐手动作的起始和停止时间、对应曲目编号和对应曲目播放时间存储到控制器的存储器中。当控制器识别出带灯设置按键为关，即音乐盒进入音乐播放状态时，每到播放到该曲目的某个时间段出现某种乐器声时，对应的手持对应乐器的卡通乐手做上下动作，实现曲目音乐内的乐器出现的时间和位置(即左、右位置)与手持乐器的卡通乐手的动作同步出现，培养儿童对不同乐器声音的分辨能力。
在手动设置状态下，可以一次对多个卡通乐手的动作时间和位置进行设置，即只需要用手遮挡多个需要动作的卡通乐手头部的光检测孔即可。当需要停止某个卡通乐手的动作时，只需用手再次遮挡卡通乐手头部的光检测孔即可。
3.编码设置状态；
编码设置状态即乐队音乐盒可以根据儿童用乐队指挥棒指定的卡通乐手，对乐队音乐盒上的每个卡通乐手动作进行时间和位置设置的状态。其状态的检测与识别方法是：当控制器识别出带灯设置按键为开时，并检测出某个卡通乐手对应的光照度数据变化率与控制器内设定的编码一致时，确定为该卡通乐手头部检测孔处接收到儿童用乐队指挥棒上的编码激光斑点照射，光敏电阻接收的光照度数据变化率即为编码信号，即为接收到了一次激光编码，则进入编码设置状态。该卡通乐手在控制器控制下开始做上下动作，直到儿童再次用乐队指挥棒发出的编码激光斑点照射到该卡通乐手头部检测孔，即为接收到了二次激光编码，该卡通乐手在控制器控制下停止做上下动作。实现乐队指挥棒指挥乐队的功能，培养儿童的乐感和指挥乐队的能力。编码设置状态识别示意图如图10所示。
同时，将该卡通乐手动作的起始和停止时间、对应曲目编号和对应曲目播放时间存储到控制器的存储器中。当控制器识别出带灯设置按键为关，即音乐盒进入音乐播放状态时，每到播放到该曲目的某个时间段出现某种乐器声时，对应的手持对应乐器的卡通乐手做上下动作，实现验证儿童使用乐队指挥棒是否与曲目音乐内的乐器出现的时间和位置一致，并可以重新进入编码设置状态，进行多次修正，培训儿童对音乐和各种乐器的理解能力。
在编码设置状态下，可以一次对多个卡通乐手的动作时间和位置进行设置，即只需要用乐队指挥棒发出的激光斑点照射多个需要动作的卡通乐手头部的光检测孔即可。当需要停止某个卡通乐手的动作时，只需用用乐队指挥棒发出的激光斑点再次照射卡通乐手头部的光检测孔即可。
4.舞台效果控制状态；
舞台效果控制状态即在播放状态的同时，对当前播放的音乐进行频率和节拍的识别，驱动卡通乐手按节拍动作和舞台灯按音乐频率和节拍产生不同彩色和亮度的变化。其状态的检测与识别方法是：当控制器识别出带灯开关按键为开，带灯设置开关按键为关时，音乐盒进入播放状态后则进入舞台效果控制状态，控制器的ADC端口与MP3模块扬声器输出端连接，对播放音乐进行数据采集，并对采集的数据进行快速傅立叶变换(FFT)运算，计算出当前音乐的频率分量，存储到存储器中。根据低频段每次出现的某个频率分量的时间可计算出该曲目的节拍。根据节拍，控制器调用卡通乐手动作的起始和停止时间、对应曲目编号和对应曲目播放时间数据，驱动每个卡通乐手按该曲目的节拍做上下动作；根据频率范围和节拍，控制器产生不同宽度的6通道PWM波形，控制和驱动RGB LED灯，使其按频率高中低的不同及节拍的快慢进行色彩和亮度变化。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种能与音乐同步动作的趣味乐队音乐盒，其特征在于，包括乐队指挥棒、卡通乐手以及音乐盒本体；
所述音乐盒本体包括底座和上盖，所述底座上设有圆形音孔和控制面板，所述上盖上设有舞台灯、活动背景画、以及幕布；所述底座上设有多个卡通乐手席，每个卡通乐手席上设置一卡通乐手；所述音乐盒本体内部还设有供电模块、控制器、舞台灯电路、电磁驱动电路、MP3模块以及按键电路；所述供电模块、舞台灯电路、电磁驱动电路、MP3模块、按键电路均与控制器连接；
所述乐队指挥棒外部结构包括激光器孔和电源开关，内部设有编码器、驱动器和激光器，所述编码器、驱动器、激光器顺序连接；电源开关用于控制激光器的通断；激光器用于产生编码激光，防止其它激光器照射音乐盒时产生误动作，当激光器产生的激光指向某个卡通乐手时，该卡通乐手动作，再次指向该卡通乐手时则停止动作；
所述卡通乐手头部开有一光检测孔，光检测孔内设置一光敏电阻，中部有一卡槽，所述卡槽用于将对应的乐器卡在卡槽中，根据音乐的不同，给卡通乐手挂上不同的乐器；卡通乐手的底部设有铁磁性金属片，用于增强电磁线圈通电时对卡通乐手的吸合力；卡通乐手的底部设有与金属定位杆匹配的两个定位孔，每个定位孔的孔洞内装有金属弹簧，当卡通乐手放入音乐盒席槽上对应的金属定位杆时，金属弹簧的一端与金属定位杆套接，另一端与头部上的光敏电阻通过导线连接在一起；当控制器控制卡通乐手的底座下部的电磁线圈电流的通、断时，会产生吸合、断开的过程，在孔洞内的弹簧作用下，使卡通乐手沿金属定位杆作上下的往复移动；
所述控制器，用于识别和控制音乐盒的各种工作状态，并控制MP3模块的工作，控制器利用按键电路通过一线串口控制MP3模块同步播放出SD卡上的MP3格式的音乐文件，并对每个卡通乐手对应的光照度进行数据采集，识别出是手动控制还是乐队指挥棒发出的激光编码，记录下每个卡通乐手相对于音乐文件动作的时间段，同时，在播放音乐文件时，将当前播放音乐信号送入控制器的A/D端进行声音数据采集和快速傅立叶变换计算后，自动识别出播放音乐的频率高低分量、幅度分量、频率范围，控制舞台灯按音乐不同的节拍范围和频率范围显示不同的色彩和亮度；
所述电磁驱动电路包括有驱动电路和电磁线圈，电磁驱动电路在控制器的控制下，将不同频率、不同脉冲占空比的信号送入电磁线圈，产生不同频率、不同吸合力的磁力，吸合卡通乐手在金属定位杆上按不同频率和幅度上下移动，驱动电路与控制器的IO端口接连；电磁线圈是将漆包线以两个金属定位杆为中心绕制而成，以增强线圈接通电流后产生的磁力。
2.根据权利要求1所述一种能与音乐同步动作的趣味乐队音乐盒，其特征在于，所述供电模块包括供电单元和+9V接口，+9V接口用于外接+9V直流电源，通过接外接直流电源线接入；供电单元用于将+9V接口送入的+9V直流电压转换为+5V直流电压，为整机电路供电；
所述舞台灯电路包括LED驱动电路和舞台灯，舞台灯电路是在控制器的6路PWM控制下产生不同的色彩和亮度，LED驱动电路与控制器的6路PWM端连接，在控制器的控制下产生频率不同、脉冲占空比不同的驱动电压送到舞台灯的LED对应管脚上；
所述MP3模块用于将存储SD卡上的MP3格式文件解码，该模块通过一线串口端与控制器连接，并在+按键、-按键、快退按键、快进按键、音量增、音量减按键的控制下对MP3格式文件进行播放；同时，MP3模块扬声器的输出端接入到控制器的一个DAC通道，实现对当前播放音乐信号进行声音数据采集。
3.根据权利要求2所述一种能与音乐同步动作的趣味乐队音乐盒，其特征在于，所述控制器选用stc15w4k56s4型单片机，其中，7个通道10位高速ADC接入到7个卡通乐手的光照度进行数据采集，1个通道10位高速ADC接入到MP3当前播放音乐信号进行声音数据采集；
舞台灯由控制器的6路PWM端通过LED驱动电路控制其色彩和亮度。
4.根据权利要求1所述一种能与音乐同步动作的趣味乐队音乐盒，其特征在于，所述圆形音孔为两个，两个圆形音孔内部分别装有左声道和右声道扬声器，圆形音孔用于将扬声器的声音传出到音乐盒外。
5.根据权利要求1所述一种能与音乐同步动作的趣味乐队音乐盒，其特征在于，所述按键电路包括：带有LED灯的设置按键、带有LED灯的开关按键、+按键、-按键、快进按键、快退按键、音量增以及音量减按键。
6.根据权利要求1所述一种能与音乐同步动作的趣味乐队音乐盒，其特征在于，所述卡通乐手席包括席槽和金属定位杆，所述席槽用于与卡通乐手的底座卡接，每个席槽的底部装有用于吸合一个卡通乐手的电磁线圈；金属定位杆由两个金属杆组成，一方面用于将卡通乐手定位在金属定位杆进行上下移动，另一方面用于将卡通乐手头部安装的光敏电阻与盒内的控制器实现电路连接。
7.根据权利要求1所述一种能与音乐同步动作的趣味乐队音乐盒，其特征在于，所述舞台灯电路由三个RGB LED发光二极管组成，在控制器的控制下，能够根据音乐的节奏和音量的大小，变换出不同色彩，模拟出舞台的灯光效果；
所述活动背景画用于根据不同的音乐配在舞台上的相应图画，以增强舞台的情景效果；所述幕布用于配合舞台灯产生不同的背景光和色，以增强舞台的色彩效果。
8.根据权利要求1-7中任一项所述一种能与音乐同步动作的趣味乐队音乐盒的实现方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1、音乐播放状态；
音乐播放状态即乐队音乐盒作为MP3音乐播放器的工作状态，其状态的检测与识别方法是：当控制器识别出带有LED灯的开关按键为开时，进入音乐播放状态，控制器通过一线串口调用存储在SD卡上的第一个曲目开始顺序播放MP3音乐文件；同时，控制器监测按键电路中是否有按键按下，如有，控制器则响应对应按键功能，通过一线串口控制MP3模块执行对应的按键操作；
S2、手动设置状态；
手动设置状态即乐队音乐盒通过儿童的家长根据音乐中乐器出现的时间和位置，对乐队音乐盒上的每个卡通乐手动作进行人工设置的状态；其状态的检测与识别方法是：当控制器识别出带有LED灯的设置按键为开时，并检测出某个卡通乐手对应的光照度值变小一定时间T后，确定为该卡通乐手头部检测孔处为家长用手将其盖住了T时间，即为一次手动遮挡，则进入手动设置状态；当大于T时间后，该卡通乐手在控制器控制下开始做上下动作，直到家长再次用手将该卡通乐手头部检测孔处盖住了T时间，即为二次手动遮挡，该卡通乐手在控制器控制下停止做上下动作；
S3、编码设置状态；
编码设置状态即乐队音乐盒根据儿童用乐队指挥棒指定的卡通乐手，对乐队音乐盒上的每个卡通乐手动作进行时间和位置设置的状态；其状态的检测与识别方法是：当控制器识别出带有LED灯的设置按键为开时，并检测出某个卡通乐手对应的光照度数据变化率与控制器内设定的编码一致时，确定为该卡通乐手头部检测孔处接收到儿童用乐队指挥棒上的编码激光斑点照射，光敏电阻接收的光照度数据变化率即为编码信号，即为接收到了一次激光编码，则进入编码设置状态；该卡通乐手在控制器控制下开始做上下动作，直到儿童再次用乐队指挥棒发出的编码激光斑点照射到该卡通乐手头部检测孔，即为接收到了二次激光编码，该卡通乐手在控制器控制下停止做上下动作；
S4、舞台效果控制状态；
舞台效果控制状态即在播放状态的同时，对当前播放的音乐进行频率和节拍的识别，驱动卡通乐手按节拍动作和舞台灯按音乐频率和节拍产生不同彩色和亮度的变化；其状态的检测与识别方法是：当控制器识别出带有LED 灯的开关按键为开，带有LED 灯的设置按键为关时，音乐盒进入播放状态后则进入舞台效果控制状态，控制器的ADC端口与MP3模块扬声器输出端连接，对播放音乐进行数据采集，并对采集的数据进行快速傅立叶变换运算，计算出当前音乐的频率分量，存储到存储器中；根据低频段每次出现的某个频率分量的时间计算出该曲目的节拍；根据节拍，控制器调用卡通乐手动作的起始和停止时间、对应曲目编号和对应曲目播放时间数据，驱动每个卡通乐手按该曲目的节拍做上下动作；根据频率范围和节拍，控制器产生不同宽度的六通道PWM波形，控制和驱动RGB LED灯，使其按频率高中低的不同及节拍的快慢进行色彩和亮度变化。
9.根据权利要求8所述的实现方法，其特征在于，在步骤S2中，对应卡通乐手动作的起始和停止时间、对应曲目编号和对应曲目播放时间存储到控制器的存储器中，当控制器识别出带有LED灯的设置按键为关，即音乐盒进入音乐播放状态时，每到播放到该曲目的某个时间段出现某种乐器声时，对应的手持对应乐器的卡通乐手做上下动作，实现曲目音乐内的乐器出现的时间和位置与手持乐器的卡通乐手的动作同步出现，培养儿童对不同乐器声音的分辨能力。
10.根据权利要求8所述的实现方法，其特征在于，在步骤S3中，对应卡通乐手动作的起始和停止时间、对应曲目编号和对应曲目播放时间存储到控制器的存储器中，当控制器识别出带有LED灯的设置按键为关，即音乐盒进入音乐播放状态时，每到播放到该曲目的某个时间段出现某种乐器声时，对应的手持对应乐器的卡通乐手做上下动作，实现验证儿童使用乐队指挥棒是否与曲目音乐内的乐器出现的时间和位置一致，并重新进入编码设置状态，进行多次修正，培训儿童对音乐和各种乐器的理解能力；
在编码设置状态下，能够一次对多个卡通乐手的动作时间和位置进行设置，即只需要用乐队指挥棒发出的激光斑点照射多个需要动作的卡通乐手头部的光检测孔即可；当需要停止某个卡通乐手的动作时，只需用乐队指挥棒发出的激光斑点再次照射卡通乐手头部的光检测孔。
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