单片机实例分享，触摸式电钢琴

我这次带来的是一款触摸式电钢琴，细心的读者可能会注意到，我用的词是“电钢琴”而不是“电子琴”，这两者有区别吗?我的回答是肯定的，因为这正是本作品的亮点所在。用单片机演奏音乐大家肯定都不会陌生，用单片机内部的定时器，送入不同的频率，每一个频率对应着一个音调，然后按照事先编排好的顺序驱动蜂鸣器发声，就可以演奏出音乐了。至于电子琴，只需要把不同的频率映射到对应按键上即可。之所以说是电子琴，是因为这种方法只能演奏出单调的方波音频。想不想让声音不再单调，而是发出动听的钢琴音色呢?如果想的话，请拿出你的热情，打开你的电烙铁开关，跟我一起往下制作吧!

制作所需的元器件如表9.1所示。本着精简制作的原则，笔者用到的都是很普通的元器件，数量也很少，所以硬件制作的难度不是很大。连接部分则是过锡走线加飞线的方法，烙铁温度在350℃左右即可。电路图如图9.1所示，值得说明的一点是，图中的矩阵触摸按键这里只画出了1组，其实有3组，公共端分别与P0.0、P2.2、P2.1连接。剩下部分的电路都很明了，有创造力的朋友看电路图自行发挥就好，新手可以参考一下我的布局。

表9.1 制作所需的元器件

图9.1 电路原理图

先把打印好的琴键图片裁好，用双面胶贴在洞洞板上，如图9.2所示。

图9.2 在洞洞板上贴琴键图片

怎么样，是不是很有电钢琴的样子?你说触摸按键在哪里?别着急，让我请出下面这位特别来宾——钉书针。为了整个制作的美观和手感，触摸点的选取费了我很大的心思，试了很多种导体都无法达到满意的效果，直到有一天无意中把钉书针掉在了洞洞板上，我发现它那细长又导电的身体，长度刚刚好可以插进洞洞板，才有了这个有趣的设计。如图9.3所示，按照琴键的位置插好钉书针，并在背面压紧。

以此类推，完成36个键不会像你想象的那么枯燥，美妙的琴声在等着你。之后用双面胶把扬声器粘在板子正面，并完成扬声器导线、单片机、下载口、拨动开关、耳机插座、LED、功放芯片以及电解电容的焊接。焊接好的样子如图9.4所示。

图9.3 插入钉书钉

图9.4 焊接好的琴键

接下来是触摸按键矩阵与单片机的连接，我的方法是过锡加飞线。先把单片机正下方的一组矩阵按键与两边矩阵的公共端过锡连接到I/O口上(见图9.5)，然后用免刮漆包线把两侧矩阵要与I/O连接的地方同中间过锡部分连接起来(见图9.6)。

图9.5 洞洞板焊接面的过锡

图9.6 用免刮漆包线进行飞线连接

到这里，原本硬件制作部分就应该完成了，但是在后期测试的过程中，总会有上电时乱响的情况。仔细思考后，发现了问题所在：因为触摸按键是基于增强型51单片机的I/O口高阻状态(下文会详细介绍)，这种状态对电流的波动很敏感，会受到电源杂波的干扰。所以在正极和地之间加了一个0.1μF电容，效果有很大好转。顺便一提，使用电池供电效果最好。

到此就剩下载程序了，可以到qq群657864614下载相关程序，然后用STC-ISP软件下载到单片机里。注意，如果单片机是新的或者上一次使用连接了晶体振荡器的话，要先连接好晶体振荡器才能下载程序。软件设置如图9.7所示。

图9.7 软件设置

如果我现在结尾，肯定有人说我不地道，因为大家最想听的软件原理我还没有说明。别急，听我娓娓道来。

先说触摸吧，前面提到I/O口的高阻状态，在这种状态下I/O口对电流很敏感，那是不是只要接触I/O口，就能用人体的生物电完成触摸了呢?哎，好事多磨，虽然它很敏感，但是生物电的强度还是不能稳定地被感应。怎么办呢?冷静下来想一想，只要再请一个强推状态的I/O口来帮忙就好办了。所谓强推状态，就是比普通准双向I/O口上拉能力强很多的一种状态。这样，在我们同时触碰这两个I/O时，强推I/O口的电流就通过皮肤流入高阻状态的I/O口，从而读到电平变化，实现触摸操作。

这么好用的功能怎么设置呢，大家可以参照STC数据手册里的设置方法。当我们用C语言设置I/O状态时，只需向P*M1、P*M0赋值(0x开头的16进制格式)即可，如图9.8所示。

图9.8 用C语言设置功能

接下来到了发音部分。把要播放的音频先在电脑上用专业的音频软件转换成 ASCII Test 数据，稍加改造变成数组后放入单片机 60KB 的 ROM 里，配合 PWM 解码程序，一个在你进门时甜美地说出“你好，欢迎光临”，一个则是在你触摸琴键后发出钢琴的音色。

专业的音频软件有很多，我用的是一款名为“Adobe Audition 3.0”的软件。简洁的界面、强大的功能，都是我选择它的原因。接下来要讲的是使用方法，准备好从网上下载到的音频，你可以用鼠标拖入音轨中，也可以对着一条空音轨单击“右键→插入→音频”来把你的音频放入音轨中。这时音轨可能没有紧贴前端，这样会制造出一段空白音频，这部分不但影响正常工作，还很占空间，用右键点住它向前拖动，直到与前端紧贴，如图9.9所示。

之后双击“音频”，进入编辑模式。在这个模式下，我们要做的是删除空白和扩大音量。向上滚动滑轮，让时间间隔变小，前端的空白就会变得明显，去除它的原因跟上面一样。我们用左键框选出空白部分，然后单击“右键→剪切”来删除空白，如图9.10所示。

图9.9 Adobe Audition3.0界面

图9.10 删除空白音频

随后按“Ctrl+A”快捷键全选波形，单击左边效果栏里的“放大”，调整好合适的放大倍数后，单击“确认”，以完成放大操作，见图9.11。

图9.11 扩大音量

单击左上角的“文件→另存为”，这时会弹出一个选择格式和保存路径的窗口，下方的保存类型我们选择“ACW波形(*.wav)”，单击下方的选项，滤波器处改为“PCM”，属性处改为“8.000kHz，8位，单声道”，然后“确定→保存”，如果弹出窗口点击确定即可，见图9.12。这样就把音频转成了8位单声道，为后面的数据表文件做好了准备。

图9.12 保存音频文件

接下来软件会自动载入刚刚保存的音频，再单击左上角的“文件→另存为”，在弹出的窗口里选择“ASCII 文本数据(*.txt)”，然后单击下方的选项，把两个勾选框的对勾都点掉，再单击“确定→保存”，就完成了ASCII Test数据的转换，如图9.13所示。

图9.13 ASCII Test数据转换

这样重复36次之后，我们就得到了36个音调的8位音频数据了。打开电钢琴的工程文件，在程序的C语言文件下方有36个用音调名命名的数据表文件。只要把刚刚生成的数据复制到对应数据表中就大功告成了。

不过要注意开始处数组的定义和每个数据后的逗号，编译器可不会被你的急切所打动。我这里只是抛砖引玉，感兴趣的话可以在网上找到更多乐器的音色，让它变得更好玩、更强大。在茶余饭后悄悄拿出它，为家人弹奏一曲。简单的儿歌，或者经典的旋律，不管你音乐水平的高低，总能在家人欢乐的笑声中感受到电子制作带给你的幸福!

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全自动弹钢琴装置

1.项目起源

一次逛B站的时候我偶然看到有人做了音乐游戏《别踩白块》的物理外挂【图1】，在屏幕上贴几个光敏电阻，通过光敏电阻判断是否是黑块，黑块走到电阻下边，它的阻值发生会变化，利用这点做逻辑判断，再触发对应位置的手机屏幕，代替了手指点击屏幕，能玩到非常高的分数，超出人类反应极限的那种速度。我一下想起来了我在地下室吃灰的电钢琴，如果我也用某个装置代替手指，再控制不同的手指在特定的时间按下，那岂不是就能全自动弹琴了，这想想就很有意思。

图1别踩白块物理外挂

2.材料准备

2.1电机

我的目的是把琴键按下，现在有很多电机都能用来按琴键：比如减速丝杆电机，舵机，步进电机等等，那我不可能把市面上所有的电机全买回来一个个测试，我的钱包不允许这个操作，这就需要明确一下对手指的具体要求。

1.力量大：（琴键的力量大约是100g，也就是1牛顿，得比这个有劲儿才能按的动）

2.速度快：（琴键是按得越猛，声音越大，按得越温柔，声音越小，但是慢到一定程度后它是不响的）

3.行程长：（琴键末端能按下去大约10mm，行程不能低于它，太短小的话即便再快也按不响）

4.体积小：（琴键宽22mm，手指要与琴键一对一排布，太宽了就对不齐了）

5.易控制：（这个项目是做着玩的，整的太复杂就没必要了）

最终选择了电磁铁【图2】作为手指，这个东西它外边是线圈，里边有个磁芯，给这个线圈通电后产生磁场，使磁芯向下移动，线圈断电后释放磁芯，靠弹簧的力量再让磁芯复位。

只要把它竖着用，就可以拿它来按琴键。最重我选择了1039B这款作为本项目的“手指”，它最小力量1.5N，吸合动作瞬间完成，行程12mm，宽度20mm，只需要通断电就能控制，完美符合手指的所有要求

图 2电磁铁

2.2继电器

电磁铁相对控制芯片电压高，电流大，芯片是不能直接驱动的，这就需要单独的电路驱动，再用通断电控制。

继电器就是专门用来控制电路通断的，常用的有机械继电器【图3】和固态继电器【图4】这两种。

图表 3机械继电器

图表 4固态继电器

他们的主要区别是工作原理的不同，

机械继电器是靠线圈通电，吸引衔铁到触点实现闭合，这一过程会有‘咔哒咔哒’的声音，且需要一定的时间，大约是几十毫秒，这对速度很快的曲子是有影响的，可能达不到那么高的按键频率。

而固态继电器是通过半导体控制通断，完全无声且响应速度极快，一般在1毫秒左右

毫无疑问的选择用固态继电器

2.3 IO扩展模块

现在有35个电磁铁和继电器，也就需要35路控制信号来指挥他们，未来还可能扩展更多的键。

一般的控制芯片没有这么多路信号，不能直接一对一的进行控制

所以需要对信号线路的数量进行扩展，以便用少量的线路控制大量的信号。

这里我选择了MCP23017 IO扩展板【图5】

有了它以后，只要两根线，最多可控制128路信号，钢琴一共才88键，足够用了

图表 5MCP23017 IO扩展板

2.4 主控板

这个项目对性能要求不高，所以一般常用的单片机都可以满足要求，选个自己喜欢的就好，这里我选择使用ESP32-S3核心板【图6】作为主控，它的网络资料相对丰富一些

图表 6 ESP32-S3

2.5 主体框架

因为用了很多电磁铁，铁疙瘩和铜线圈，他们会很重，所以使用了铝合金作为框架，这样比较结实一些。

其他材料

与电磁铁电压匹配的直流电源（这里我用的是24V的），

电烙铁，电线等一些电子常用工具

3.硬件设计

整个项目中唯一运动的机构就是电磁铁，所以只要把电磁铁与琴键对齐，其他的零件固定好就可以。

但最好在设计位置的时候使信号线路的走线尽可能的短。【如图7】

图表 7硬件设计

4. 组装

组装要按照从强（高电压）到弱（低电压）的顺序安装，并且每装好一步都要进行测试，确保没问题再继续。

否则装到最后发现第一步错了，要全都拆了重装，那就太酸爽了。

另一个要注意的点就是走线尽可能的短，简洁，赏心悦目的同时也方便之后的维修升级。

下面是安装完成的驱动电路【图8】和控制电路【图9】

图表 8 驱动电路

图表 9信号电路

5.代码

因为对性能要求不高，所以python就行，简单好用

首先需要设计一个数据结构保存乐谱，这里我用了字典中的键，表示琴谱的键值，也是do rai mi，数字表示时值，也就是这个键按下的时长，再将多个字典按顺序组成列表，这样就把旋律转化为了代码

按照这个逻辑，录入一段旋律代码。

# 上学歌：曲速

song_speed = 250

# 上学歌：旋律

school_melody = [{"M1": 1}, {"M2": 1}, {"M3": 1}, {"M1": 1},

{"M5": 4},

{"M6": 1}, {"M6": 1}, {"H1": 1}, {"M6": 1},

{"M5": 4},

{"M6": 1}, {"M6": 1}, {"H1": 2},

{"M5": 1}, {"M6": 1}, {"M3": 2},

{"M6": 1}, {"M5": 1}, {"M3": 1}, {"M5": 1},

{"M3": 1}, {"M1": 1}, {"M2": 1}, {"M3": 1},

{"M1": 4}]

# 上学歌：和弦

school_chord = [{"L1": 4}, {"L3": 4}, {"L4": 4}, {"L3": 4}, {"L4": 4},

{"L3": 4}, {"L2": 4}, {"L5": 4}, {"L3": 4}]

再写一个驱动，驱动的目的是把刚才的数据，转化为对应电磁铁的动作执行

代码写的对不对呢，实践出真知，执行代码测试一下

【驱动代码】

# 驱动函数

def key_val(key, val=1):

if key[:2] == "LL": # 倍低音

IO_L12[15 - int(key[-1])].output(val)

elif key[:2] == "HH": # 倍高音

IO_L5[7 - int(key[-1])].output(val)

elif key[:1] == "L": # 低音

IO_L12[7 - int(key[-1])].output(val)

elif key[:1] == "M": # 中音

IO_L34[15 - int(key[-1])].output(val)

elif key[:1] == "H": # 高音

IO_L34[7 - int(key[-1])].output(val)

else:

print("键值有误！")

# 将旋律和弦列表转为时间戳列表

def song_to_events(speed, *key_time_list):

events = []

for chord in key_time_list:

# 设置起始时间为0

start_event_time = 0

for event in chord:

events.append(dict(time=start_event_time, key=list(event.keys())[0], val=1))

events.append(dict(time=start_event_time + speed * list(event.values())[0] - up_time,

key=list(event.keys())[0], val=0))

start_event_time += speed * list(event.values())[0]

# 对事件列表按时间戳进行排序

events.sort(key=lambda x: x["time"])

return events

# 演奏时间戳列表

def play(events):

events_len = len(events)

index = 0

start_time = time.ticks_ms() # 记录当前时间

while True:

current_time = time.ticks_ms() # 获取当前时间

# 如果事件列表都跑完了，退出循环

if index >= events_len:

break

# 数据结构：{'time': 544, 'key': 'M2', 'val': 0}

if time.ticks_diff(current_time, start_time) >= events[index]["time"]:

key_val(events[index]["key"], events[index]["val"])

index += 1 # 切换到下一个旋律音符

6．测试与问题

测试后一切正常，旋律非常精准。上学歌能弹奏，那么无论多复杂的旋律就都可以弹奏了。

但现在有个小小的问题，那就是弹奏期间电磁铁的噪音太大了，多次测试以后我发现噪音主要来源与以下两点。

那我的解决方式也很简单粗暴，1把螺纹打磨平【图10】 2.在撞击的位置套一个减震的胶圈【图11】

图表 10 打磨螺纹

图表11 套减震胶圈

7. 最终展示

【展示视频】

「链接」

8. 未来改进

再次测试后噪音大大减弱了，但毕竟是机械运动，不可能完全静音，噪音方面目前已经达到了比较理想的状态了。

但是还有些其他的点可以在将来做改进升级：

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