机械钢琴弹奏信息的采集装置及采集方法
【专利摘要】本发明公开了机械钢琴弹奏信息的采集装置，其包括光电反射开关和微处理器，光电反射开关包括发射头和接收头，光电反射开关将该光电反射开关与一个琴键的外表面或一个琴键联动部件的外表面之间的距离转化为电信号，微处理器连接光电反射开关，微处理器中预设有阈值，微处理器检测光电反射开关的电信号强度变化并计算变化后的电信号强度和未按下状态时的电信号强度之间的差值，当差值绝对值达到或大于阈值时，微处理器逻辑判断该琴键由弹起状态转变为按下状态。本发明机械钢琴弹奏信息的采集装置和采集方法在不对现有机械钢琴进行改造的基础上能够将机械钢琴弹奏过程中的机械运动准确的转变成为电信号，从而实现对传统机械钢琴弹奏信息的采集。
【专利说明】机械钢琴弹奏信息的采集装置及采集方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机械钢琴学习辅助工具及方法，尤其涉及一种机械钢琴弹奏信息的采集装置及使用该采集装置进行机械钢琴弹奏信息采集的方法。
【背景技术】
[0002]在此处键入【背景技术】描述段落。钢琴是源自西洋古典音乐中的一种键盘乐器，由88个琴键和金属弦音板组成，普遍用于独奏、重奏、伴奏等演出，作曲和排练音乐十分方便。弹奏者通过按下键盘上的琴键，牵动钢琴里面包着绒毡的小木槌，继而敲击钢丝弦发出声音。钢琴被称为乐器之王。这不仅是由于它的体积最大、内部结构最复杂，更主要的还是由于它优良全面的性能和广泛的用途都是其他任何乐器无法与之相比拟的。
[0003]目前的钢琴种类基本分为电子钢琴和机械钢琴，电子钢琴是电声乐器，而机械钢琴则是纯粹的机械物理发声，琴弦震动，琴箱共鸣而产生的。虽然目前电子钢琴以其实用性和性价比优势比较受用户的青睐，但是机械钢琴以其真实的发音效果和完美的弹奏手感是电子钢琴无法取代的。特别是接受系统的钢琴学习时，机械钢琴仍然是学习的难点和重点。
[0004]传统的机械钢琴学习存在一个难点，就是机械钢琴的演奏信息无法客观的采集，通常都需要老师在旁边不间断的聆听，通过发出的声音来判断学员是否弹错，而后及时的指出错误并指导更正。这就带来了几个问题，第一，指导老师不可能一直陪伴在学员身边，学员独自练习机械钢琴的过程中，其弹奏的错误就无人及时发现指出。第二，指导老师的记忆力是有限的，可能无法记住学员弹奏过程中每个错误的弹奏动作，可能会漏掉许多不明显的错误，对学生扎实系统的学习是不利的。
[0005]如果要及时发现弹奏过程中出现的问题，就要能够对弹奏信息进行采集，而后再将采集的信息与正确信息进行比对纠错，机械钢琴没有电信号的输出，因此无法采集弹奏信息。这就需要一种装置及方法在不破坏性机械钢琴结构的基础上，能够对机械钢琴弹奏信息进行准确的采集。
【发明内容】
[0006]本发明提供一种能够准确采集机械钢琴弹奏信息的装置及采用该装置对机械钢琴弹奏信息进行采集的方法。
[0007]为实现上述目的，本发明机械钢琴弹奏信息的采集装置包括光电反射开关和微处理器，光电反射开关包括发射头和接收头，所述的一个光电反射开关的发射头和接收头朝向一个琴键的外表面或一个琴键联动部件的外表面，光电反射开关将该光电反射开关与一个琴键的外表面或一个琴键联动部件的外表面之间的距离转化为电信号，该电信号强度与距离成正相关或负相关，微处理器连接光电反射开关，微处理器中预设有阈值，针对每个琴键，微处理器记录该琴键在未按下状态时光电反射开关的电信号强度并逻辑判断该琴键处于弹起状态，微处理器检测光电反射开关的电信号强度变化并计算变化后的电信号强度和未按下状态时的电信号强度之间的差值，当变化后的电信号强度和未按下状态时的电信号强度之间的差值绝对值达到或大于阈值时，微处理器逻辑判断该琴键由弹起状态转变为按下状态，当变化后的电信号强度和未按下状态时的电信号强度之间的差值绝对值小于阈值时，微处理器逻辑判断该琴键继续保持弹起状态或由按下状态转变为弹起状态，微处理器发出反映该琴键处于按下状态或弹起状态的数字信号。
[0008]采用以上设计，光电反射开关可以将机械钢琴琴键的运动转换为电信号强度的变化，比如为电压值的变化。针对每个琴键，微处理器记录该琴键在未按下状态时光电反射开关的电信号强度并默认的逻辑判断该琴键处于弹起状态；微处理器检测光电反射开关的电信号强度变化并计算变化后的电信号强度和未按下状态时的电信号强度之间的差值，该差值能够反映琴键被按下后离初始位置的运动距离。当琴键的运动距离未达到一定数值时，可以认为该琴键仍然保持弹起的状态；当琴键的运动距离达到或超过一定数值时，可以认为该琴键被按下；当琴键的运动距离重新小于一定数值时，可以认为该琴键回复到弹起状态；因此微处理器中预设有的阈值为反映该琴键在按下状态或弹起状态之间改变的距离。将计算得到电信号强度变化的差值绝对值与阈值进行比较，当变化后的电信号强度和未按下状态时的电信号强度之间的差值绝对值达到或大于阈值时，微处理器逻辑判断该琴键由弹起状态转变为按下状态，微处理器发出该琴键处于按下状态的数字信号；当变化后的电信号强度和未按下状态时的电信号强度之间的差值绝对值小于阈值时，微处理器逻辑判断该琴键继续保持弹起状态或由按下状态转变为弹起状态，微处理器发出该琴键处于弹起状态的数字信号。从而实现将机械钢琴弹奏信息数字化的过程。同时，可以根据不同型号的机械钢琴及光电反射开关具体设置位置预设不同的阈值，以适应不同型号的钢琴。也可以同时为不同的琴键定义多个不同阈值。由于计算的是电信号变化的差值，而不是单点值，即使光电反射开关发生老化，导致检测的电信号强度发生改变，计算出的差值仍然不会改变，因此通过差值进行弹起状态和按下状态逻辑判断的准确度仍然不会发生错误。
[0009]本发明的机械钢琴弹奏信息的采集装置还包括支撑板，支撑板可拆卸的固定在钢琴外壳或钢琴琴箱内，光电反射开关固定在支撑板上，当支撑板固定后各个光电反射开关的发射头和接收头朝向各个琴键的外表面或琴键联动部件的外表面。将全部的光电反射开关设置在支撑板上，使用的时候只需要直接将支撑板固定在钢琴外壳或钢琴琴箱内，这样可以实现采集装置独立于机械钢琴的快速拆装并且在使用时光电反射开关位置稳定。
[0010]本发明的支撑板可拆卸的水平的固定在琴箱内琴键联动部件的上方，光电反射开关发射头和接收头朝向琴键联动部件的上表面。使用的时候，打开琴箱，放入支撑板，使得带光电反射开关的一面朝向琴键联动部件，并且每个光电反射开关发射头和接收头分别对应一个琴键联动部件。假设电信号为电压值举例说明，当使用者架设好设备后，在未按下琴键时，针对每个琴键，微处理器记录此时的光电反射开关的电压值(定义为初始电压值)并逻辑判断该琴键处于弹起状态；当使用者按下琴键，琴键联动部件向上运动靠向光电反射开关，随着琴键联动部件与光电反射开关之间距离的减小，光电反射开关向微处理器发出的电压值增大，微处理器计算此时电压值和初始电压值之间的差值，当差值的绝对值小于阈值的时候，则判断该琴键仍然处于弹起状态，当差值的绝对值等于或大于阈值的时候，则判断该琴键由弹起状态转变为按下状态。当使用者放开琴键，琴键弹起，琴键联动部件向下运动远离光电反射开关，光电反射开关向微处理器发出的电压值减小，当差值重新小于阈值的时候，则判断该琴键由按下状态转变为弹起状态。[0011]本发明的光电反射开关的数量与钢琴琴键的数量一致，每个光电反射开关对应一个琴键的外表面或一个琴键联动部件的外表面。对于传统的机械钢琴，一般由88个琴键，可以采用88个光电反射开关分别对准每个琴键进行采集。这样可以对全部的琴键进行弹奏信息采集。
[0012]本发明的微处理器为单片机。
[0013]本发明的微处理器以串口的方式对外发出反映该琴键处于按下状态或弹起状态的数字信号。可以直接与平板电脑或台式电脑的USB接口连接，以供相关软件进行分析。
[0014]机械钢琴弹奏信息的采集方法，包括如下步骤，步骤1:确定需要采集的钢琴琴键数目；步骤2:将与需要采集的钢琴琴键数目相等的光电反射开关分别对准每个琴键的外表面或琴键联动部件的外表面；步骤3:每个光电反射开关将该光电反射开关与其对准的琴键外表面或琴键联动部件外表面之间的距离转化为电信号，根据光电反射开关安装位置，该电信号强度与距离成正相关或负相关；步骤4:琴键在未按下状态时，各个光电反射开关将电信号发送给微处理器，微处理器记录各个光电反射开关的电信号强度并逻辑判断琴键处于弹起状态；步骤5:微处理器中预设有阈值，微处理器针对每个琴键检测光电反射开关的电信号强度变化并计算变化后的电信号强度和未按下状态时的电信号强度之间的差值，当变化后的电信号强度和未按下状态时的电信号强度之间的差值绝对值达到或大于阈值时，微处理器逻辑判断该琴键由弹起状态转变为按下状态，当变化后的电信号强度和未按下状态时的电信号强度之间的差值绝对值小于阈值时，微处理器逻辑判断该琴键继续保持弹起状态或由按下状态转变为弹起状态；步骤6:微处理器发出反映各个琴键处于按下状态或弹起状态的数字信号。
[0015]本发明方法步骤2中所述的光电反射开关设置于支撑板上，将带有光电反射开关的支撑板可拆卸的固定在钢琴琴箱内，与需要采集的钢琴琴键数目相等的光电反射开关分别对准每个琴键的外表面或琴键联动部件的外表面。
[0016]本发明方法所述的支撑板可拆卸的水平的固定在琴箱内琴键联动部件的上方，光电反射开关发射头和接收头朝向琴键联动部件的上表面。
[0017]本发明方法所述的微处理器为单片机。
[0018]与现有技术相比，本发明机械钢琴弹奏信息的采集装置和采集方法在不对现有机械钢琴进行改造的基础上，仅需可拆卸的使用一个简单的装置，就能够将机械钢琴弹奏过程中的机械运动准确的转变成为电信号，从而实现对传统机械钢琴弹奏信息的采集，这些信息可以提供给后续处理软件进行分析处理，比如进行教学分析所用。
[0019]【专利附图】
【附图说明】
下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明:
图1为本发明机械钢琴弹奏信息的采集装置的安装结构示意图；
图2为本发明机械钢琴弹奏信息的采集装置的结构示意图；
图3为本发明机械钢琴弹奏信息的采集装置的局部结构示意图；
以下对本发明说明书附图中各部件编号进行说明:
I 光电反射开关；
11——发射头；
12——接收头； 2—微处理器；
3——琴键；
4——支撑板。
[0020]【具体实施方式】
如图1、2、3所示，本发明机械钢琴弹奏信息的采集装置包括光电反射开关I和微处理器
2,光电反射开关I包括发射头11和接收头12,所述的一个光电反射开关I的发射头11和接收头朝12向一个琴键3的外表面或一个琴键联动部件的外表面，光电反射开关将该光电反射开关与一个琴键的外表面或一个琴键联动部件的外表面之间的距离转化为电信号，该电信号强度与距离成正相关或负相关，微处理器2连接光电反射开关1，微处理器2中预设有阈值，针对每个琴键3，微处理器2记录该琴键在未按下状态时光电反射开关I的电信号强度并逻辑判断该琴键处于弹起状态，微处理器2检测光电反射开关I的电信号强度变化并计算变化后的电信号强度和未按下状态时的电信号强度之间的差值，当变化后的电信号强度和未按下状态时的电信号强度之间的差值绝对值达到或大于阈值时，微处理器2逻辑判断该琴键3由弹起状态转变为按下状态，当变化后的电信号强度和未按下状态时的电信号强度之间的差值绝对值小于阈值时，微处理器2逻辑判断该琴键继续保持弹起状态或由按下状态转变为弹起状态，微处理器2发出反映该琴键处于按下状态或弹起状态的数字信号。
[0021]采用以上设计，光电反射开关可以将机械钢琴琴键的运动转换为电信号强度的变化，比如为电压值的变化。针对每个琴键，微处理器记录该琴键在未按下状态时光电反射开关的电信号强度并默认的逻辑判断该琴键处于弹起状态；
微处理器检测光电反射开关的电信号强度变化并计算变化后的电信号强度和未按下状态时的电信号强度之间的差值，该差值能够反映琴键被按下后离初始位置的运动距离。当琴键的运动距离未达到一定数值时，可以认为该琴键仍然保持弹起的状态；当琴键的运动距离达到或超过一定数值时，可以认为该琴键被按下；当琴键的运动距离重新小于一定数值时，可以认为该琴键回复到弹起状态；因此微处理器中预设有的阈值为反映该琴键在按下状态或弹起状态之间改变的距离。将计算得到电信号强度变化的差值绝对值与阈值进行比较，当变化后的电信号强度和未按下状态时的电信号强度之间的差值绝对值达到或大于阈值时，微处理器逻辑判断该琴键由弹起状态转变为按下状态，微处理器发出该琴键处于按下状态的数字信号；当变化后的电信号强度和未按下状态时的电信号强度之间的差值绝对值小于阈值时，微处理器逻辑判断该琴键继续保持弹起状态或由按下状态转变为弹起状态，微处理器发出该琴键处于弹起状态的数字信号。从而实现将机械钢琴弹奏信息数字化的过程。同时，可以根据不同型号的机械钢琴及光电反射开关具体设置位置预设不同的阈值，以适应不同型号的钢琴。也可以同时为不同的琴键定义多个不同阈值。由于计算的是电信号变化的差值，而不是单点值，即使光电反射开关发生老化，导致检测的电信号强度发生改变，计算出的差值仍然不会改变，因此通过差值进行弹起状态和按下状态逻辑判断的准确度仍然不会发生错误。
[0022]本发明的机械钢琴弹奏信息的采集装置还包括支撑板4，支撑板4可拆卸的固定在钢琴外壳或钢琴琴箱内，光电反射开关I固定在支撑板4上，当支撑板4固定后光电反射开关I的发射头11和接收头12朝向一个琴键3的外表面或一个琴键联动部件的外表面。将全部的光电反射开关I设置在支撑板4上，使用的时候只需要直接将支撑板4固定在钢琴外壳或钢琴琴箱内，这样可以实现采集装置独立于机械钢琴的快速拆装并且在使用时光电反射开关位置稳定。
[0023]本发明的支撑板4可拆卸的水平的固定在琴箱内琴键联动部件的上方，光电反射开关I发射头11和接收头12朝向琴键联动部件的上表面。使用的时候，打开琴箱，放入支撑板，使得带光电反射开关的一面朝向琴键联动部件，并且每个光电反射开关发射头和接收头分别对应一个琴键联动部件。假设电信号为电压值举例说明，当使用者架设好设备后，在未按下琴键时，针对每个琴键，微处理器记录此时的光电反射开关的电压值(定义为初始电压值)并逻辑判断该琴键处于弹起状态；当使用者按下琴键，琴键联动部件向上运动靠向光电反射开关，随着琴键联动部件与光电反射开关之间距离的减小，光电反射开关向微处理器发出的电压值增大，微处理器计算此时电压值和初始电压值之间的差值，当差值的绝对值小于阈值的时候，则判断该琴键仍然处于弹起状态，当差值的绝对值等于或大于阈值的时候，则判断该琴键由弹起状态转变为按下状态。当使用者放开琴键，琴键弹起，琴键联动部件向下运动远离光电反射开关，光电反射开关向微处理器发出的电压值减小，当差值重新小于阈值的时候，则判断该琴键由按下状态转变为弹起状态。
[0024]本发明的光电反射开关I的数量与钢琴琴键3的数量一致，每个光电反射开关I对应一个琴键3的外表面或一个琴键联动部件的外表面。对于传统的机械钢琴，一般由88个琴键，可以采用88个光电反射开关分别对准每个琴键进行采集。这样可以对全部的琴键进行弹奏信息采集。光电反射开关的个数可以由机械钢琴的琴键个数决定。
[0025]本发明的微处理器2为单片机。微处理器的个数可以为一个也可以为多个，主要以微处理器的处理能力和接口个数决定，一般一个采集机构可以具有多个微处理器，每个微处理器负责检查若干个光电反射开关，这样就可以使用多个低成本的微处理器来对整个机械钢琴键盘进行采集。
[0026]本发明的微处理器2以串口的方式对外发出反映该琴键处于按下状态或弹起状态的数字信号。可以直接与平板电脑或台式电脑的USB接口连接，以供相关软件进行分析。
[0027]机械钢琴弹奏信息的采集方法，包括如下步骤，步骤1:确定需要采集的钢琴琴键数目；步骤2:将与需要采集的钢琴琴键数目相等的光电反射开关分别对准每个琴键的外表面或琴键联动部件的外表面；步骤3:每个光电反射开关将该光电反射开关与其对准的琴键外表面或琴键联动部件外表面之间的距离转化为电信号，根据光电反射开关安装位置，该电信号强度与距离成正相关或负相关；步骤4:琴键在未按下状态时，各个光电反射开关将电信号发送给微处理器，微处理器记录各个光电反射开关的电信号强度并逻辑判断琴键处于弹起状态；步骤5:微处理器中预设有阈值，微处理器针对每个琴键检测光电反射开关的电信号强度变化并计算变化后的电信号强度和未按下状态时的电信号强度之间的差值，当变化后的电信号强度和未按下状态时的电信号强度之间的差值绝对值达到或大于阈值时，微处理器逻辑判断该琴键由弹起状态转变为按下状态，当变化后的电信号强度和未按下状态时的电信号强度之间的差值绝对值小于阈值时，微处理器逻辑判断该琴键继续保持弹起状态或由按下状态转变为弹起状态；步骤6:微处理器发出反映各个琴键处于按下状态或弹起状态的数字信号。
[0028]本发明方法步骤2中所述的光电反射开关设置于支撑板上，将带有光电反射开关的支撑板可拆卸的固定在钢琴琴箱内，与需要采集的钢琴琴键数目相等的光电反射开关分别对准每个琴键的外表面或琴键联动部件的外表面。
[0029]本发明方法所述的支撑板可拆卸的水平的固定在琴箱内琴键联动部件的上方，光电反射开关发射头和接收头朝向琴键联动部件的上表面。
[0030]本发明方法所述的微处理器为单片机。
[0031 ] 本发明中的反射光电开关可以使用市售TCRT5000反射光电开关实现，该红外传感器具有非接触、焊接方便、性能稳定、价格适中。该反射光电开关会对采集的电压进行整形和滤波后送往微处理器。
[0032]微处理器可以使用市售南通国芯微电子公司的STC12C5608AD单片机。
[0033]本发明反射光电开关所采集的电信号可以为电压、电流或其他能够将反射光电开关与一个琴键的外表面或一个琴键联动部件的外表面之间的距离进行反映的信号。该电信号的强度与所反映的距离成正相关还是负相关主要由反射光电开关安装位置以及计算函数决定，距离与电信号强度的函数为单调函数。
[0034]本发明中所述的琴键联动部件为机械钢琴的一个部件，要求该部件与琴键直接或间接的传动连接，其能够随着琴键的运动而运动，从而反映琴键的运动状态。
[0035]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的【技术领域】，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【权利要求】
1.机械钢琴弹奏信息的采集装置，其特征在于:其包括光电反射开关和微处理器，光电反射开关包括发射头和接收头，所述的一个光电反射开关的发射头和接收头朝向一个琴键的外表面或一个琴键联动部件的外表面，光电反射开关将该光电反射开关与一个琴键的外表面或一个琴键联动部件的外表面之间的距离转化为电信号，该电信号强度与距离成正相关或负相关，微处理器连接光电反射开关，微处理器中预设有阈值，针对每个琴键，微处理器记录该琴键在未按下状态时光电反射开关的电信号强度并逻辑判断该琴键处于弹起状态，微处理器检测光电反射开关的电信号强度变化并计算变化后的电信号强度和未按下状态时的电信号强度之间的差值，当变化后的电信号强度和未按下状态时的电信号强度之间的差值绝对值达到或大于阈值时，微处理器逻辑判断该琴键由弹起状态转变为按下状态，当变化后的电信号强度和未按下状态时的电信号强度之间的差值绝对值小于阈值时，微处理器逻辑判断该琴键继续保持弹起状态或由按下状态转变为弹起状态，微处理器发出反映该琴键处于按下状态或弹起状态的数字信号。
2.根据权利要求1所述的机械钢琴弹奏信息的采集装置，其特征在于:所述的机械钢琴弹奏信息的采集装置还包括支撑板，支撑板可拆卸的固定在钢琴外壳或钢琴琴箱内，光电反射开关固定在支撑板上，当支撑板固定后一个光电反射开关的发射头和接收头朝向一个琴键的外表面或一个琴键联动部件的外表面。
3.根据权利要求2所述的机械钢琴弹奏信息的采集装置，其特征在于:所述的支撑板可拆卸的水平的固定在琴箱内琴键联动部件的上方，光电反射开关发射头和接收头朝向琴键联动部件的上表面。
4.根据权利要求1、2、3所述的任一机械钢琴弹奏信息的采集装置，其特征在于:所述的光电反射开关的数量与钢琴琴键的数量一致，每个光电反射开关对应一个琴键的外表面或一个琴键联动部件的外表面。
5.根据权利要求1、2、3所述的任一机械钢琴弹奏信息的采集装置，其特征在于:所述的微处理器为单片机。
6.根据权利要求1、2、3所述的任一机械钢琴弹奏信息的采集装置，其特征在于:所述的微处理器以串口的方式对外发出反映该琴键处于按下状态或弹起状态的数字信号。
7.机械钢琴弹奏信息的采集方法，其特征在于:步骤1:确定需要采集的钢琴琴键数目；步骤2:将与需要采集的钢琴琴键数目相等的光电反射开关分别对准每个琴键的外表面或琴键联动部件的外表面；步骤3:每个光电反射开关将该光电反射开关与其对准的琴键外表面或琴键联动部件外表面之间的距离转化为电信号，根据光电反射开关安装位置，该电信号强度与距离成正相关或负相关；步骤4:琴键在未按下状态时，各个光电反射开关将电信号发送给微处理器，微处理器记录各个光电反射开关的电信号强度并逻辑判断琴键处于弹起状态；步骤5:微处理器中预设有阈值，微处理器针对每个琴键检测光电反射开关的电信号强度变化并计算变化后的电信号强度和未按下状态时的电信号强度之间的差值，当变化后的电信号强度 和未按下状态时的电信号强度之间的差值绝对值达到或大于阈值时，微处理器逻辑判断该琴键由弹起状态转变为按下状态，当变化后的电信号强度和未按下状态时的电信号强度之间的差值绝对值小于阈值时，微处理器逻辑判断该琴键继续保持弹起状态或由按下状态转变为弹起状态；步骤6:微处理器发出反映各个琴键处于按下状态或弹起状态的数字信号。
8.根据权利要求7所述的机械钢琴弹奏信息的采集方法，其特征在于:步骤2中所述的光电反射开关设置于支撑板上，将带有光电反射开关的支撑板可拆卸的固定在钢琴琴箱内，与需要采集的钢琴琴键数目相等的光电反射开关分别对准每个琴键的外表面或琴键联动部件的外表面。
9.根据权利要求8所述的机械钢琴弹奏信息的采集方法，其特征在于:所述的支撑板可拆卸的水平的固定在琴箱内琴键联动部件的上方，光电反射开关发射头和接收头朝向琴键联动部件的上表面。
10.根据权利要求7至9所述的任一机械钢琴弹奏信息的采集方法，其特征在于:所述的微处理器为单片机。`
【文档编号】G10G3/00GK103778905SQ201310072529
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年3月7日 优先权日:2013年3月7日
【发明者】林峥嵘 申请人:福州飞翔音乐电子科技有限公司