一种便于改造原声钢琴的智能采集演奏系统的制作方法

1.本发明涉及演奏采集系统技术领域，具体是指一种便于改造原声钢琴的智能采集演奏系统。


背景技术：

2.现阶段存量市场上拥有3000万用户购买的钢琴都不带智能系统，随着中国经济的快速发展，改造、加装智能系统的需求日益倍增。
3.在进行钢琴学习时没有智能系统辅助，学习起来难上加难，无法自己纠错，无老师在身边诊断与及时反馈、能力测评等。同时市面上的智能系统只针对特定钢琴，无法兼容不同型号的钢琴。
4.现有智能系统存在以下的问题：
5.1、采集不精准，采集的级数低，无法精准的反应用户按键的力度大小；
6.2、成本高，安装难，传感距离短；
7.3、琴键上需要贴东西，改变了原声琴键的结构；
8.4、演奏系统还原度不够，弹奏力度固定死板，演奏的声音效果无法精准的还原用户弹奏效果；
9.5、连续演奏的时间只能在2小时内，电磁铁和电路发热严重，需停机冷却；
10.6、钢琴在不同环境中，音准都会产生不同变化，需要调律师重新调整后才能恢复正确的音准。


技术实现要素：

11.本发明要解决的技术问题是，针对上述问题，提供一种适用性强、安装方便、采集力度精度高、热量产生小、可对温湿度进行检测的便于改造原声钢琴的智能采集演奏系统。
12.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种便于改造原声钢琴的智能采集演奏系统，包括按键模块、延音踏板模块和主控pcb板，所述主控pcb板安装在钢琴内部，所述按键模块与钢琴按键位置对应，所述按键模块包括中盘底板和按键杠杆，所述按键杠杆上设有黑键和白键，所述中盘底板上端面与黑键和白键位置对应处设有按键控制电路板，所述按键控制电路板上信号连接有光电传感器一，所述中盘底板下端面设有固定支架，所述固定支架上设有电磁铁，所述电磁铁的活塞杆穿过中盘底板，所述电磁铁的活塞杆位置与按键杠杆的抬起点位对应，所述按键采集电路板与主控pcb板信号连接，所述延音踏板模块包括延音踏板和延音踏板控制电路板，所述延音踏板控制电路板与主控pcb板信号连接，所述延音踏板的踏板杠杆下方设有光电传感器二，所述光电传感器二与延音踏板控制电路板信号连接，所述延音踏板控制电路板上设有电机和减速机，所述电机的输出端与减速机输出端连接，所述减速机输出端上设有摇臂，所述摇臂位于延音踏板的踏板杠杆一侧。
13.进一步地，所述按键控制电路板通过螺丝与中盘底板连接，所述固定支架通过螺丝与中盘底板连接，所述电磁铁通过螺丝与固定支架连接。
14.进一步地，所述光电传感器一和光电传感器二均采用光电收发传感器。
15.进一步地，所述电机采用步进电机。
16.进一步地，所述主控pcb板上集成有无线传输模块、温湿度检测模块、自动弹奏模块和电压转换模块，所述主控pcb板的主控cpu采用stm32f407。
17.本发明与现有技术相比的优点在于：
18.1、可适应各种钢琴型号的改造，适用性强；
19.2、可以智能辅助教学，提高孩子学习钢琴的兴趣，能智能纠错、评分、还原演奏；
20.3、采集精度高，力度级数高，传感距离长达20cm可做到钢琴琴键全量程采集，精准分级；
21.4、安装简单，无需精准对准琴键，可兼容误差范围超过1cm；
22.5、无需在琴键上贴任何东西，完全不影响原声钢琴琴键结构和手感，全程无感采集数据；
23.6、采集力度数据精准，演奏系统力度级数高，更能准确的还原用户弹奏的效果；
24.7、温湿度传感器，可以检测钢琴内部的环境变化以及用户的使用频率，通过智能分析这些数据可以及时了解钢琴本身状态，知道是否需要进行调律工作。
附图说明
25.图1是本发明一种便于改造原声钢琴的智能采集演奏系统的按键模块的结构示意图。
26.图2是本发明一种便于改造原声钢琴的智能采集演奏系统的延音踏板模块的结构示意图。
27.图3是本发明一种便于改造原声钢琴的智能采集演奏系统的流程图。
28.图4是本发明一种便于改造原声钢琴的智能采集演奏系统的架构图。
29.图5是本发明一种便于改造原声钢琴的智能采集演奏系统的光电传感器一的电路图。
30.图6是本发明一种便于改造原声钢琴的智能采集演奏系统的主控cpu的电路图。
31.图7是本发明一种便于改造原声钢琴的智能采集演奏系统的电压转换模块的电路图。
32.图8是本发明一种便于改造原声钢琴的智能采集演奏系统的自动弹奏模块的电路图。
33.图9是本发明一种便于改造原声钢琴的智能采集演奏系统的温湿度检测模块的电路图。
34.附图标记：1、中盘底板，2、按键杠杆，3、黑键，4、白键，5、按键控制电路板，6、光电传感器一，7、固定支架，8、电磁铁，9、延音踏板，10、延音踏板控制电路板，11、光电传感器二，12、电机，13、减速机，14、摇臂。
具体实施方式
35.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
36.结合附图1，所述按键模块包括中盘底板1和按键杠杆2，所述按键杠杆1上设有黑
键3和白键4，所述中盘底板1上端面与黑键3和白键4位置对应处设有按键控制电路板5，所述按键控制电路板5上信号连接有光电传感器一6，所述中盘底板1下端面设有固定支架7，所述固定支架7上设有电磁铁8，所述电磁铁8的活塞杆穿过中盘底板1，所述电磁铁8的活塞杆位置与按键杠杆2的抬起点位对应，所述按键采集电路板5与主控pcb板信号连接。
37.光电传感器一安装在钢琴琴键的下方，通过光电发射器发出一束光线，光线经过琴键的反射最终回到光电接受器里面，引起光电接收器的输出引脚的电平变化，同时主控pcb板上的cpu对光在发出到回到接收器里面的时间进行计时，通过物理公式s＝v*t计算出路程s光走的路程，v光速，t光从发射点到达接收点的时间。路程的1/2就是琴键到光电传感器一的距离。通过提高光电发射器的功率可以提高光电传感器一的检测距离。通过光电传感器一的编号获得是几号琴键被按下，通过检测琴键的距离变化来识别琴键的具体状态。在琴键按下的过程中，琴键距离光电传感器一的距离开始变短，cpu通过检测这个距离变化过程的时间计算出琴键按下的速度，然后通过物理公式求得用户按下琴键的力度。并在cpu内部对力度进行分级，理论上根据公式f＝s/t*t，s的取值范围受钢琴琴键活动的范围限制，t受用户按键速度不同时间不同，因此理论级数可以无穷多，为对应电磁铁的还原级数，因此把本产品的采集力度分为1000级。具体求得力度公式为：f＝ma＝m*(v-v0)/(t-t0)；v＝s/t；化其中f为力度，m为琴键质量，v琴键在t时刻运动的速度，v0是初始状态速度，t0初始时间,s为琴键运动路程，t琴键运动路程所需的时间。初始状态琴键禁止，因此v0＝0，t0＝0，设m＝1。公式化简后f＝s/(t*t)，因此通过光电传感器一采集出琴键运动的路程s琴键到光电传感器一的距离差值，与对应琴键运动所需的时间t，再通过cpu对数据处理计算得出用户按下琴键的力度采集记录。
38.结合附图2，所述延音踏板模块包括延音踏板9和延音踏板控制电路板10，所述延音踏板控制电路板10与主控pcb板信号连接，所述延音踏板9的踏板杠杆下方设有光电传感器二11，所述光电传感器二11与延音踏板控制电路板10信号连接，所述延音踏板控制电路板10上设有电机12和减速机13，所述电机12的输出端与减速机13输出端连接，所述减速机13输出端上设有摇臂14，所述摇臂14位于延音踏板9的踏板杠杆一侧。
39.在正常状态下延音踏板是弹起状态，此时延音踏板9的踏板杠杆距离光电传感器二的距离最远。但用户踩下延音踏板时，延音踏板9位置距离光电传感器二11的位置最近，cpu通过检测延音踏板9和光电传感器二11之间的距离和传感器编号来采集是否被踩下。
40.结合附图3，按键控制电路板5和延音踏板控制电路板10把采集到的数据通过主控pcb板上的无线传输模块发给无线终端。无线终端内设有应用程序，通过分析硬件设备发送上来的数据，实现教学，纠错，评分目的。应用程序内设有乐曲，可演奏试听，用户在学习音符时，按下对应音符的琴键按键，应用程序会接收到硬件发上来采集对应琴键按下的数据。通过后台分析数据，可智能识别出用户是否按对琴键，按下的力度是否达标。并对此次按键做出初步判断，如果错误，应用程序会在页面提示按下错误，并自动提示正确的按键和力度大小，达到纠错目的。在演奏者弹完整首乐曲后，应用程序可根据后台在采集的数据，根据智能评分系统可以对演奏效果做出评分结果，并标出不足点以及改善方法。
41.当无线终端通过发送踩下延音踏板9的指令的时候，电机12开始工作，使摇臂14旋转，摇臂14会把延音踏板9的踏板杠杆压到最下方。在下压的过程种光电传感器二11通过检测延音踏板9的踏板杠杆的距离，当达到设定的最小值时，控制电机12停止工作。电机12在
停止工作状态下，摇臂14会受减速机13的减速齿轮的作用停在停止时的角度，此时延音踏板9会一直处于踩下效果。此时电路无需处于工作状态，所以踏板不会发热，相比现有电磁铁方案解决了发热和高成本的问题。在移动终端应用程序发送延音踏板9抬起指令时，电机12开始工作，使摇臂14反向旋转，延音踏板9开始缓慢上升，此时光电传感器二11距离延音踏板9的距离开始变远，当达到初始最远距离时，控制电机12停止工作，此时摇臂14刚好离开延音踏板9，使延音踏板9回到初始弹起状态。
42.在正常状态下，电磁铁8的活塞杆是与琴键不接触状态。当移动终端下发按键弹起指令时，cpu会对对应的电磁铁8供电，且用pwm波形控制流过在关闭指令没有到达之前，系统中默认有个最长时效关闭时间10s，智能演奏系统在接受到无线终端的弹起命令时，会从数据中分析出键位，力度，和保持时间t多长关闭。在对电磁铁8上电的100ms内是用无线终端发下来的力度控制pwm输出电流，使钢琴在发声时是对应无线终端要求的力度。在100ms过后智能演奏系统会自动把电磁铁8的电流调低到20％此数据为实际琴键最轻保持不下落的力度保持琴键发声，保持的时间是无线终端通过无线设备发下来的时间t-100ms，此方法操作可以很好的降低电磁铁8的工作功率，大大减少了电磁铁8的发热量，使电磁铁8可以持续工作保持温度不上升。因此本演奏系统可以长时间工作，无需停机冷却。在cpu计时时间到达指令时间后，智能演奏系统会自动关闭电磁铁8的供电使其停止工作，电池铁铁心在琴键重力和自身重力的作用下，会下落恢复到初始状态。
43.所述主控pcb板上集成的温湿度传感器，可以对钢琴内部的温度、湿度进行监测。cpu对温度，湿度采集到数据后，主控pcb板上的无线传输模块发送到无线终端上，无线终端上的应用程序内设有调律助手页面，此页面会显示对应钢琴内的温度、湿度和使用频率。其中使用频率采集方法为，在钢琴使用按键采集实现方法和延音踏板采集方法时，cpu对所有按键按下的保持时间作为基数进行累加，并以毫秒为单位对累加的数据进行时间转换成天数和小时制。
44.本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。