CN206574294U - 一种钢琴的智能检测装置 - Google Patents

Abstract

一种钢琴的智能检测装置，主要包括检测信号采集器件、中控器件及LED智能灯带，中控板通过10p排线连接检测电路板，用来传输电源及数据信号，中控板通过USB线连接检测电路板，用来传输电源及LED驱动信号，检测信号采集器件的电源、CPU的串口发送端TXDn(n:1‑4)和串口接收端RXD通过10p排线分别连接到中控器件的电源、CPU的串口接收端RXDn(n:1‑4)和串口发射端TXD，LED智能灯带的电源、数据端RXD通过USB线连接到中控器件的电源、数据端TXD。本实用新型可同步检测，准确率较高，稳定可靠，使用极其方便。

Description

一种钢琴的智能检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种钢琴的检测装置。

背景技术

随着人民的生活水平的不断提高，钢琴教育在越来越多的家庭中流行起来，市场上出现很多的钢琴教育辅助产品。几乎所有的钢琴教育辅助产品都需要提示用户按键，以及检测按键动作产生的音符是否为正确的音符。

按键动作检测的方法有很多，如采用拾音器采集音频然后分析音频频率从而识别音符，识别单音比较准确，但在识别和弦音时准确率较低；采用机械开关式触碰按键，按键动作时带动开关动作从而检测按键动作，稳定可靠，但是需要调节开关高度及设备高度，使用极其不方便；也可采用光电式开关，使用光电开关检测按键和开关的距离，按键动作时光电开关输出电压变化，通过识别电压的变化检测按键的动作，但是每次设备放置到琴键上时，开关和琴键的距离都不一样，以及光照条件的不同使得光电开关输出电压的初始值每次都不一样，这样就很难设定开关电压的阈值，造成设备的误触发，使得音符识别的准确率很低。

它们的不足之处在于：准确率较低，不稳定可靠，使用极其不方便。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种可同步检测，准确率较高，稳定可靠，使用极其方便的钢琴智能检测装置。

本实用新型主要包括有检测信号采集器件、中控器件及LED智能灯带。

中控板通过10p排线连接检测电路板，用来传输电源及数据信号。中控板通过USB线连接检测电路板，用来传输电源及LED驱动信号。检测信号采集器件的电源、CPU的串口发送端TXDn(n:1-4)和串口接收端RXD通过10p排线分别连接到中控器件的电源、CPU的串口接收端RXDn(n:1-4)和串口发射端TXD。LED智能灯带的电源、数据端RXD通过USB线连接到中控器件的电源、数据端TXD。

其中，检测信号采集器件主要包括有检测板、电源、四个CPU、四个红外对管阵列和模拟选通器。检测板通过螺栓固定在琴键的下部，用于采集琴键的状态信息，并将琴键的状态信息通过红光电信号输出。电源、CPU、模拟选通器及红外对管阵列均设在检测板上。

检测信号采集器件的电源为现有技术，型号为LM2596-5.0开关式稳压芯片，LM2596系列是德州仪器(TI)生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内包含固定频率振荡器(150kHz)和基准稳压器(1.23V)，并具有完善的保护电路、电流限制和热关断电路等等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。本产品设计中输入电压采用宽电压设计，在6V-36V范围内都可以稳定工作，相比于传统的线性稳压块来说，该稳压芯片输出效率要远远高于传统稳压芯片，散热量也远远小于传统稳压芯片，对于电源适配器的损伤更小，功耗更低，使用寿命大大延长。其中CP为退耦电容，使得输入电压纹波更小，电压更稳定。U3为LM2596-5.0，降压开关型集成稳压芯片，最大输出电流3A。L1为续流电感，电感值为33uH。D1为续流二极管，采用快速恢复的SS14二极管。C4、C5、C6、C7、C8、C9为退耦电容，使得输出的5V电压更稳定，噪声更小，为整个系统提供稳定的电源。

检测信号采集器件的CPU为现有技术，型号为STM8S207C8T6，生产厂家为意法半导体公司，其具有高达24MHz的主频，64KB高容量的程序存储空间、6KB的程序运行空间和1.5KB的电可擦除只读存储器，丰富的接口资源包括10路10位的高精度ADC、2路USART接口、1路I2C接口、35路可编程中断输入等。LQFP封装体积仅为7mm*7mm。其中，U1为STM8S207C8T6，R1(10k欧)与C2(0.01uF)构成了CPU的复位电路，接U1的1脚，C1(10uF)为CPU内核的电压的退耦电容，保证内核工作稳定。由于CPU只有10路ADC模拟采集，而一组检测需要22路ADC模拟采集，为了节省芯片资源，采用了模拟选通的方法来实现，具体实现方法：用3片8选1模拟选通器(CD4051)轮询采集，只用3路ADC就能采集3*8＝24路(其中2路没有用到)的模拟电压，大大节省了芯片资源。电路中AD1、AD2、AD3为3路模拟采集通道，ADD1、ADD2、ADD3为模拟选通器的地址端，通过高低电平组合出000、001、010、011、100、101、110、111共8种不同的地址以达到8选1的选通作用。

模拟选通器是8通道模拟选通器CD4051，RU1-RU22为红外对管的接收管上拉电阻，阻值为10kR，AIN1-AIN22为红外对管的接收管模拟电压输出端，接到CD4051的模拟输入端。AD1、AD2、AD3为模拟选通的公共输出端，接到单片机的模拟采集通道，ADD1、ADD2、ADD3为模拟选通器的地址端，地址信号由CPU产生。

每个红外对管阵列包括22组红外对管，其中F1-F22为红外对管，每组红外对管由一个红外发射管和一个红外接收管组成，并封装为一体的电子元件，其中RS1为限流电阻，阻值为47R。5V电源经过47R限流电阻驱动22个红外发射管。红外二极管正向电压约为1.7V，则电阻两端电压约为5V-1.7V＝3.3V，经过限流电阻的电流约为I＝Ur/RS 1＝3.3V/47R＝70mA，则每个红外发射管的工作电流约为70mA/22＝3.2mA，AIN1-AIN22为红外接收管的模拟电压输出端。

红外接收管的模拟电压输出端与模拟选通器的电压输入端相连接。中控板与四块检测板由10p排线连接，其中三路为电源负极GND，两路为电源正极12V，四路TXD1-TXD4，一路RXD。其中12V电源进入至检测板经过开关型稳压芯片LM2596-5.0转成5.0V电压为整个检测板系统供电，每个检测板共计22个红外对射管，其中所有的发射管并联连接，通过串联一个47R的电阻限流接入5V电压中以驱动所有发射管处于工作状态。所有接收管分别上拉10k欧姆电阻信号输出端分8、8、6三组接入模拟选通器CD4051中，三片CD4051的公共端分别接入CPU(STM8S207C8T6)的ADC1、ADC2、ADC3，三片CD4051的三位地址码并连接入CPU的IO口ADDR0、ADDR1、ADDR2。

中控器件主要包括电源、CPU、蓝牙、蜂鸣器、USB MIDI输出芯片和指示系统驱动接口。

中控器件的电源为现有技术，采用LM2596-5.0开关式稳压芯片，LM2596系列是德州仪器(TI)生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器(150kHz)和基准稳压器(1.23V)，并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。输入电压采用宽电压设计，在6V-36V范围内都可以稳定工作，相比于传统的线性稳压块来说，该稳压芯片输出效率要远远高于传统稳压芯片，散热量也远远小于传统稳压芯片，对于电源适配器的损伤更小，功耗更低，使用寿命大大延长。其中CP为退耦电容，使得输入电压纹波更小，电压更稳定。UQ5为LM2596-5.0，降压开关型集成稳压芯片，最大输出电流3A。LQ1为续流电感，电感值为33uH。DP为续流二极管，采用快速恢复的SS14二极管。CQ4、CQ5、CQ6为退耦电容，使得输出的5V电压更稳定，噪声更小，为整个系统提供稳定的电源。5V转3.3V采用开关型稳压芯片RT9167A,其中UQ8为稳压芯片RT9167A，其作用是将5V输入电压转化为3.3V稳定电压，为CPU提供电源。其中CB3、CB4、CB5为0.1uF的电容，滤除3.3V电源的高频噪声，CQ7为220uF的电解电容，使得3.3V输出更稳定。CB2为0.1uF的电容，为芯片的bypass电容。

中控器件的CPU为现有技术，型号是STM32F103VCT6,生产厂家是意法半导体，其具有256KB ROM，64KB RAM，高达72MHz的主频，丰富的外设接口。UQ1为CPU芯片STM32F103VCT6。其中，CQ1(22pF)、CQ2(22pF)、RQ3(1MR)和晶振XQ1(8MHz)组成了振荡电路，为CPU提供精准的8.000Mhz的基准频率。CQ3(0.01pF)、RQ2(10kR)构成CPU的复位电路。RQ1(10kR)接地是为了让CPU在内部ROM启动。U2RX、U3RX、U4RX、U5RX为CPU串口2、串口3、串口4、串口5的接收端，用来采集检测板的数据。U1TX和U1RX分别为串口1的发送端和接收端，接蓝牙的接收端和发送端。K1为外部按键，用来进行人机交互，当按下此按键时串口2的发送端U2TX向检测板发出校准信号，此按键经过上拉电阻RK(10kR)接UQ1的67脚，当按键无动作时此引脚为高电平，按下时为低电平。LED1、LED2为指示灯，限流电阻RD1、RD2均为1kR。

BEEP为蜂鸣器，蜂鸣器采用有源蜂鸣器，其正极连接至5V电源上，负极接三极管8050的集电极，三极管8050的射极接地，51脚输出高低电平经过8050三极管QB控制蜂鸣器BEEP，当51脚输出高电平时，三极管完全导通，蜂鸣器发出响声，51脚输出低电平时，三极管完全截止，蜂鸣器停止工作。

蓝牙芯片采用TI的CC2540芯片，CC2540是一个超低消耗功率的真正系统单晶片，它整合了包含微控制器、主机端及应用程序在一个元件上。CC2540结合一个优异的无线射频传送接收器及一个工业标准的加强型8051微控制器，它包括连接类比及数位感应器的周边，内建可程式的快闪记忆体，精确的无线射频讯号强度指示，全速USB 2.0界面，内建AES-128加密引擎。本设计中通过CC2540完成串口透传的功能。其中U1为蓝牙芯片CC2540。16、17脚分别为蓝牙芯片串口的发送端、接收端，这两个引脚分别连接到CPU串口的接收端(U1RX)、发射端(U1TX)，与CPU进行数据交互。C2、C3、C4、C5、C6、L1、L2、L3、L4构成了蓝牙射频部分的滤波和阻抗匹配电路，阻抗为50欧姆，ANT为50欧姆天线，本设计中采用”F”PCB天线。X1为16M无源晶振，与起振电容C7、C8构成了振荡源，为蓝牙芯片提供精准的16MHz频率。

USB MIDI输出芯片采用的是CH345，其中UQ5为CH345，USBVCC、USBGND分别为来自USB口的电源线和地线。X1为12MHZ的无源晶振，与起振电容CC1、CC2构成振荡电路，为芯片工作提供12MHz稳定频率。D+、D-为USB接口的差分数据线，接外接USB口。

优选地，为了避免主控USB在热插拔情况下对智能设备的损坏，采用光隔离的方式进行保护，其中UQ2为光电隔离芯片，信号为6N137，其为一个高速光耦，主控CPU把采集的数据转换为标准的MIDI协议，通过CPU的47脚发送至光耦的3脚(U3TX)，信号经过光耦内部处理输出至MIDIRX，CH345芯片的MIDIRX接收到数据后，转化为USB数据，通过D+、D-接外接USB口，这样数据流就可以上传到智能设备上与相应的软件进行数据交互。

指示系统驱动接口采用的是单向TTL串口方式，将检测板采集的数据处理后以串口的形式输出至指示接口。UQ6、UQ7为74HC04D，其为六反向器，其作用为当信号经过两次反向器逻辑信号不变，而抗干扰能力大大增强，可有效避免信号在从传输过程中由于干扰而引起的误码情况。其中TXD1、TXD2、TXD3、TXD4为检测板的4组数据上传通道，经过两次反向经由保护电阻RU1、RU2、RU3、RU4传输至单片机的串口接收U2RX、U3RX、U4RX、U5RX，指示信号由中控器件的CPU的串口发送端U2TX经过两次反向输出至检测板的接收端RXD。

蓝牙芯片串口的发送端、接收端分别连接到中控器件的CPU串口的接收端(U1RX)、发射端(U1TX)，与中控器件的CPU进行数据交互。系统输入电压为12V，经过中控板的开关型稳压芯片LM2596-5.0降压稳压至5.0V，为led灯带和UQ6、UQ7供电，5.0V再经开关型稳压芯片RT9167-3.3稳压至3.3V为CPU(STM32F103VCT6)、蓝牙(CC2540)提供电源。其中检测板的四路数据信号经过两次反向接入CPU的U2RX、U3RX、U4RX、U5RX。蓝牙IC通过串口与CPU通信，CPU通过串口光耦隔离连接USB MIDI芯片(CH345)，以实现外部USB数据交互接口。CPU的IO口控制三极管基极电流的有无进而控制蜂鸣器的通断。LED灯带通过USB连接线与中控板进行连接，中控板为LED灯带提供电源与信号。

LED智能灯带机构包括四组LED智能灯带，每组智能灯带包括灯带板、22个LED和2个CPU，每个CPU驱动11个LED，LED和CPU设在灯带板上。

LED智能灯带的CPU为现有技术，型号为STM8S003F3P6，生产厂家为意法半导体，其具有高达16MHz的主频，8KB ROM，1KB RAM。这里主要利用其IO口驱动LED。U1为STM8S003F3P6，RA、CA1构成CPU的复位电路，DATA为CPU串口的接收端，用以接收指示灯状态的数据。LED1-LED11分别接11个LED，用来驱动LED灯的点亮或熄灭。

本实用新型在使用时，在检测板、中控板、灯带安装完毕后，插上电源适配器按下电源按钮。初次使用时按下中控板按键，听到蜂鸣器“滴”响一声后将所有钢琴键按下一遍，所有钢琴键复位后再按一次中控板按键，听到蜂鸣器“滴滴”响两声后即可正常使用。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：可同步检测，准确率较高，稳定可靠，使用极其方便。

附图说明

图1为本实用新型的立体示意简图；

图2为本实用新型的检测信号采集器件的电源的工作原理图；

图3为本实用新型的检测信号采集器件的CPU的工作原理图；

图4为本实用新型的检测信号采集器件的红外对管阵列的工作原理图；

图5为本实用新型的检测信号采集器件的模拟选通器的工作原理图；

图6为本实用新型的中控器件的电源的工作原理图；

图7为本实用新型的中控器件的CPU的工作原理图；

图8为本实用新型的中控器件的USB MIDI输出的工作原理图；

图9为本实用新型的中控器件的指示系统驱动接口的工作原理图；

图10为本实用新型的中控器件的蓝牙芯片的工作原理图；

图11为本实用新型的LED智能灯带机构中一组LED智能灯带的工作原理图；

图12为本实用新型的LED智能灯带机构中一个CPU驱动11个LED的工作原理图。

具体实施方式

在图1所示的本实用新型的示意简图中，本实用新型主要包括有检测信号采集器件1、中控器件2及LED智能灯带3。

中控板通过10p排线连接检测电路板，用来传输电源及数据信号。中控板通过USB线连接检测电路板，用来传输电源及LED驱动信号。检测信号采集器件的电源、CPU的串口发送端TXDn(n:1-4)和串口接收端RXD通过10p排线分别连接到中控器件的电源、CPU的串口接收端RXDn(n:1-4)和串口发射端TXD。LED智能灯带的电源、数据端RXD通过USB线连接到中控器件的电源、数据端TXD。

在图2、图3、图4和图5所示的本实用新型的示意简图中，检测信号采集器件主要包括有电源、四个CPU、四个红外对管阵列和模拟选通器，均设在检测板上。检测板通过螺栓固定在琴键的下部，用于采集琴键的状态信息，并将琴键的状态信息通过红光电信号输出。

检测信号采集器件的电源为现有技术，型号为LM2596-5.0开关式稳压芯片，LM2596系列是德州仪器(TI)生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内包含固定频率振荡器(150kHz)和基准稳压器(1.23V)，并具有完善的保护电路、电流限制和热关断电路等等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。本产品设计中输入电压采用宽电压设计，在6V-36V范围内都可以稳定工作，相比于传统的线性稳压块来说，该稳压芯片输出效率要远远高于传统稳压芯片，散热量也远远小于传统稳压芯片，对于电源适配器的损伤更小，功耗更低，使用寿命大大延长。其中CP为退耦电容，使得输入电压纹波更小，电压更稳定。U3为LM2596-5.0，降压开关型集成稳压芯片，最大输出电流3A。L1为续流电感，电感值为33uH。D1为续流二极管，采用快速恢复的SS14二极管。C4、C5、C6、C7、C8、C9为退耦电容，使得输出的5V电压更稳定，噪声更小，为整个系统提供稳定的电源。

检测信号采集器件的CPU为现有技术，型号为STM8S207C8T6，生产厂家为意法半导体公司，其具有高达24MHz的主频，64KB高容量的程序存储空间、6KB的程序运行空间和1.5KB的电可擦除只读存储器，丰富的接口资源包括10路10位的高精度ADC、2路USART接口、1路I2C接口、35路可编程中断输入等。LQFP封装体积仅为7mm*7mm。其中，U1为STM8S207C8T6，R1(10kR)与C2(0.01uF)构成了CPU的复位电路，接U1的1脚，C1(10uF)为CPU内核的电压的退耦电容，保证内核工作稳定。由于CPU只有10路ADC模拟采集，而一组检测需要22路ADC模拟采集，为了节省芯片资源，采用了模拟选通的方法来实现，具体实现方法：用3片8选1模拟选通器(CD4051)轮询采集，只用3路ADC就能采集3*8＝24路(其中2路没有用到)的模拟电压，大大节省了芯片资源。电路中AD1、AD2、AD3为3路模拟采集通道，ADD1、ADD2、ADD3为模拟选通器的地址端，通过高低电平组合出000、001、010、011、100、101、110、111共8种不同的地址以达到8选1的选通作用。

U4U5U6为8通道模拟选通器CD4051，RU1-RU22为红外对管的接收管上拉电阻，阻值为10kR，AIN1-AIN22为红外对管的接收管模拟电压输出端，接到CD4051的模拟输入端。AD1、AD2、AD3为模拟选通的公共输出端，接到单片机的模拟采集通道，ADD1、ADD2、ADD3为模拟选通器的地址端，地址信号由CPU产生。

每个红外对管阵列包括22组红外对管，其中F1-F22为红外对管，每组红外对管由一个红外发射管和一个红外接收管组成，并封装为一体的电子元件，其中RS1为限流电阻，阻值为47R。5V电源经过47R限流电阻驱动22个红外发射管。红外二极管正向电压约为1.7V，则电阻两端电压约为5V-1.7V＝3.3V，经过限流电阻的电流约为I＝Ur/RS1＝3.3V/47R＝70mA，则每个红外发射管的工作电流约为70mA/22＝3.2mA，AIN1-AIN22为红外接收管的模拟电压输出端。

红外接收管的模拟电压输出端与模拟选通器的电压输入端相连接。中控板与四块检测板由10p排线连接，其中三路为电源负极GND，两路为电源正极12V，四路TXD1-TXD4，一路RXD.其中12V电源进入至检测板经过开关型稳压芯片LM2596-5.0转成5.0V电压为整个检测板系统供电，每个检测板共计22个红外对射管，其中所有的发射管并联连接，通过串联一个47R的电阻限流接入5V电压中以驱动所有发射管处于工作状态。所有接收管分别上拉10kR电阻信号输出端分8、8、6三组接入模拟选通器CD4051中，三片CD4051的公共端分别接入CPU(STM8S207C8T6)的ADC1、ADC2、ADC3，三片CD4051的三位地址码并连接入CPU的IO口ADDR0、ADDR1、ADDR2。

在图6、图7、图8、图9和图10所示的本实用新型的示意简图中，中控器件主要包括电源、CPU、蓝牙、蜂鸣器、USB MIDI输出芯片和指示系统驱动接口。

中控器件的电源为现有技术，采用LM2596-5.0开关式稳压芯片，LM2596系列是德州仪器(TI)生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器(150kHz)和基准稳压器(1.23V)，并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。输入电压采用宽电压设计，在6V-36V范围内都可以稳定工作，相比于传统的线性稳压块来说，该稳压芯片输出效率要远远高于传统稳压芯片，散热量也远远小于传统稳压芯片，对于电源适配器的损伤更小，功耗更低，使用寿命大大延长。其中CP为退耦电容，使得输入电压纹波更小，电压更稳定。UQ5为LM2596-5.0，降压开关型集成稳压芯片，最大输出电流3A。LQ1为续流电感，电感值为33uH。DP为续流二极管，采用快速恢复的SS14二极管。CQ4、CQ5、CQ6为退耦电容，使得输出的5V电压更稳定，噪声更小，为整个系统提供稳定的电源。5V转3.3V采用开关型稳压芯片RT9167A,其中UQ8为稳压芯片RT9167A，其作用是将5V输入电压转化为3.3V稳定电压，为CPU提供电源。其中CB3、CB4、CB5为0.1uF的电容，滤除3.3V电源的高频噪声，CQ7为220uF的电解电容，使得3.3V输出更稳定。CB2为0.1uF的电容，为芯片的bypass电容。

中控器件的CPU为现有技术，型号是STM32F103VCT6,生产厂家是意法半导体，其具有256KB ROM，64KB RAM，高达72MHz的主频，丰富的外设接口。UQ1为CPU芯片STM32F103VCT6。其中，CQ1(22pF)、CQ2(22pF)、RQ3(1MR)和晶振XQ1(8MHz)组成了振荡电路，为CPU提供精准的8.000Mhz的基准频率。CQ3(0.01pF)、RQ2(10kR)构成CPU的复位电路。RQ1(10kR)接地是为了让CPU在内部ROM启动。U2RX、U3RX、U4RX、U5RX为CPU串口2、串口3、串口4、串口5的接收端，用来采集检测板的数据。U1TX和U1RX分别为串口1的发送端和接收端，接蓝牙的接收端和发送端。K1为外部按键，用来进行人机交互，当按下此按键时串口2的发送端U2TX向检测板发出校准信号，此按键经过上拉电阻RK(10kR)接UQ1的67脚，当按键无动作时此引脚为高电平，按下时为低电平。LED1、LED2为指示灯，限流电阻RD1、RD2均为1kR。

BEEP为蜂鸣器，蜂鸣器采用有源蜂鸣器，其正极连接至5V电源上，负极接三极管8050的集电极，三极管8050的射极接地，51脚输出高低电平经过8050三极管QB控制蜂鸣器BEEP，当51脚输出高电平时，三极管完全导通，蜂鸣器发出响声，51脚输出低电平时，三极管完全截止，蜂鸣器停止工作。

蓝牙芯片采用TI的CC2540芯片，CC2540是一个超低消耗功率的真正系统单晶片，它整合了包含微控制器、主机端及应用程序在一个元件上。CC2540结合一个优异的无线射频传送接收器及一个工业标准的加强型8051微控制器，它包括连接类比及数位感应器的周边，内建可程式的快闪记忆体，精确的无线射频讯号强度指示，全速USB 2.0界面，内建AES-128加密引擎。本设计中通过CC2540完成串口透传的功能。其中U1为蓝牙芯片CC2540。16、17脚分别为蓝牙芯片串口的发送端、接收端，这两个引脚分别连接到CPU串口的接收端(U1RX)、发射端(U1TX)，与CPU进行数据交互。C2、C3、C4、C5、C6、L1、L2、L3、L4构成了蓝牙射频部分的滤波和阻抗匹配电路，阻抗为50欧姆，ANT为50欧姆天线，本设计中采用”F”PCB天线。X1为16M无源晶振，与起振电容C7、C8构成了振荡源，为蓝牙芯片提供精准的16MHz频率。

USB MIDI输出芯片采用的是CH345，其中UQ5为CH345，USBVCC、USBGND分别为来自USB口的电源线和地线。X1为12MHZ的无源晶振，与起振电容CC1、CC2构成振荡电路，为芯片工作提供12MHz稳定频率。D+、D-为USB接口的差分数据线，接外接USB口。

为了避免主控USB在热插拔情况下对智能设备的损坏，采用光隔离的方式进行保护，其中UQ2为光电隔离芯片，信号为6N137，其为一个高速光耦，主控CPU把采集的数据转换为标准的MIDI协议，通过CPU的47脚发送至光耦的3脚(U3TX)，信号经过光耦内部处理输出至MIDIRX，CH345芯片的MIDIRX接收到数据后，转化为USB数据，通过D+、D-接外接USB口，这样数据流就可以上传到智能设备上与相应的软件进行数据交互。

指示系统驱动接口采用的是单向TTL串口方式，将检测板采集的数据处理后以串口的形式输出至指示接口。UQ6、UQ7为74HC04D，其为六反向器，其作用为当信号经过两次反向器逻辑信号不变，而抗干扰能力大大增强，可有效避免信号在从传输过程中由于干扰而引起的误码情况。其中TXD1、TXD2、TXD3、TXD4为检测板的4组数据上传通道，经过两次反向经由保护电阻RU1、RU2、RU3、RU4传输至单片机的串口接收U2RX、U3RX、U4RX、U5RX，指示信号由中控器件的CPU的串口发送端U2TX经过两次反向输出至检测板的接收端RXD。

蓝牙芯片串口的发送端、接收端分别连接到中控器件的CPU串口的接收端(U1RX)、发射端(U1TX)，与中控器件的CPU进行数据交互。系统输入电压为12V，经过中控板的开关型稳压芯片LM2596-5.0降压稳压至5.0V，为led灯带和UQ6、UQ7供电，5.0V再经开关型稳压芯片RT9167-3.3稳压至3.3V为CPU(STM32F103VCT6)、蓝牙(CC2540)提供电源。其中检测板的四路数据信号经过两次反向接入CPU的U2RX、U3RX、U4RX、U5RX。蓝牙IC通过串口与CPU通信，CPU通过串口光耦隔离连接USB MIDI芯片(CH345)，以实现外部USB数据交互接口。CPU的IO口控制三极管基极电流的有无进而控制蜂鸣器的通断。LED灯带通过USB连接线与中控板进行连接，中控板为LED灯带提供电源与信号。

在图11和图12所示的本实用新型的示意简图中，LED智能灯带机构包括四组LED智能灯带，每组智能灯带包括灯带板、22个LED和2个CPU，每个CPU驱动11个LED，LED和CPU设在灯带板上。

LED智能灯带的CPU为现有技术，型号为STM8S003F3P6，生产厂家为意法半导体，其具有高达16MHz的主频，8kB ROM，1KB RAM。这里主要利用其IO口驱动LED。U1为STM8S003F3P6，RA CA1构成CPU的复位电路，DATA为CPU串口的接收端，用以接收指示灯状态的数据。LED1-LED11分别接11个LED，用来驱动LED灯的点亮或熄灭。

Claims (5)

1.一种钢琴的智能检测装置，主要包括检测信号采集器件、中控器件及LED智能灯带，其特征在于：中控板通过10p排线连接检测电路板，用来传输电源及数据信号，中控板通过USB线连接检测电路板，用来传输电源及LED驱动信号，检测信号采集器件的电源、CPU的串口发送端n:1-4的TXDn和串口接收端RXD通过10p排线分别连接到中控器件的电源、CPU的串口接收端n:1-4的RXDn和串口发射端TXD，LED智能灯带的电源、数据端RXD通过USB线连接到中控器件的电源、数据端TXD，检测信号采集器件主要包括有检测板、电源、四个CPU、四个红外对管阵列和模拟选通器，检测板通过螺栓固定在琴键的下部，用于采集琴键的状态信息，并将琴键的状态信息通过红光电信号输出，电源、CPU、模拟选通器及红外对管阵列均设在检测板上，红外接收管的模拟电压输出端与模拟选通器的电压输入端相连接，中控板与四块检测板由10p排线连接，其中三路为电源负极GND，两路为电源正极12V，四路TXD1-TXD4，一路RXD，其中12V电源进入至检测板经过开关型稳压芯片LM2596-5.0转成5.0V电压为整个检测板系统供电，每个检测板共计22个红外对射管，其中所有的发射管并联连接，通过串联一个47欧姆的电阻限流接入5V电压中以驱动所有发射管处于工作状态，所有接收管分别上拉10k欧姆电阻信号输出端分8、8、6三组接入模拟选通器CD4051中，三片CD4051的公共端分别接入STM8S207C8T6的CPU的ADC1、ADC2、ADC3，三片CD4051的三位地址码并连接入CPU的IO口ADDR0、ADDR1、ADDR2，中控器件主要包括电源、CPU、蓝牙、蜂鸣器、USB MIDI输出芯片和指示系统驱动接口，LED智能灯带机构包括四组LED智能灯带，每组智能灯带包括灯带板、22个LED和2个CPU，每个CPU驱动11个LED，LED和CPU设在灯带板上。

2.根据权利要求1所述的一种钢琴的智能检测装置，其特征在于：检测信号采集器件的电源内包含150kHz的固定频率振荡器和1.23V的基准稳压器，其中CP为退耦电容，使得输入电压纹波更小，电压更稳定，U3为LM2596-5.0，降压开关型集成稳压芯片，最大输出电流3A，L1为续流电感，电感值为33uH，D1为续流二极管，采用快速恢复的SS14二极管，C4、C5、C6、C7、C8、C9为退耦电容，使得输出的5V电压更稳定，噪声更小，为整个系统提供稳定的电源，检测信号采集器件的CPU具有高达24MHz的主频，64KB高容量的程序存储空间、6KB的程序运行空间和1.5KB的电可擦除只读存储器，丰富的接口资源包括10路10位的高精度ADC、2路USART接口、1路I2C接口、35路可编程中断输入，LQFP封装体积仅为7mm*7mm，其中，U1为STM8S207C8T6，10k欧的R1与0.01uF的C2构成了CPU的复位电路，接U1的1脚，10uF的C1为CPU内核的电压的退耦电容，保证内核工作稳定，由于CPU只有10路ADC模拟采集，而一组检测需要22路ADC模拟采集，为了节省芯片资源，采用了模拟选通的方法来实现，用3片8选1CD4051的模拟选通器轮询采集，只用3路ADC就能采集3*8＝24路的模拟电压，电路中AD1、AD2、AD3为3路模拟采集通道，ADD1、ADD2、ADD3为模拟选通器的地址端，通过高低电平组合出000、001、010、011、100、101、110、111共8种不同的地址以达到8选1的选通作用，模拟选通器是8通道模拟选通器CD4051，RU1-RU22为红外对管的接收管上拉电阻，阻值为10kR，AIN1-AIN22为红外对管的接收管模拟电压输出端，接到CD4051的模拟输入端，AD1、AD2、AD3为模拟选通的公共输出端，接到单片机的模拟采集通道，ADD1、ADD2、ADD3为模拟选通器的地址端，地址信号由CPU产生，每个红外对管阵列包括22组红外对管，其中F1-F22为红外对管，每组红外对管由一个红外发射管和一个红外接收管组成，并封装为一体的电子元件，其中RS1为限流电阻，阻值为47R，5V电源经过47R 限流电阻驱动22个红外发射管，红外二极管正向电压约为1.7V，则电阻两端电压约为5V-1.7V＝3.3V，经过限流电阻的电流约为I＝Ur/RS1＝3.3V/47R＝70mA，则每个红外发射管的工作电流为70mA/22＝3.2mA，AIN1-AIN22为红外接收管的模拟电压输出端。

3.根据权利要求1所述的一种钢琴的智能检测装置，其特征在于：中控器件的电源内含150kHz的固定频率振荡器和1.23V的基准稳压器，CP为退耦电容，使得输入电压纹波更小，电压更稳定，UQ5为LM2596-5.0，降压开关型集成稳压芯片，最大输出电流3A，LQ1为续流电感，电感值为33uH，DP为续流二极管，采用快速恢复的SS14二极管，CQ4、CQ5、CQ6为退耦电容，使得输出的5V电压更稳定，噪声更小，为整个系统提供稳定的电源，5V转3.3V采用开关型稳压芯片RT9167A，其中UQ8为稳压芯片RT9167A，其作用是将5V输入电压转化为3.3V稳定电压，为CPU提供电源，其中CB3、CB4、CB5为0.1uF的电容，滤除3.3V电源的高频噪声，CQ7为220uF的电解电容，使得3.3V输出更稳定，CB2为0.1uF的电容，为芯片的bypass电容，中控器件的CPU具有256KB ROM，64KB RAM，高达72MHz的主频，丰富的外设接口，UQ1为CPU芯片STM32F103VCT6，其中，22pF的CQ1、22pF的CQ2、1MR的RQ3和8MHz的晶振XQ1组成了振荡电路，为CPU提供精准的8.000Mhz的基准频率，0.01pF的CQ3、10kR的RQ2构成CPU的复位电路，10kR的RQ1接地是为了让CPU在内部ROM启动，U2RX、U3RX、U4RX、U5RX为CPU串口2、串口3、串口4、串口5的接收端，用来采集检测板的数据，U1TX和U1RX分别为串口1的发送端和接收端，接蓝牙的接收端和发送端，K1为外部按键，用来进行人机交互，当按下此按键时串口2的发送端U2TX向检测板发出校准信号，此按键经过10kR的上拉电阻RK接UQ1的67脚，当按键无动作时此引脚为高电平，按下时为低电平，LED1、LED2为指示灯，限流电阻RD1、RD2均为1kR，BEEP为蜂鸣器，蜂鸣器采用有源蜂鸣器，其正极连接至5V电源上，负极接三极管8050的集电极，三极管8050的射极接地，51脚输出高低电平经过8050三极管QB控制蜂鸣器BEEP，当51脚输出高电平时，三极管完全导通，蜂鸣器发出响声，51脚输出低电平时，三极管完全截止，蜂鸣器停止工作，蓝牙芯片采用TI的CC2540芯片，CC2540是一个超低消耗功率的真正系统单晶片，它整合了包含微控制器、主机端及应用程序在一个元件上，CC2540结合一个优异的无线射频传送接收器及一个工业标准的加强型8051微控制器，它包括连接类比及数位感应器的周边，内建可程式的快闪记忆体，精确的无线射频讯号强度指示，全速USB 2.0界面，内建AES-128加密引擎，通过CC2540完成串口透传的功能，其中U1为蓝牙芯片CC2540，16、17脚分别为蓝牙芯片串口的发送端、接收端，这两个引脚分别连接到CPU串口的U1RX的接收端、U1TX的发射端，与CPU进行数据交互，C2、C3、C4、C5、C6、L1、L2、L3、L4构成了蓝牙射频部分的滤波和阻抗匹配电路，阻抗为50欧姆，ANT为50欧姆天线，本设计中采用FPCB天线，X1为16M无源晶振，与起振电容C7、C8构成了振荡源，为蓝牙芯片提供精准的16MHz频率，USB MIDI输出芯片采用的是CH345，其中UQ5为CH345，USBVCC、USBGND分别为来自USB口的电源线和地线，X1为12MHZ的无源晶振，与起振电容CC1、CC2构成振荡电路，为芯片工作提供12MHz稳定频率，D+、D-为USB接口的差分数据线，接外接USB口，指示系统驱动接口采用的是单向TTL串口方式，将检测板采集的数据处理后以串口的形式输出至指示接口，UQ6、UQ7为74HC04D，其为六反向器，其作用为当信号经过两次反向器逻辑信号不变，而抗干扰能力大大增强，可有效避免信号在从传输过程中由于干扰而引起的误码情况，其中TXD1、TXD2、TXD3、TXD4 为检测板的4组数据上传通道，经过两次反向经由保护电阻RU1、RU2、RU3、RU4传输至单片机的串口接收U2RX、U3RX、U4RX、U5RX，指示信号由中控器件的CPU的串口发送端U2TX经过两次反向输出至检测板的接收端RXD，指示系统驱动接口采用的是单向TTL串口方式，将检测板采集的数据处理后以串口的形式输出至指示接口，UQ6、UQ7为74HC04D，其为六反向器，其作用为当信号经过两次反向器逻辑信号不变，而抗干扰能力大大增强，可有效避免信号在从传输过程中由于干扰而引起的误码情况，其中TXD1、TXD2、TXD3、TXD4为检测板的4组数据上传通道，经过两次反向经由保护电阻RU1、RU2、RU3、RU4传输至单片机的串口接收U2RX、U3RX、U4RX、U5RX，蓝牙芯片串口的发送端、接收端分别连接到中控器件的CPU串口的U1RX的接收端、U1TX的发射端，与中控器件的CPU进行数据交互，系统输入电压为12V，经过中控板的开关型稳压芯片LM2596-5.0降压稳压至5.0V，为led灯带和UQ6、UQ7供电，5.0V再经开关型稳压芯片RT9167-3.3稳压至3.3V为STM32F103VCT6的CPU、CC2540的蓝牙提供电源，其中检测板的四路数据信号经过两次反向接入CPU的U2RX、U3RX、U4RX、U5RX，蓝牙IC通过串口与CPU通信，CPU通过串口光耦隔离连接USB MIDI CH345的芯片，以实现外部USB数据交互接口，CPU的IO口控制三极管基极电流的有无进而控制蜂鸣器的通断，LED灯带通过USB连接线与中控板进行连接，中控板为LED灯带提供电源与信号。

4.根据权利要求1或3所述的一种钢琴的智能检测装置，其特征在于：光隔离的方式进行保护，其中UQ2为光电隔离芯片，型号为6N137，其为一个高速光耦，主控CPU把采集的数据转换为标准的MIDI协议，通过CPU的47脚发送至光耦的3脚U3TX，信号经过光耦内部处理输出至MIDIRX，CH345芯片的MIDIRX接收到数据后，转化为USB数据，通过D+、D-接外接USB口，这样数据流就可以上传到智能设备上与相应的软件进行数据交互。

5.根据权利要求1所述的一种钢琴的智能检测装置，其特征在于：LED智能灯带的CPU具有高达16MHz的主频，8kB ROM，1KB RAM，这里主要利用其IO口驱动LED，U1为STM8S003F3P6，RA CA1构成CPU的复位电路，DATA为CPU串口的接收端，用以接收指示灯状态的数据，LED1-LED11分别接11个LED，用来驱动LED灯的点亮或熄灭。