基于光電傳感器的鋼琴訓練評估系統開發

孟 俊，王祖文，魯序濤，侯君學，蘇小浩，梁 全

(沈陽工業大學，遼寧 沈陽110870)

由于我國經濟的快速發展，人們的需求不僅僅局限于物質方面，對精神文化層次的需求也在日益增加。自學鋼琴時練習問題較為棘手，而我們開發的鋼琴訓練評估系統能夠極大地提高鋼琴自學者的學習速度及其學習興趣。該系統裝置能夠提高琴鍵檢測的穩定性，還能夠對成本進行縮減，對鋼琴教育事業的發展具有一定的意義。所以，我們開展了鋼琴訓練評估系統開發。

該項目結合當前人們的鋼琴學習需求，進行嵌入式開發，能夠對用戶所按琴鍵位置做到實時反饋，通過LED屏幕顯示所按琴鍵的位置，使鋼琴學習者有更加直觀、更加便捷的感知。使用光電傳感器，能夠更加快捷地對琴鍵信息進行反饋，能夠更加高效地使鋼琴學習使用者看見自己所按琴鍵位置，對鋼琴初期學習者有一個良好的用戶體驗。

1 鋼琴訓練評估系統中含有的設備

1.1 光電傳感器

對于整個鋼琴訓練評估系統來說，光電傳感器用于采集琴鍵的主要信息，將其反饋的電壓信號傳輸給單片機，讓單片機在現有數據下，進行數據的處理以及運算，是整個鋼琴訓練評估系統數據來源。

1.2 stm32單片機

在整個鋼琴訓練評估系統正常運行的過程中，stm32單片機起到了至關重要的作用。stm32單片機主要用于光電傳感器的數據收集，將收集到的數據進行整理和分析，然后通過串口上傳到LED屏幕中去，給用戶帶來交互式的體驗，確保各項功能正常使用，以及實現基本的運算處理功能。

1.3 LED屏幕

起到跟用戶之間進行數據交互的作用，能夠將單片機處理的數據進行實時顯示。當用戶想要進行功能的實現時，可以通過觸摸的方式使用戶的指令傳遞到單片機上，讓用戶和鋼琴訓練評估系統進行互動，從而增加用戶的體驗感。

2 系統的機械結構建模

2.1 系統機械結構模型的基本原則

鋼琴訓練評估系統裝置設計最終以結構的形式呈現出來。鋼琴訓練評估系統安裝在鋼琴的上方，當用戶進行鋼琴練習時，鋼琴訓練評估系統裝置需要穩定可靠的運行，才能夠使用戶在正常演奏鋼琴時，還能夠根據鋼琴訓練評估系統反饋的信息，進行鋼琴演奏的相關訓練。因此，在鋼琴訓練評估系統機械裝置進行建模時，需要遵循以下原則：

(1)盡可能地減小檢測裝置的寬度，給用戶最大的演奏空間，讓用戶能夠在正常使用鋼琴的同時，還能夠配合鋼琴訓練評估系統進行鋼琴相關的學習和訓練。

(2)裝置的整體需要跟鋼琴琴鍵的尺寸相符合，使鋼琴訓練評估系統能夠很好地適用于當前市場上絕大部分型號的鋼琴。

(3)裝置造型融入長方體的設計元素，整體結構美觀，簡單。在檢測琴鍵時，裝置對琴鍵的狀態能夠快速反應，保證其檢測的準確性。

(4)整體裝置要拆卸和安裝方便，在日常維護中更加方便、快捷。

(5)系統中所有部件要設計合理，從而保證該系統有較高的可靠性。

(6)平衡該裝置的加工成本和精確度。

2.2 結構建模

如圖1、圖2所示，鋼琴訓練評估系統的基本機械結構主要由1上板、2后板、3光電傳感器、4大擺塊、5小擺塊、6彈簧片構成。圖1給出了鋼琴訓練評估系統的基本機械結構示意圖。上板主要用于電路板的存放和光電傳感器線路的布置。使整個裝置的電路布置能夠更加簡潔，防止用戶誤操作，從而導致線路的斷裂、損壞等，帶來一些不必要的風險。后板主要用于LED屏幕的安裝和放置，進行孔位的布置，使用戶能夠更加直觀地看到LED屏幕的實時信息，以及用戶進行相關的模式設置操作等。光電傳感器主要用于檢測大擺塊以及小擺塊，當琴鍵按下，大擺塊或小擺塊下落，光電傳感器感受到變化，反饋高低電平信息給單片機，單片機進行相關數據的處理。大擺塊用于遮擋光電傳感器，能夠通過物理方式給光電傳感器傳遞信息，將白色琴鍵的實時信息傳遞給單片機，大擺塊在整個系統中起到關鍵的作用。小擺塊用于黑色琴鍵的感知，因為黑色琴鍵區別于白色琴鍵，表面積較小，所以設計小擺塊的體積要區別于大擺塊，對于精度有一定的要求，反饋黑色琴鍵的信息。

圖1 鋼琴訓練評估系統的基本機械結構示意圖

圖2給出了鋼琴訓練評估系統的基本機械結構側面示意圖。彈簧片用于給擺塊增加外力，因為擺塊的質量分布比較均勻，僅靠重力的作用不能夠使其進行正常下落，反應也有所延遲，所以采用彈簧片的方法來給大小擺塊增加外力，能夠使擺塊更加快速地對鋼琴琴鍵進行反應。

圖2 鋼琴訓練評估系統的基本機械結構側面示意圖

3 系統的電路和程序設計

3.1 系統的接口分析

系統的主要功能是檢測琴鍵的狀態，通過單片機進行信息的接收，然后將數據進行整合、處理，然后將用戶所需要的信息傳遞到LED屏上，與用戶進行交互。所以，進行琴鍵檢測的主要傳感器是安放在大小擺塊上方的光電傳感器。除此之外，還有電路設計的關鍵部分——穩壓電路，能給整個芯片和LED屏提供穩定的電壓，還能夠通過轉換，給芯片提供5V電源。穩定性差的電路會導致整個系統的故障性升高，甚至還會燒毀整個電路的大部分模塊。為了保證調試的流暢和信息的傳輸，外圍電路還包括了一些通信模塊，比如JTAG、TTL和USART通信。最終所有的交互信息會傳遞到CPU主控芯片上進行處理，芯片的硬件電路方框圖如圖3所示。

圖3 系統硬件電路方框圖

3.2 系統PCB的設計與繪制

市面上電路板有單面板和雙面板，器件裝配形式有插件式和貼片式。雙面板可以使器件在電路板兩側都放置電路原件，貼片式器件的大小都小于插件式。由于琴鍵檢測系統要求電路板盡可能的小，為節省空間，選擇雙面板貼片形式。由于封裝電路的外殼內表面積為336mm×578mm，表面積比較小，設計的電路板大小為334mm×576mm。

使用AMS1117線性穩壓芯片，減少電源紋波，提高電源質量。為了減少電源環路電阻，加粗電源線寬度。如果接地線太細，接地電位將隨電流的變化和信號頻率的變化而變化，使噪聲加大，嚴重時將引起自激。加粗接地線。同時，為了提高抗噪聲能力，把數字電路系統的接地構成閉環路。為了減少模擬電路對數字電路的影響，提高系統的穩定性，在控制芯片的每一個電源引腳都配置一個去耦電容，且靠近引腳擺放，充分發揮其作用。布線設計完成后，檢查布線設計符合設計者所制定的規則。該系統設計的電路板如圖4。

圖4 系統硬件電路板圖

3.3 系統的程序設計

本系統主要采用光電傳感器來采集信息，光電傳感器感知琴鍵按下，光電傳感器將高電平或低電平信號，通過電路系統反饋給單片機的普通IO口，單片機進行數據處理。單片機通過編程，將采集的數據進行匯總和處理。單片機將數據進行處理之后，將數據傳輸給LED屏幕，通過LED屏幕進行信息的反饋。當用戶通過LED屏幕進行操作時，LED通過USART通信的方式，將操作信息反饋給單片機，單片機進行相關的程序處理。該系統采用的是STM32C8T6芯片，主要通過C語言進行開發，采用keil軟件進行編程。匯編語言雖然效率高，但是其可讀性較差，ST官方為了給開發者提供良好的環境，提供了非常豐富的庫函數，大大縮短了程序的開發周期并提高了編程效率。此系統的程序運行框圖如圖5所示。

圖5 系統程序運行框圖

根據系統程序運行框圖，頂層封裝設計如下：

3.4 系統優勢

本鋼琴訓練評估系統能夠實現鋼琴按鍵的實時反饋，通過單片機編程記錄所彈下的音符并將數據顯示到LED屏幕上，還能在存儲卡中進行琴譜的存儲，給使用者帶來了極大的便利。

3.4.1 數據記錄功能

通過LED屏幕對于鋼琴琴鍵的信息進行有效、及時的反饋和采集。使用者能夠通過LED屏幕進行觸摸操作，進行相關功能的設置及使用。用戶想要進行鋼琴琴鍵的數據記錄時，點擊數據采集按鍵即可。單片機會根據LED屏幕通過串口通信傳遞的記錄信息，進行數據的記錄及處理，等待用戶停止數據記錄的指令。

用戶完成點擊停止數據記錄的指令后，所采集的數據以十進制的形式顯示在屏幕上，用戶可以較為直觀地對照演奏的琴譜和采集的按鍵信息，進行鋼琴的學習和練習。

相較于市場上的其他鋼琴琴鍵檢測裝置，本系統不僅僅通過LED的形式進行琴鍵信息的反饋，還能夠利用單片機平臺進行數據的采集及處理，給鋼琴學習者帶來很大的便利。

3.4.2 存儲琴譜功能

通過存儲卡，能夠將自己需要演奏的琴譜上傳到系統中，用戶可以根據自己的需要，進行琴譜的提取，也能夠跟自己演奏的數據進行對照，從而更加完善地進行鋼琴演奏的學習。

用戶也可以在網絡上進行琴譜的下載，將自己需要練習的琴譜下載到存儲卡中，利用LED屏幕進行琴譜的切換和調取，不僅方便了用戶的使用，還能夠減少紙張的使用，為環保事業做出一定的貢獻。

4 串口通信

處理器與外部設備進行通信有兩種方式——并行通信和串行通信。串口通信采用串行通信方式，其傳輸原理為數據按位順序傳輸，其優點是占用引腳資源少，由于該系統需要利用的IO口較多，故采用串行通信的方式比較合適。

串行通信按照數據傳送的方向，又分為單工、半雙工、全雙工，全雙工允許數據同時在兩個方向上傳輸，因此，全雙工通信是兩個工通信方式的結合，它要求發送設備和接收設備都有獨立的接收和發送能力。

串行通信采取全雙工的通信方式，不僅可以提升通信的效率，還能夠最大限度地提升用戶與設備的交互性。

在目前國內的市場中，很多嵌入式的小型設備，都采用單片機的編程方式，而其中的串口通信，得到了良好的應用和拓展。本系統采用的是根據ARM系列Cortex-M3架構的串口通信協議，其優點是穩定性高、傳輸數據速度快，針對本系統非常適用。利用串口通信協議，能夠很好地將單片機采集的數據實時更新到LED屏幕上，使用戶得到更加便捷、更加直觀的體驗。

5 結束語

本文基于光電傳感器的鋼琴訓練評估系統進行了研究，從機械結構設計、電路布局、程序控制方面進行了合理的論述。大大提高了琴鍵檢測的及時性和有效性，增加的LED屏幕能夠實時地跟用戶進行交互，提高了人機交互的體驗感和便利程度。其中的琴鍵數據記錄和琴譜的存儲，能夠給用戶帶來更好的體驗。該系統對于鋼琴教學的發展也有一定的意義。