基于Arduino的智能鼓槌的研究

山西農業大學軟件學院 朱多佳

1.引言

電子爵士鼓受到廣大群眾的喜愛，但是打鼓需要大量的練習，才可以練就好，在學習打鼓的過程中，往往由于設備、時間等的限制而影響學習打鼓的效率。好的鼓的價格也十分昂貴，對大部分家庭是負擔，因此常出現放棄的現象，非常無奈。針對上述情況，通過用只需要鼓槌的方法實現出打鼓的效果。

本文主要對使用arduino uno開發板設計鼓槌進行了分析，并介紹了基于arduino uno開發板智能鼓錘系統硬件組成。用加速度傳感器來獲得相應的音階，得到最終的音樂。

2.系統概述

使用Arduino uno開發板，通過硬件電路檢測信號，并將信號放大供給單片機進行處理。單片機中的程序對前端探測到的數據進行再處理和分析系統主要有arduino uno開發板和加速度模塊、揚聲器模塊等組成。

本設計系統框圖如圖1：

圖1 系統框圖

當系統檢測到不同的加速度時候會發出聲音，不同的加速度音調不同。并且發出炫彩的燈光。

Arduino開發板簡述

Arduino是一塊基于開放源代碼的USB接口Simple i/o接口板（包括12通道數字GPIO，4通道PWM輸出，6-8通道10bit ADC輸入通道）[1-2]。

3.系統方案

系統流程圖如圖2：

圖2 系統流程圖

3.1 加速度模塊

系統使用六軸傳感器，MPU-6000為全球首例整合性6軸運動處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時之軸間差的問題，減少了大量的包裝空間[3-4]。InvenSense的運動處理資料庫，可處理運動感測的復雜數據，降低了運動處理運算對操作系統的負荷，并為應用開發提供架構化的API[4]。

MPU-6000的角速度全格感測范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec (dps)，可準確追緃快速與慢速動作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測范圍為±2g、±4g±8g與±16g[4-5-6-7]。產品傳輸可透過最高至400kHz的I2C或最高達20MHz的SPI[4-5-7]。

傾斜角測量原理：對于軸加速度傳感器，利用θx，θy求出傾斜角θ。首先定義兩組三軸向量：[x，y，z]為參考O傾斜向量，[u，v，r]為傾斜后的向量。設向量[z，y，z]先繞y軸傾斜，再繞x軸傾斜。 所以只要得兩軸加速度傳感器結果F(θx)和F(θy)就可以計算得出θx和θy，進而知道總的傾斜度。

3.2 揚聲器模塊

3.2.1 概述

系統使用ELB060302揚聲器模塊帶功放喇叭模塊，基于高保真LM386功放芯片制作，在輸出音樂的同時，能夠確保輸出音頻不失真。在喇叭和蜂鳴器中，選擇了喇叭，因為喇叭的頻率響應要比蜂鳴器好得多，蜂鳴器只在一個很窄的頻率范圍內電聲功率轉換比較高[8]，如圖3：

圖3 接線圖

3.2.2 下載音色

一個樂器的優劣最重要的標準是它的音色，無論什么樂器，第一要素永遠都是音色，使用WT588Dmini版下載器可以測試和下載WT588D-16PWT588D-28P，WT588D語音播放板等產品，是新推出的價格較低，功能完善的WT588D系列下載器[9-10]。在電腦上位機WT588D VioceChip軟件上將工程文檔編譯成BIN文件后，再將WT588D模塊、WT588D存儲器（需要搭配使用轉換座）靠底放置到鎖緊座上，WT588D模塊中的16P、28P模塊都只需靠底（缺口對著鎖緊座的搖桿）放置即可，然后通過USB數據線，將工程信息下載到WT588D模塊或者相關FLASH存儲器[9-10]。從電腦上使用WT588D VoiceChip軟件編輯好語音和控制模式、觸發方式，然后點下載，即可下載工程信息到WT588D模塊[10]。

3.3 實現結果

當出現加速度值變化時，喇叭發出爵士鼓音調并且發出絢麗的燈光。

（1）人晃動時，會根據相應的動作發出不同的音調。

（2）可以發出七彩的燈光。

3.4 測試

系統測試案例如下表1所示：

表1

4.結語

由上文所提及的現狀可知，研究出一款便利且輕巧的鼓槌是非常必要的。不僅可以減輕家庭的負擔，還可以具有更加高效的工作效率，營造出更加適合練習的環境。

本文設計的鼓槌是根據加速度原理，當加速度變化時，根據加速度原理就會發出不同的音調，通過使用者可以演奏出鼓聲。并且，由于本款產品設計上的小巧和價值低廉等優點，可以廣泛應用于各種社區服務中心等。相較傳統的昂貴的設備，該產品可以面向更大的受眾群體，便利更多的人民群眾。

不僅可以應用在教育領域，而且還可以應用在生活各個方面，如運動，現在越來越多的人喜歡健身，熱愛運動可以在運動時通過人的運動來演奏出只屬于自己的音樂。

本設計在目前的國內市場上很有競爭力，容易走在前沿，智能鼓槌的方便與易用，很容易就能得到應用與普及，有很大的市場潛在價值。

并且對于提高音打鼓技能有深遠影響。社會的發展離不開科技，利用科技去提高音樂技能是對音樂領域的一大促進。實物圖如圖4：

圖4 實物圖

[1][物聯網(IoT)開發]Arduino 簡介-無知人生,記錄點滴-博客頻道-CSDN.NET -《網絡（http://blog.csdn.net）》.

[2]智能家居-圖文-《互聯網文檔資源（http://wenku.baidu.c）》-2016-9-1.

[3]王明軒,熊鳴.三維感光音樂播放器[J].硅谷,2012,09:23.

[4]詳解MPU6050,用STM32讀取原始數據,并相互融合算出 俯仰角、翻滾角、偏航角-代碼酥的博客-CSDN博客-《網絡》.

[5]騰珂.基于可穿戴式傳感器的多特征步態分析系統設計與研究[D].合肥工業大學碩士論文.

[6]金純,尹遠陽,賈珍梅.一種基于藍牙的老人跌倒數據采集模塊的設計[J].廣東通信技術,2014(05):15.

[7]白立群,李成鐵,周劍峰.基于STM32的飛行控制器系統設計[J].自動化技術與應用,2013,32(2).

[8]20120227電儀生產實習模板最終版-百度文庫-《互聯網文檔資源》-2012-11-29.

[9]WT588D語音芯片及模塊詳細資料-唯創虹泰-百度文庫-《互聯網文檔資源》-2012-12-5.

[10] WT588D下載測試工具介紹V2.10-圖文-《互聯網文檔資源》-2016-12-30.