一種由微電腦控制的自動多功能鋼琴的製作方法
2023-09-21 12:24:50 3
專利名稱：一種由微電腦控制的自動多功能鋼琴的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種自動鋼琴，具體地說，涉及鋼琴的驅動裝置、檢測裝置和靜音裝置。
鋼琴是樂器之王，隨著電子技術的發展，尤其是微電腦的普遍應用，使鋼琴在保持原有的傳統優勢外，更賦予它許多功能，從而滿足人們欣賞、練習、教學等多層面的需要。
如發明專利「用於致動自動鋼琴中的螺線管樂器的方法和裝置」(申請日1997.8.27；申請號97199196.0)，其中樂器數字接口(MIDI)速度值被轉換成螺線管驅動信號，由螺線管驅動信號致動計數器，並按照螺線管驅動信號由計數器激勵螺線管。中央處理單元(CPU)從數據存儲裝置中讀出MIDI數據，並從存儲中只讀存儲器(ROM)中的查閱表中選擇相應的螺線管驅動參數。螺線管驅動參數被包含計數器的驅動電路轉換成脈寬調製波形。PWM信號被發送到和螺線管相連的場效應電晶體(FET)開關的控制極，並且螺線管按照PWM信號被FET激勵。
又如發明專利「鍵盤樂器及其中使用的位置檢測裝置和發光控制裝置」(申請日1999.9.18；申請號99122380.2)，是一種自動演奏鋼琴，它具有一個位置探測裝置，用來探測黑/白鍵的當前位置，該位置探測裝置使光束穿過黑/白鍵的軌跡，其中，位置探測裝置存儲了光量度的相對值與當前位置之間的可變關係，以便確定其當前位置，這樣，該位置探測裝置便可以保證當前位置的可靠性，使之不受時間的影響。
本實用新型的目的就在於克服現有技術存在的缺點和不足，而提供一種由微電腦控制的自動多功能鋼琴。
本實用新型的目的是這樣實現的本實用新型是在原傳統綱琴上通過加裝一套微電腦和執行機構而成為一種全新的鋼琴，要求具有以下三種功能，並採用單獨鑽孔的工藝①自動演奏功能，是在鋼琴全部琴鍵及踏板下面裝有一套驅動裝置，主要是電磁鐵，電磁鐵由內置的微電腦驅動，微電腦通過解讀已錄製好的鋼琴演奏信息，控制驅動電磁鐵電流的大小和時間的長短，使能模擬人彈奏鋼琴力度及長短的變化。由於微電腦的運行速度非常高，因而非常完美地還原鋼琴演奏家的彈奏技巧，甚至還能演奏出鋼琴演奏家無法彈奏的技法。
②錄製功能，是在鋼琴全部琴鍵及踏板下面裝有一套檢測裝置，主要是電子傳感器，電子傳感器與內置的微電腦相連。當鋼琴演奏者彈奏鋼琴時，微電腦通過電子傳感器準確地記錄演奏者彈奏的力度及時間的長短，將彈奏的旋律及感情以電子信息的形式記錄下來，供以後在鋼琴上回放或供電子合成系統合成電子音樂。
③靜音功能，是在鋼琴的琴槌與琴弦之間加裝一套機械裝置，當機械裝置被置位時，琴槌被機械裝置阻擋而不能撞擊琴弦。此時彈奏鋼琴，是無法發聲的。採用上述機械裝置，微電腦可以採集演奏者全部的彈奏信息。根據彈奏信息，微電腦可實時地合成電子音樂並通過揚聲器或耳機播放出來。
④還有，本實用新型驅動機構的安裝一般都需要將鋼琴中盤靠近鋼琴的琴板處整體切下。這樣，一方面切割操作比較困難，另一方面由於鋼琴中盤切割下的面積較大，對鋼琴結構強度的影響也相應增加。考慮到這些原因，本實用新型採用了單獨鑽孔的工藝，使驅動機構的安裝對鋼琴中盤的破壞減小到最小程度。這樣的方案對驅動電磁鐵的定位精度要求則更高，本實用新型的設計則能精確定位，滿足要求。
下面詳細說明驅動裝置包括驅動機構和驅動電路，驅動機構主要由脈衝式直流電磁鐵組成。88個電磁鐵被固定在一整塊鋁合金型材上，每個電磁鐵在排列線上都可以自動調整，以適應不同型號的琴型，鋁合金安裝板可以上下左右及前後調整，然後緊固下來。電磁鐵芯上安裝有一支非磁性頂杆，頂杆上方安裝有橡膠頭，電磁鐵芯及頂杆位於每個琴鍵擊弦機的正下方。這樣，電磁鐵芯運動，可以恰好擊中擊弦機。同時擊弦機正下方鑽88個孔對鋼琴中盤的破壞最小，電磁鐵不與立式琴板發生任何接觸，不會對鋼琴強度與音樂聲學性能產生任何影響。
檢測裝置包括檢測機構和檢測電路，檢測機構採用光電管並加遮光片的結構。遮光片通過一支小的扭力彈簧與琴鍵接觸，琴鍵上不加裝任何裝置，因而安裝極為簡單。當琴鍵被彈奏時，琴鍵帶動遮光片向下運動。遮光片被加工成一種流線型的形狀。當遮光片向下運動時，使遮住的光線逐步增加，使遮光片的物理位置與光通量呈線性關係，這樣測出光電管的電信號就可以測得琴鍵的物理位置，即可達到記錄鋼琴的演奏信息。由於鋼琴的延音踏板沒有力度變化，只記錄踩下與抬起兩種狀態，因而比琴鍵記錄簡單，只用一個微動開關檢測即可。
電磁鐵的驅動電壓為經過調製的60V脈衝電壓，樂曲的控制信息經系統CPU解釋為鍵值時間與強度的二進位編碼，傳至FPGA可編程晶片，由FPGA分解成各個電磁鐵的脈衝信號，信號經場效應管放大後驅動電磁鐵芯工作。
由於FPGA為硬體時序，可以高效地完成高頻脈衝時序，FPGA的時鐘為4MHz，脈寬解析度為7位二進位，CPU將地址信息即鍵的編碼0-87和延音踏板88號鍵傳至FPGA後，接著傳動作強度信息，其中強度0為鍵位抬起信號，強度127為最強音，由於電磁鐵芯的靜磨擦的存在，強度信號與電控信號不為線性，電控信號存在一個閾值，FPGA的強度值以4MHz為基頻調製成0-100％佔空比的控制信號，同時疊加上電磁鐵靜磨擦的電控信號閾值，傳給功率電路部分，最後驅動電磁鐵運動。
電路軟硬體都採取了保護設計，每個控制信息都採用冗全校驗和編碼校驗和錯誤的信息被認為是幹擾信息予排除，並請求重新傳送。
每個動作的彈奏時間限制在4秒以內，若樂曲單鍵動作超過4秒則需要傳送第二幀彈奏信息，若出現幹擾誤動作電磁鐵不會長期通電造成電磁鐵燒壞。
CPU通過定時掃描光電管，將全部88個鍵掃描一遍，測出鍵的當前位置。當有鍵被按下時，CPU掃描到該鍵時測得的光信號就會減弱，根據標定數據，即可算出該鍵的物理位置。
為了得到標定數據，檢測裝置在出廠前及使用過程中需要標定操作。標定過程分兩步進行第一步琴鍵在自然狀態，記錄下此時的光電信號，對於光電信號小於設計值的還需通過D/A轉換器提高發光二極體的激勵電壓，使其能夠工作在線性範圍；第二步將琴鍵用均勻的力度按到底，記錄下此時的光電信號，這樣就得到了琴鍵的整個行程位置信號參考值，在此範圍內所有信號均可以計算出其物理位置。裝置組成有CPU，移位計數器作88鍵掃描用，D/A轉換器作調整發光二極體發光量用。
AMP放大器為測定光電信號放大器。
A/D高速8位模數轉換器，轉換光電信號。
CPU將琴鍵的位置信息，按照MIDI的規範將其轉化為MIDI的標準信息，實現記錄、轉存交流的目的。
在鋼琴上加裝一個機械裝置，當該裝置被置位時，鋼琴的琴鍵被擋杆擋住，演奏者彈奏時琴鍵不能撞擊琴弦，因而不能發聲；整個演奏系統只有琴槌不能運動，琴鍵仍然運動自如，演奏者彈奏手感沒有發生任何變化。此時錄音裝置正常工作，演奏者每一個彈奏細節仍然能被準確地檢測出來；彈奏信息包括鍵值強度、時長等。通過電子合成技術將彈奏信息實時地合成鋼琴聲，經過功率放大再通過有線或無線耳機播放出來，將鋼琴模擬地演奏給特定的人員聽。
本實用新型具有以下優點和積極效果①本實用新型通過對鋼琴自動演奏、錄音和靜音的有機結合，全面提升傳統鋼琴的性能。
②本實用新型通過運用先進的微電子技術，將演奏、錄音、靜音三個相對獨立的功能集成在一起，使其功能更加強大、靈活，增加了系統的可靠性。
③本實用新型性能價格比高，操作方便。
以下結合附圖進一步說明
圖1為本實用新型組成框圖；圖2為驅動機構結構圖圖3為檢測機構結構圖；圖4為驅動電路圖；圖5為檢測電路圖；圖6為光電轉換電路圖；其中1-微電腦；2-驅動裝置；3-檢測裝置；4-耳機播放裝置；5-記錄及存貯裝置；6-操作及顯示面板；2.1-驅動機構，2.1.1-電磁鐵，2.1.1.1-電磁鐵芯，2.1.1.2-電磁線圈，2.1.2-琴板，2.1.3-頂杆，2.1.4-橡皮頭，2.1.5-安裝螺栓；2.2-驅動電路，2.2.1-放音控制電路CPU，2.2.2-波形發生器，2.2.3-功率放大器，2.2.4-上位機接口，2.2.5-電磁鐵芯接口；3.1-檢測機構，3.1.1-光電管，3.1.2-遮光片，3.1.3-扭力彈簧，3.1.4-琴鍵；3.2-檢測電路，3.2.1-光電管電路接口，3.2.2-光電管反饋信號放大電路，3.2.3-檢測電路CPU，3.2.4-上位機接口，3.2.5-掃描電路。
由
圖1、圖2、圖3可知，本實用新型由微電腦1和分別與微電腦1相互連結的驅動裝置2、檢測裝置3、耳機播放裝置4、記錄及存貯裝置5、操作及顯示面板6組成；驅動裝置2由相互連結的驅動機構2.1和驅動電路2.2組成；檢測裝置3由相互連結的檢測機構3.1和檢測電路3.2組成。
在放音時，微電腦通過記錄及存貯裝置5將演奏信息讀取出來，經過解碼，將解碼後的控制信息傳送給驅動機構2.1，電磁鐵芯2.1.1.1在電流的作用下而上下運動，帶動琴鍵3.1.4發聲。
在錄音時，檢測裝置3將檢測到的琴鍵3.1.4的位置信息送給微電腦1，微電腦1將其轉換為文件格式信息後傳送給記錄及存貯裝置5記錄下來。
在靜音時，微電腦1將琴鍵3.1.4的位置轉換成控制信息傳送給耳機播放裝置4，耳機播放裝置4將控制信息合成為鋼琴聲播放出來。
由圖2可知，驅動機構2.1由電磁鐵2.1.1、頂杆2.1.3、橡皮頭2.1.4組成，電磁鐵2.1.1包括電磁鐵芯2.1.1.1和電磁線圈2.1.1.2；電磁鐵2.1.1由安裝螺栓2.1.5緊固在琴板2.1.2上，電磁鐵芯2.1.1.1上端固定有頂杆2.1.3，頂杆2.1.3上端安裝有橡皮頭2.1.4。由此可見，當電磁線圈2.1.1.2得電後，電磁鐵芯2.1.1.1及頂杆2.1.3向上運動，頂杆2.1.3通過橡皮頭2.1.4緩衝，再撞擊到琴鍵3.1.4上使琴弦發聲。
由圖3可知，檢測機構3.1由光電管3.1.1、遮光片3.1.2、扭力彈簧3.1.3組成，遮光片3.1.2為一種流線型的形狀；在安裝光電管3.1.1的支架上還安裝有扭力彈簧3.1.3，扭力彈簧3.1.3上連接有遮光片3.1.2，遮光片3.1.2置於琴鍵3.1.4下。由此可見，當琴鍵3.1.4被演奏者按下時，帶動遮光片3.1.2向下運動，遮光片3.1.2由於位置不同則遮到光電管3.1.1的光也有不同，通過檢測光電管3.1.1光通量的大小，即可檢測琴鍵3.1.4的位置。
由圖4可知，驅動電路2.2由放音控制電路CPU2.2.1、波形發生器2.2.2、功率放大器2.2.3組成；放音控制電路CPU2.2.1的輸入端通過上位機接口2.2.4與微電腦1相連接，輸出端與波形發生器2.2.2相連接；波形發生器2.2.2與功率放大器2.2.3相連接，功率放大器2.2.3通過電磁鐵芯接口2.2.5與電磁線圈2.1.1.2相連接。由此可見，微電腦1的控制信息由上位機接口2.2.4傳入放音控制電路CPU2.2.1，再將控制信息分配到波形發生器2.2.2，波形發生器2.2.2將控制信息分解為電磁鐵2.1.1的驅動電平，驅動電平經功率放大器2.2.3放大後，由電磁鐵芯接口2.2.5傳給電磁線圈2.1.1.2。
由圖5可知，檢測電路3.2由放大電路3.2.2和檢測電路CPU3.2.3組成，並相互連接；放大電路3.2.2通過接口3.2.1與光電管3.1.1相連接，檢測電路CPU3.2.3通過上位機接口3.2.4與電腦1相連接。由此可見，光電管3.1.1的位置模擬量信號由接口3.2.1傳入，經放大電路3.2.2後傳入檢測電路CPU3.2.3，檢測電路CPU3.2.3再將信號轉化為位置信息後經上位機接口3.2.4傳入微電腦1。
由圖6可知，光電轉換電路由光電管3.1.1與掃描電路3.2.5組成並相互連接，掃描電路3.2.5通過接口3.2.1與檢測電路CPU3.2.3相連接。由此可見，光電管3.1.1由掃描電路3.2.5驅動後，將檢測信號由接口3.2.1傳入檢測電路CPU3.2.3。
本實用新型使用方法是放音時，將帶有鋼琴彈奏的軟盤插入軟碟機，此時控制器顯示屏顯示第一首曲子的曲名，按 鍵則顯示第二首曲子的曲名，再按則繼續向前；按 則相反，向前尋找曲名。按 則開始彈奏；按 則暫停；按「□」則停止彈奏；按紅色「○」鍵則開始錄音；按「□」鍵則錄音結束。
由於本實用新型具有多功能，性能價格比高，操作方便，因此有著廣闊的應用前景。
權利要求1.一種由微電腦控制的自動多功能鋼琴，含有普通的鋼琴和常用的耳機播放裝置(4)、記錄及存貯裝置(5)、操作及顯示面板(6)，其特徵在於加裝一套微電腦(1)和驅動裝置(2)、檢測裝置(3)，即其由微電腦(1)和分別與微電腦(1)相互連結的驅動裝置(2)、檢測裝置(3)、耳機播放裝置(4)、記錄及存貯裝置(5)、操作及顯示面板(6)組成；驅動裝置(2)由相互連結的驅動機構(2.1)和驅動電路(2.2)組成；檢測裝置(3)由相互連結的檢測機構(3.1)和檢測電路(3.2)組成。
2.按權利要求1所述的一種由微電腦控制的自動多功能鋼琴，其特徵在於驅動機構(2.1)由電磁鐵(2.1.1)、頂杆(2.1.3)、橡皮頭(2.1.4)組成；電磁鐵(2.1.1)包括電磁鐵芯(2.1.1.1)和電磁線圈(2.1.1.2)；電磁鐵(2.1.1)由安裝螺栓(2.1.5)緊固在琴板(2.1.2)上，電磁鐵芯(2.1.1.1)上端固定有頂杆(2.1.3)，頂杆(2.1.3)上端安裝有橡皮頭(2.1.4)。
3.按權利要求1所述的一種由微電腦控制的自動多功能鋼琴，其特徵在於檢測機構(3.1)由光電管(3.1.1)、遮光片(3.1.2)、扭力彈簧(3.1.3)組成；遮光片(3.1.2)為一種流線型的形狀；在安裝光電管(3.1.1)的支架上還安裝有扭力彈簧(3.1.3)，扭力彈簧(3.1.3)上連接有遮光片(3.1.2)，遮光片(3.1.2)置於琴鍵(3.1.4)下。
4.按權利要求1所述的一種由微電腦控制的自動多功能鋼琴，其特徵在於驅動電路(2.2)由放音控制電路CPU(2.2.1)、波形發生器(2.2.2)、功率放大器(2.2.3)組成；放音控制電路CPU(2.2.1)的輸入端通過上位機接口(2.2.4)與微電腦(1)相連接，輸出端與波形發生器(2.2.2)相連接；波形發生器(2.2.2)與功率放大器(2.2.3)相連接，功率放大器(2.2.3)通過電磁鐵芯接口(2.2.5)與電磁線圈(2.1.1.2)相連接。
5.按權利要求1所述的一種由微電腦控制的自動多功能鋼琴，其特徵在於檢測電路(3.2)由放大電路(3.2.2)和檢測電路CPU(3.2.3)組成，並相互連接；放大電路(3.2.2)通過接口(3.2.1)與光電管(3.1.1)相連接，檢測電路CPU(3.2.3)通過上位機接口(3.2.4)與電腦1相連接。
6.按權利要求1所述的一種由微電腦控制的自動多功能鋼琴，其特徵在於光電轉換電路由光電管(3.1.1)與掃描電路(3.2.5)組成並相互連接，掃描電路(3.2.5)通過接口(3.2.1)與檢測電路CPU(3.2.3)相連接。
專利摘要本實用新型涉及一種自動鋼琴,具體地說,涉及鋼琴的驅動裝置、檢測裝置和靜音裝置。為了在原傳統綱琴上通過加裝一套微電腦和執行機構而成為一種全新的鋼琴,本實用新型由微電腦和分別與微電腦相互連結的驅動裝置、檢測裝置、耳機播放裝置、記錄及存貯裝置、操作及顯示面板組成;驅動裝置由相互連結的驅動機構和驅動電路組成;檢測裝置由相互連結的檢測機構和檢測電路組成。由於具有多功能,性能價格比高,操作方便,因此有著廣闊的應用前景。
文檔編號G10F1/02GK2497390SQ0125191
公開日2002年6月26日 申請日期2001年9月18日 優先權日2001年9月18日
發明者張天昌, 王建業, 郭步高 申請人:武漢科恆工控工程有限責任公司