本發(fā)明涉及樂(lè)器裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種智能鋼琴學(xué)習(xí)機(jī)及根據(jù)該智能鋼琴學(xué)習(xí)機(jī)的控制方法。

背景技術(shù)：

基于聲光電的智能鋼琴教學(xué)和學(xué)習(xí)設(shè)備在樂(lè)器技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。現(xiàn)有的鋼琴智能學(xué)習(xí)練習(xí)設(shè)備，一種是嵌入鋼琴，和鋼琴一體化設(shè)置并出廠；另一種是獨(dú)立于鋼琴設(shè)備本身之外，屬于鋼琴的附件。與鋼琴一體化設(shè)置的鋼琴智能學(xué)習(xí)設(shè)備，專用于特定的鋼琴進(jìn)行配套、匹配和測(cè)試，與特定鋼琴的配合性及控制的準(zhǔn)確性都較好，但不能應(yīng)用于其他品牌型號(hào)的鋼琴設(shè)備；作為獨(dú)立附件的鋼琴智能學(xué)習(xí)設(shè)備，其通用性較好，能夠安裝適用于多種品牌型號(hào)的鋼琴，應(yīng)用靈活，節(jié)約成本，然而，雖然大多數(shù)型號(hào)品牌的鋼琴都有通用的尺寸標(biāo)準(zhǔn)，但其鍵位設(shè)置、樣式、結(jié)構(gòu)總是存在些許差異，導(dǎo)致智能鋼琴學(xué)習(xí)機(jī)作為附件安裝使用時(shí)，人眼、人手由于光信號(hào)提示位置偏差，將導(dǎo)致響應(yīng)準(zhǔn)確性下降，從而影響智能鋼琴學(xué)習(xí)機(jī)控制的精準(zhǔn)性。如何緩和智能鋼琴學(xué)習(xí)機(jī)通用性和控制精準(zhǔn)性的矛盾，成為不易被察覺(jué)，且影響學(xué)習(xí)機(jī)技術(shù)效果的亟待解決的問(wèn)題之一。

同時(shí)，現(xiàn)有的智能鋼琴教學(xué)和學(xué)習(xí)設(shè)備，在工作過(guò)程中采用傳感器對(duì)琴鍵位置狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用來(lái)監(jiān)測(cè)判斷琴鍵是否被正確的彈奏，然后將琴鍵狀態(tài)信息傳送給控制單元上位機(jī)進(jìn)行決策。然而，在操作實(shí)踐中，現(xiàn)有的鋼琴智能教學(xué)設(shè)備容易發(fā)生提示誤報(bào)的情況。深入分析原因，發(fā)現(xiàn)在鋼琴的演奏中，指法速度有時(shí)要求非?？欤瑯?lè)譜的間隙有時(shí)非常短，多個(gè)鍵位信息會(huì)形成高速的變化態(tài)勢(shì)。這樣，多個(gè)串列的鋼琴鍵位信息就需要被同時(shí)采集傳輸，而且需要同時(shí)進(jìn)行判斷、決策處理，驅(qū)動(dòng)led點(diǎn)亮或熄滅。這樣，控制單元上位機(jī)對(duì)傳感信號(hào)的解耦和分析有時(shí)容易產(chǎn)生滯后延遲，甚至導(dǎo)致主控單元產(chǎn)生錯(cuò)誤驅(qū)動(dòng)、決策信息，形成led提示信息的誤報(bào)。因此，上述缺陷將將影響智能鋼琴學(xué)習(xí)機(jī)的操作控制效果，也是亟待解決的問(wèn)題之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種通用的、控制精準(zhǔn)、響應(yīng)迅速可靠的智能鋼琴學(xué)習(xí)機(jī)，以及該智能鋼琴學(xué)習(xí)機(jī)的控制方法。

本發(fā)明采用上位機(jī)向led燈條發(fā)送曲譜所顯示需要彈奏按鍵的信息，根據(jù)信息點(diǎn)亮燈條所對(duì)應(yīng)的led指示燈，按下相應(yīng)琴鍵，通過(guò)燈條的紅外傳感器捕捉琴鍵運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并將信息上傳至上位機(jī)以完成跟燈彈奏。

為了防止鋼琴高速變化的琴鍵狀態(tài)信息的采集分析出現(xiàn)誤報(bào)，本發(fā)明首先采用多個(gè)控制芯片作為分布式并行采集及驅(qū)動(dòng)控制子單元，用多個(gè)硬件的高速響應(yīng)特性彌補(bǔ)、克服單一硬件、僅通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)采集分析、驅(qū)動(dòng)控制時(shí)速度緩慢的缺陷。同時(shí)，用移動(dòng)端app代替?zhèn)鹘y(tǒng)單片機(jī)控制單元作為決策控制單元，充分利用移動(dòng)端設(shè)備強(qiáng)大的軟硬件處理性能，此外移動(dòng)端app在樂(lè)曲曲譜管理，人機(jī)交互以及設(shè)備通用性上具有顯著優(yōu)勢(shì)。這樣，通過(guò)分布式的主板和子板的采集驅(qū)動(dòng)控制功能，以及移動(dòng)端app的結(jié)合設(shè)置，提高了智能鋼琴學(xué)習(xí)機(jī)的控制精準(zhǔn)性，解決了誤報(bào)問(wèn)題。

本發(fā)明提供一種智能鋼琴學(xué)習(xí)機(jī)，包括：主板(1)，對(duì)應(yīng)部分鋼琴按鍵，多個(gè)子板(2～5)，對(duì)應(yīng)另一部分鋼琴按鍵；燈條led(9)，其與鋼琴琴鍵對(duì)應(yīng)設(shè)置；反射型光電傳感器(7)與對(duì)射型光電傳感器(8)，其分別采集并發(fā)送鋼琴琴鍵傳感信號(hào)至該按鍵對(duì)應(yīng)的主板(1)或子板(2～5)，若子板獲得傳感信信號(hào)，則子板(2～5)與主板(1)間進(jìn)行通信，將從對(duì)應(yīng)鋼琴琴鍵傳感信號(hào)獲取的琴鍵狀態(tài)信息發(fā)送至主板(1)；移動(dòng)端app(6)，與主板(1)獲取各琴鍵狀態(tài)信息通信；其中，主板(1)驅(qū)動(dòng)琴鍵所對(duì)應(yīng)設(shè)置的燈條led(9)，同時(shí)主板(1)與子板(2～5)進(jìn)行通信，由子板(2～5)驅(qū)動(dòng)琴鍵所對(duì)應(yīng)設(shè)置的燈條led(9)；主板(1)與子板(2～5)分別對(duì)應(yīng)分配一定數(shù)量的琴鍵，用于采集對(duì)應(yīng)琴鍵的狀態(tài)信息，以及驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)琴鍵設(shè)置的燈條led(9)。

優(yōu)選的，所述子板設(shè)置為4塊；所述主板(1)分配3琴鍵，(2～4)塊子板分配24個(gè)琴鍵，(5)子板分配13個(gè)琴鍵；所述移動(dòng)端設(shè)備為pad或phone，通過(guò)usb與主板進(jìn)行通信。

優(yōu)選的，主板由stm32f301c8作為主控芯片，通過(guò)兩種紅外光電傳感器進(jìn)行信號(hào)采集來(lái)判別是否有琴鍵按下，同時(shí)還要與子板通過(guò)uart進(jìn)行通信，把所有琴鍵狀態(tài)發(fā)送到移動(dòng)端app，根據(jù)所述移動(dòng)端app發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)gpio口輸出高低電平來(lái)點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)琴鍵的燈條led；子板由stm32f030c8作為控制芯片,通過(guò)兩種紅外光電傳感器進(jìn)行信號(hào)采集來(lái)判別是否有琴鍵按下，同時(shí)還要與主板通過(guò)uart進(jìn)行通信，把所有琴鍵狀態(tài)通過(guò)uart發(fā)送到主板，通過(guò)主板的命令使gpio口輸出高低電平來(lái)點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)琴鍵的燈條led。

優(yōu)選的，鋼琴琴鍵黑鍵的檢測(cè)主要是通過(guò)對(duì)射型光電傳感器實(shí)現(xiàn)，對(duì)射型光電傳感器為ir908-7和pt908-7c的組合；白鍵的檢測(cè)主要是通過(guò)反射型光電傳感器實(shí)現(xiàn)，反射型光電傳感器為紅外漫反射型光電傳感器itr20001/t。

該智能鋼琴學(xué)習(xí)機(jī)，通過(guò)圓形led指示燈提示用戶平板設(shè)備app端琴譜所對(duì)應(yīng)彈奏的琴鍵，采用一條長(zhǎng)金屬氧化外觀支架橫穿整個(gè)燈條。此外，本發(fā)明還提供一種基于該智能鋼琴學(xué)習(xí)機(jī)的控制方法，包括如下步驟：

(1)移動(dòng)端app根據(jù)樂(lè)譜信息，向主板發(fā)送led燈點(diǎn)亮序列信號(hào)；

(2)主板根據(jù)led燈點(diǎn)亮序列信號(hào)，通過(guò)gpio接口驅(qū)動(dòng)主板對(duì)應(yīng)led燈，同時(shí)與子板進(jìn)行通信，將所述序列信號(hào)傳輸至子板；

(3)子板根據(jù)接收的led燈點(diǎn)亮序列信號(hào)，通過(guò)gpio接口驅(qū)動(dòng)子板對(duì)應(yīng)的led；

(4)按下琴鍵，紅外光電傳感器捕捉到琴鍵黑鍵或白鍵被按下的傳感信號(hào)，將所述捕捉到的傳感信號(hào)發(fā)送至對(duì)應(yīng)的主板或子板；

(5)主板根據(jù)傳感信號(hào)判斷對(duì)應(yīng)琴鍵狀態(tài)信息；子板根據(jù)傳感信號(hào)判斷對(duì)應(yīng)琴鍵狀態(tài)信息，將琴鍵狀態(tài)信息通過(guò)uart傳輸至主板；

(6)主板根據(jù)各琴鍵狀態(tài)信息，判斷用戶彈奏是否正確；若不正確，則led繼續(xù)保持點(diǎn)亮；若正確，則對(duì)應(yīng)琴鍵led指示燈熄滅，

(7)主板將步驟(6)的判斷結(jié)果發(fā)送至移動(dòng)端appp，移動(dòng)端app進(jìn)行決策，若用戶彈奏不正確，保持樂(lè)曲曲譜不動(dòng)；若用戶彈奏正確，則執(zhí)行步驟(1)，發(fā)送下一組led燈點(diǎn)亮序列信號(hào)，用以通過(guò)led點(diǎn)亮顯示下一組曲譜所對(duì)應(yīng)彈奏的琴鍵。

本發(fā)明的技術(shù)效果如下：

1、本發(fā)明的智能鋼琴學(xué)習(xí)機(jī)，并行設(shè)置主板和多個(gè)子板的控制結(jié)構(gòu)，能夠大大提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和響應(yīng)決策的速度，與高性能移動(dòng)端設(shè)備結(jié)合，控制精準(zhǔn)，靈活可靠，解決了誤報(bào)問(wèn)題。燈條上電即進(jìn)入自檢模式，此時(shí)led燈全部點(diǎn)亮，主板、子板的單片機(jī)ad控制器分別開始采集琴鍵信息，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部算法處理得到一個(gè)穩(wěn)定的標(biāo)定閾值，然后熄滅對(duì)應(yīng)的led燈。注意在這個(gè)過(guò)程中不能按下琴鍵或者移動(dòng)燈條，否則會(huì)使閾值不準(zhǔn)確。自檢結(jié)束后燈條上亮燈為紅藍(lán)色的led表示當(dāng)前板子的id號(hào)值。自檢結(jié)束后，如果不連接app，此時(shí)如果有按下琴鍵，則對(duì)應(yīng)的led燈會(huì)點(diǎn)亮。如果連接到app，此時(shí)按鍵就不在亮燈，而是按照app的指令來(lái)亮燈。

2、產(chǎn)品品設(shè)計(jì)可兼容各種不同的88鍵鍵盤樂(lè)器(包括不同品牌的電鋼琴、原聲鋼琴或midi鍵盤)

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的智能鋼琴學(xué)習(xí)機(jī)的硬件總體框圖；

圖2是本發(fā)明的主板硬件框圖；

圖3是本發(fā)明的子板硬件框圖；

圖4是本發(fā)明的燈條安裝結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

本發(fā)明的智能鋼琴學(xué)習(xí)機(jī)硬件總體框圖如附圖1所示，該智能鋼琴學(xué)習(xí)機(jī)適用通用88鍵鍵盤樂(lè)器，包括主板1，若干子板2～5，移動(dòng)端app6，與鋼琴琴鍵數(shù)量相等的反射型光電傳感器7，對(duì)射型光電傳感器8，以及燈條led9，該燈條led優(yōu)選為高亮雙色led。

其中，主板1和子板2～5間通過(guò)uart串口進(jìn)行通信，各子板間uart接口通過(guò)二極管進(jìn)行隔離，避免干擾，主板和移動(dòng)端app6中的應(yīng)用程式通過(guò)usb進(jìn)行通信，反射型光電傳感器7信號(hào)通過(guò)單片機(jī)gpio進(jìn)行ad采集，對(duì)射型光電傳感器8信號(hào)通過(guò)單片機(jī)gpio接口進(jìn)行輸入捕獲，將兩種光電傳感器采集的鋼琴琴鍵傳感信息傳輸至主板1和子板2～8；主板1接收上述傳感器信息，以及子板2～5的信息，判斷琴鍵狀態(tài)信息，與app移動(dòng)端設(shè)備6通信，app移動(dòng)端設(shè)備6根據(jù)樂(lè)譜信息和琴鍵狀態(tài)信息進(jìn)行決策，將決策信號(hào)發(fā)送至主板1，最后主板1驅(qū)動(dòng)所對(duì)應(yīng)led燈，同時(shí)，主板1與子板2～5進(jìn)行通信，由子板2～5驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)led燈。

在實(shí)際應(yīng)用中，主板1可設(shè)置為1塊，子板2～5可設(shè)置為4塊，通用88鍵盤鋼琴的鍵盤的信號(hào)采集端口以及對(duì)應(yīng)高亮雙色led驅(qū)動(dòng)端口，可以根據(jù)情況分配給主板1和子板2～5。例如，每塊主板或子板分配11個(gè)按鍵。

主板1硬件框圖如圖2所示，主板是由stm32f301c8作為主控芯片，通過(guò)兩種紅外光電傳感器進(jìn)行信號(hào)采集來(lái)判別是否有琴鍵按下，同時(shí)還要與子板進(jìn)行通信，把所有琴鍵狀態(tài)通過(guò)usb發(fā)送到移動(dòng)端app6應(yīng)用程序，通過(guò)移動(dòng)端設(shè)備6發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)gpio口輸出高低電平來(lái)點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)琴鍵的led。

子板硬件框圖如圖3所示，子板是由stm32f030c8作為控制芯片,通過(guò)兩種紅外光電傳感器進(jìn)行信號(hào)采集來(lái)判別是否有琴鍵按下，同時(shí)還要與主板1通過(guò)uart進(jìn)行通信，把所有琴鍵狀態(tài)通過(guò)uart發(fā)送到主板，通過(guò)主板1的命令使gpio口輸出高低電平來(lái)點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)琴鍵的led。

移動(dòng)端app6為pad或phone等。移動(dòng)端app6通過(guò)usb與主板1進(jìn)行通信，獲取鋼琴鍵盤狀態(tài)信息，判斷琴鍵狀態(tài)，進(jìn)行決策控制。

鋼琴黑鍵和白鍵的狀態(tài)檢測(cè)信息由紅外光電傳感器7，8獲取。黑鍵的檢測(cè)主要是通過(guò)ir908-7和pt908-7c組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。ir908-7c是940nm峰值波長(zhǎng)的紅外發(fā)射二極管，pt908-7c是一個(gè)pnp型光敏三極管，紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光線可控制光敏三極管的感應(yīng)的光電流，通過(guò)串聯(lián)在pnp三極管上的電阻來(lái)改變其電壓降，以期作為高低電位0和1的變化，可利用此來(lái)作為光電感應(yīng)開關(guān)。把此輸出信號(hào)接到單片機(jī)的gpio口，同時(shí)把gpio設(shè)置為輸入模式，來(lái)檢測(cè)此信號(hào)進(jìn)而判別黑鍵是否被按下。

a)當(dāng)黑鍵被按下時(shí)，即有光線通過(guò)時(shí)，光敏管感應(yīng)到紅外光，產(chǎn)生光電流ic，此時(shí)vout為低電位；

b)當(dāng)黑鍵沒(méi)有被按下時(shí)，即遮斷住發(fā)射管的光線，光敏管幾乎感應(yīng)不到紅外光，只是很小的暗電流(一般為0.1ua)，此時(shí)vout為高電位。

白鍵的檢測(cè)主要是通過(guò)紅外漫反射型光電傳感器itr20001/t，tr20001/t傳感器是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，主要用于黑白線檢測(cè)。這款黑白線傳感器受可見(jiàn)光干擾小，輸出信號(hào)為開關(guān)量，信號(hào)處理簡(jiǎn)單，使用非常方便。此模塊不需外部電路，我們加入一個(gè)10k和100歐姆的上拉電阻便可使其工作正常。

a)當(dāng)白鍵按下時(shí)，此時(shí)光線不完全反射到接收器，vout輸出為較高電壓值；

b)當(dāng)白鍵沒(méi)有按下時(shí)，此時(shí)光線可以完全反射到接收器，vout輸出為較低電壓值。

然后通過(guò)主板或子板單片機(jī)進(jìn)行ad采集，通過(guò)多次測(cè)量，算出閾值，然后根據(jù)閾值判斷是否有白鍵按下。

實(shí)施例2

本發(fā)明的智能鋼琴學(xué)習(xí)機(jī)的實(shí)施例2的硬件框圖與實(shí)施例1相同。在此基礎(chǔ)上，其led燈條結(jié)構(gòu)如圖4所示，通過(guò)圓形led指示燈提示用戶平板設(shè)備app端琴譜所對(duì)應(yīng)彈奏的琴鍵，其led燈條寬度足夠小，放置在樂(lè)器上不影響正常彈奏；采用一條長(zhǎng)金屬氧化外觀支架橫穿整個(gè)燈條，在保證整個(gè)燈條的形狀不易發(fā)生形變，避免放置琴鍵時(shí)每個(gè)按鍵應(yīng)力不均勻；金屬條上覆蓋pvc面板，增加外觀的整體性以及美觀程度，保證透光度的同時(shí)增強(qiáng)了金屬表面所不能達(dá)到的細(xì)膩。其相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)在于。這樣，燈條上led燈位置可以根據(jù)不同型號(hào)品牌鋼琴的琴鍵位置進(jìn)行彈性調(diào)整或者伸縮調(diào)整，或者簡(jiǎn)單更換不同尺寸的金屬氧化物支架即可調(diào)整led燈的位置。鋸齒狀卡槽用于放置紅外傳感器，且能與琴鍵很好的契合。

實(shí)施例3

本發(fā)明的智能鋼琴學(xué)習(xí)機(jī)的實(shí)施例3的硬件框圖與實(shí)施例1相同，燈條結(jié)構(gòu)與實(shí)施例2相同。在此基礎(chǔ)上，提供一種根據(jù)智能鋼琴學(xué)習(xí)機(jī)的控制方法，包括如下步驟：

(1)移動(dòng)端app6根據(jù)樂(lè)譜信息，向主板1發(fā)送led燈點(diǎn)亮序列信號(hào)；

(2)主板1根據(jù)led燈點(diǎn)亮序列信號(hào)，通過(guò)gpio接口驅(qū)動(dòng)主板對(duì)應(yīng)led燈，同時(shí)與子板2～5進(jìn)行通信，將所述序列信號(hào)傳輸至子板2～5；

(3)子板根據(jù)接收的led燈點(diǎn)亮序列信號(hào)，通過(guò)gpio接口驅(qū)動(dòng)子板對(duì)應(yīng)的led；

(4)按下琴鍵，紅外光電傳感器捕捉到琴鍵黑鍵或白鍵被按下的傳感信號(hào)，將所述捕捉到的傳感信號(hào)發(fā)送至對(duì)應(yīng)的主板1或子板2～5；

(5)主板根據(jù)傳感信號(hào)判斷對(duì)應(yīng)琴鍵狀態(tài)信息；子板根據(jù)傳感信號(hào)判斷對(duì)應(yīng)琴鍵狀態(tài)信息，將琴鍵狀態(tài)信息通過(guò)uart傳輸至主板；

(6)主板根據(jù)各琴鍵狀態(tài)信息，判斷用戶彈奏是否正確；若不正確，則led繼續(xù)保持點(diǎn)亮；若正確，則對(duì)應(yīng)琴鍵led指示燈熄滅，

(7)主板將步驟(6)的判斷結(jié)果發(fā)送至移動(dòng)端app，移動(dòng)端app進(jìn)行決策，若用戶彈奏不正確，保持樂(lè)曲曲譜不動(dòng)；若用戶彈奏正確，則執(zhí)行步驟(1)，發(fā)送下一組led燈點(diǎn)亮序列信號(hào)，用以通過(guò)led點(diǎn)亮顯示下一組曲譜所對(duì)應(yīng)彈奏的琴鍵。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離權(quán)利要求書確定的本發(fā)明的精神和范圍的條件下，還可以對(duì)以上內(nèi)容進(jìn)行各種各樣的修改。因此本發(fā)明的范圍并不僅限于以上的說(shuō)明，而是由權(quán)利要求書的范圍來(lái)確定的。