CN1118748C - 多媒体教学琴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多媒体教学琴，包括微处理器、键盘、延时调节按键、电源处理模块、模拟开关等，其中音量调节按键、延时调节按键的模拟信号经过A/D转换成为数字信号后，与踏板按键数字信号以及键盘检测和力传感器信号送入微处理器，微处理器对按键检测信号作按键编码选择判决，从按键编码表中选择当前按键编码，并对力传感器信号作比例微分处理，从力度模糊表中选择按键力度编码，融合处理成标准帧码后，送入接口与计算机交互信息。本发明的多媒体教学琴具有准钢琴的音色、触感和力度按键效果，利用计算机软件即可实现各种音色、音量、伴奏的选择调节，与计算机软件组合可以轻松地实现歌曲的创作等等。

Description

多媒体教学琴

技术领域：

本发明涉及一种多媒体教学琴，属音乐教育技术领域。

背景技术：

目前市场上可以用于钢琴教学的近似产品有电子琴、MIDI琴，但是一般都是单方面的功能居多，其中电子琴、MIDI琴均是模拟钢琴音色的较为高级的电子琴，其特点如下：具有准钢琴的音色，可以对音色和各种伴奏进行选择、调节，部分高级的电子琴上有力度按键，但是普通的电子琴和MIDI琴存在许多不足之处，例如音色与钢琴相比还是要差一些，无法实现多媒体交互教学，琴键质感无法和钢琴比拟，按键无力度检测，无法实现弹奏手型姿态检测等等。

发明内容

本发明的目的是设计一种多媒体教学琴(Smart Piano Teacher，以下简称SPT)，利用计算机软件实现音乐多媒体教学。

本发明设计的多媒体教学琴，包括微处理器、键盘、音量调节按键、踏板按键、延时调节按键、电源处理模块、A/D转换器，模拟开关；所述的音量调节按键、延时调节按键产生的模拟信号经过A/D转换器转换成为数字信号后，与踏板按键数字信号以及键盘检测和力传感器信号一起送入微处理器，微处理器对按键检测信号作按键编码选择判决，从按键编码表中选择当前按键编码，并对力传感器信号作比例微分处理，从力度模糊表中选择按键力度编码，融合处理成标准帧码后，送入接口与计算机交互信息，计算机发送的各个指令与硬件检测信号通过接口送入微处理器，作为各个按键信号判决初始化表，同时微处理器给予应答响应，以保证多媒体教学琴和教学软件之间的正常交互；所述的模拟开关包括检测电路和选择电路，选择电路根据按键来的电平，依次切换微处理器与按键之间的通道，并输出按键检测信号，检测电路将按键检测信号保持并放大；所述的电源处理模块用于将5～12伏电压转换成为5伏输出，使电源纹波小于15毫伏。

上述多媒体教学琴中的键盘包括上按键、固定上按键、下按键、触点以及力传感器，其中的上按键、固定上按键、下按键平行放置，上按键置于固定上按键和下按键之间，各键的一端均固定在键盘壳体上。触点置于固定上按键的下侧，与所按键上侧的导电橡胶相接触。力传感器有二个，各设置在上按键与壳体相联接一端的上、下两侧。

上述键盘还可以设计成另一种形式，包括上按键、下按键、触点、力传感器以及弹簧，上述的两个按键相互平行放置，下按键的一端固定在键盘壳体上，所述的相邻的两个上按键之间设置有挡片，该挡片同时与下按键相固联，上按键的一端与下按键铰接，  (具体可利用上按键的一端与穿过挡片的销钉与下按键铰接)，所述的弹簧一端固定在键盘壳体上，另一端固定在上按键的端部。触点置于下按键的上侧，与上按键下侧的导电橡胶相对。力传感器固定在下按键的上侧，与上按键的增压块相对。

本发明设计的多媒体教学琴，具有准钢琴的音色、触感和力度按键效果，利用计算机软件即可实现各种音色、音量、伴奏的选择调节，利用电脑接口、力度键盘数码琴结合PC多媒体教学软件，可以声色并茂的实现音乐基础知识的教学以及钢琴和电子琴的演奏教学，利用多媒体教学琴和计算机软件组合可以轻松地实现歌曲的创作以及专家指导和讲解。本发明设计的多媒体教学琴，还具有价格低，价格不到钢琴平均价格的20％，采用了电脑多媒体软件和硬件相结合，加密保护措施可靠；利用各种已经很成熟的电脑技术，采用多种手段来进行教学，同时促进IT技术发展。

比之普通的电子琴，多媒体教学琴用软件完成了电子琴用硬件完成的功能，而软件的功能更新：比如音色(键盘模拟其他乐器音色)库，自动伴奏曲目库，录音，放音，自动和弦等功能，比之电子琴厂商的硬件更新开发生产时间短，价格便宜许多，因此更加具有市场竞争力，本产品还可以在一定的价格范围内无限制的接近钢琴；产品体积小，从很大程度上克服了在住房非常紧张的中国，很多家庭不能够容纳钢琴的缺点。

附图说明：

图1是本发明设计的多媒体教学琴结构框图。

图2是本发明设计的多媒体教学琴与计算机交互的标准帧码结构。

图3是本发明设计的多媒体教学琴控制电路图。

图4和图5是本发明设计的多媒体教学的专用按键的两种不同结构形式。

图6是本发明设计的多媒体教学琴按键力度检测电路图

图7和图8是按键编码表和力度模糊表。

图4和图5中：1是上按键；2是固定承压下按键，与壳体相连接；3是触点，按下导通、抬起断开；4是导电橡胶；5、6是力传感器；7是弹簧，与上按键相连，起恢复按键位置作用；8是阻挡片，用于分离每个按键；9是销子，用于固定上按键；10是键盘壳体；11是固定上按键，针对固定式的按键，采用固定上按键的结构，可以保证按键按下断开、抬起导通，这样就可以使处理器检测按键的按下与断开；12是增压块，与上按键固联。

具体实施方式：

本发明设计的多媒体教学琴系统逻辑框图如图1所示，主要由微处理器、专用键盘、音量调节按键、踏板按键、延时调节按键、电源处理模块、A/D转换，模拟开关等构成。

图2是本发明设计的多媒体教学琴琴键信号送入计算机的自定义标准帧码，为了保证数据的有效性和可靠性，在传送的过程中加上了帧头55H和帧尾0AH，表示接收数据的开始和结束。按下按键发送给计算机的帧码是一个双字帧码，这个帧码可以表示哪个按键按下，并且给出该按键的力度码。抬起按键发送给计算机的帧码也是一个双字帧码，在抬起按键的按键编码前加上F0H与帧头55H和帧尾0AH一起组成抬起按键的帧码，发送给计算机。

本发明设计的多媒体教学琴的工作过程如图3所示，微处理器U1首先检测系统各组件U2、U3、U5是否正常，然后将键盘扫描数据送入U5，U5的PA口和PB口不断地对设计发明的多媒体教学键盘按键行线逐一扫描，通过微处理器U1的P1口检测键盘按键的列线是否变化；系统在扫描过程中，采用了延时去抖、延时判断的方式确定按键的物理位置，在扫描的过程中，为了克服按键之间的相关性，存储了前后多次按键按下、抬起代码，采用逐次判断方式，确定当前按键的有效性；在此之前要在微处理器U1的EEPROM中存储按键编码表和力度模糊表，如图7和图8所示。在判断按键按下后，触发微处理器U1中断，微处理器U1通过A/D转换芯片U5作力传感器采样，间隔40ms两次采样多媒体教学琴的键盘按键上的力传感器值送入微处理器U1，微处理器U1采用前后比例微分的方式，后根据力度模糊表查找相应的力度码；微处理器U1将得到按键编码与相应的力度码融合，得到多媒体教学琴送入计算机的按键按下的标准帧码，通过计算机接口U2送入计算机；同时微处理器U1检测到按键抬起后，作相同的融合操作，将按键抬起的标准帧码通过U2接口送入计算机；计算机通过SPT多媒体教学软对标准帧码解码，得到相应的参数，实现多媒体教学的目的。

上述多媒体教学琴中的键盘如图4所示，包括上按键1、固定上按键11、下按键2、触点3以及力传感器5、6，其中的上按键1、固定上按键11、下按键2平行放置，上按键1置于固定上按键11和下按键2之间，各键的一端均固定在键盘壳体10上。触点3置于固定上按键11的下侧，与上按键上侧的导电橡胶4相接触。力传感器5、6各设置在上按键5与壳体10相联接一端的上、下两侧。

上述键盘还可以设计成另一种形式，如图5所示，包括上按键1、下按键2、触点3、力传感器5以及弹簧7。两个按键1、2相互平行放置。下按键2的一端固定在键盘壳体10上。相邻的两个上按键1之间设置有挡片8，该挡片同时与下按键2相固联，上按键1的一端与下按键2铰接，具体可利用上按键的一端与穿过挡片的销钉与下按键2铰接。弹簧7的一端固定在键盘壳体10上，另一端固定在上按键1的端部。触点3置于下按键的上侧，与上按键下侧的导电橡胶4相对。力传感器5固定在下按键的上侧，与上按键1的增压块12相对。

如图6所示，触点、微处理器U1(如图3)、端口扩展U5(如图3)、模拟开关U44、A/D采样芯片U5(如图3)共同组成了力度检测电路，微处理器U1将键盘扫描数据送入U5，U5的PA口和PB口不断地对设计的发明多媒体教学键盘按键行线逐一扫描，通过微处理器U1的P1口检测键盘按键的列线是否变化，一旦触点按下后，列线产生了相应的变化，P1端口检测到变化后，在间隔20ms后在检测一次，为了克服按键之间的相关性，存储了前后多次按键按下、抬起代码，采用逐次判断方式，确定当前按键的有效性，微处理器U1根据按键编码表寻找相应的按键码，同时控制模拟开关U44选通该按键采样通道，A/D采样芯片U5采样按键力传感器值，间隔40ms两次采样多媒体教学琴的键盘按键上的力传感器值送入微处理器U1，微处理器U1采用前后比例微分的方式，后根据力度模糊表查找相应的力度码，这样完成了按键和力度检测的过程。

按键的独立性；所谓按键的独立性是指按键按下不放，如果发声则是一个渐进消逝的过程，并非一直发声或者发声后立即中断；其次按下一个按键后，在按其他按键时，这个按下的按键已经失去了原有的作用，不会对其他按键有任何的干扰，而且抬起时也不会对其他按键造成任何的影响，但是对于按键按下抬起的速度对音长有一定的影响，抬起的速度越快，声音消失的时间就越短。音强随着按下力度的变化而变化，具有力度性。

钢琴按键的独立性是一个关键技术，对于多媒体教学钢琴，由于采用的是处理器扫描88个按键，对于独立性的要求很高，采用软件解决这些问题，简单了硬件系统设计，在硬件设计完毕后，完全利用软件实现钢琴按键模型，降低了成本。

钢琴按键的一个关键技术就是要有钢琴琴键力度的检测，真正的钢琴会随着按下力度程度的不同发出不同强度的音律，而市场上很多的琴在设计中均没有考虑这个方面，在琴键设计中设计琴键的结构，方便了处理器直接循环扫描和中断采样的办法，提高系统的实时性，这样既可以完成对键盘的循环扫描，又可以完成力度的监测，同时按照自定义的标准协议传送到计算机中，便于计算机进行处理。

钢琴按键的排列按照预先设计排好，发送自定义的标准码字，同时在软件设计的过程中还设计的系统监测代码，在计算机软件检测到码字后表明系统上电复位完毕，表明硬件系统处于正常的工作中，如果没有的话，表明硬件系统没有处于正常的工作之中，这样的话计算机会告诉用户该如何做！重新上电或者检查串口连接是否对，而且还可以防止硬件和软件仿制，系统具有自保护的性质。

Claims (3)

1、一种多媒体教学琴，其特征在于该多媒体教学琴包括微处理器、键盘、音量调节按键、踏板按键、延时调节按键、电源处理模块、A/D转换器，模拟开关；所述的音量调节按键、延时调节按键产生的模拟信号经过A/D转换器转换成为数字信号后，与踏板按键数字信号以及键盘检测和力传感器信号一起送入微处理器，微处理器对按键检测信号作按键编码选择判决，从按键编码表中选择当前按键编码，并对力传感器信号作比例微分处理，从力度模糊表中选择按键力度编码，融合处理成标准帧码后，送入接口与计算机交互信息，计算机发送的各个指令与硬件检测信号通过接口送入微处理器，作为各个按键信号判决初始化表，同时微处理器给予应答响应，以保证多媒体教学琴和教学软件之间的正常交互；所述的模拟开关包括检测电路和选择电路，选择电路根据按键来的电平，依次切换微处理器与按键之间的通道，并输出按键检测信号，检测电路将按键检测信号保持并放大；所述的电源处理模块用于将5～12伏电压转换成为5伏输出，使电源纹波小于15毫伏。

2、如权利要求1所述的多媒体教学琴，其特征在于其中所述的键盘包括上按键、固定上按键、下按键、触点以及力传感器；其中所述的上按键、固定上按键、下按键平行放置，上按键置于固定上按键和下按键之间，各键的一端均固定在键盘壳体上，所述的触点置于固定上按键的下侧，与上按键上侧的导电橡胶相接触；所述的力传感器有二个，各设置在上按键与壳体相联接一端的上、下两侧。

3、如权利要求1所述的多媒体教学琴，其特征在于其中所述的键盘包括上按键、下按键、触点、力传感器以及弹簧；所述的两个按键相互平行放置，下按键的一端固定在键盘壳体上；所述的相邻两个上按键之间设置有挡片，该挡片同时与下按键相固联，上按键的一端与下按键铰接；所述的弹簧的一端固定在键盘壳体上，另一端固定在上按键的端部；所述的触点置于下按键的上侧，与上按键下侧的导电橡胶相对；所述的力传感器固定在下按键的上侧，与上按键的增压块相对。

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