原標(biāo)題：基于 Arduino 的紙鋼琴設(shè)計(jì)（示意圖+代碼）

引言

在創(chuàng)客文化和 STEM 教育日益普及的今天，基于 Arduino 的項(xiàng)目因其開源、易用、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，成為了許多電子愛好者、教育工作者和學(xué)生的首選。紙鋼琴項(xiàng)目，作為一個(gè)集創(chuàng)意、電子、編程和音樂于一體的綜合性項(xiàng)目，不僅能夠鍛煉參與者的動(dòng)手能力、編程思維和音樂感知能力，還能激發(fā)他們對(duì)科技和藝術(shù)的興趣。本文將詳細(xì)介紹如何基于 Arduino 設(shè)計(jì)一款紙鋼琴，包括設(shè)計(jì)思路、所需元器件、電路連接、代碼實(shí)現(xiàn)等方面。

設(shè)計(jì)思路

紙鋼琴的設(shè)計(jì)核心在于利用 Arduino 開發(fā)板控制聲音輸出，通過簡(jiǎn)單的電路連接和編程，實(shí)現(xiàn)按鍵觸發(fā)音符播放的功能。為了增加趣味性和互動(dòng)性，我們還可以在紙上繪制鋼琴鍵盤，通過導(dǎo)電材料（如銅箔膠帶）將按鍵與 Arduino 連接起來，從而實(shí)現(xiàn)在紙上“彈奏”鋼琴的效果。

所需元器件

Arduino 開發(fā)板

• 型號(hào)：Arduino Uno R3

• 作用：作為整個(gè)項(xiàng)目的核心控制器，負(fù)責(zé)接收按鍵輸入信號(hào)，并控制蜂鳴器輸出相應(yīng)的音符聲音。

• 選擇理由：Arduino Uno R3 是一款非常流行的開源硬件開發(fā)板，具有易于使用、功能強(qiáng)大、社區(qū)資源豐富等特點(diǎn)。它提供了足夠的數(shù)字輸入/輸出引腳，能夠滿足紙鋼琴項(xiàng)目的需求。

• 功能：Arduino Uno R3 搭載了 ATmega328P 微控制器，具有 14 個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳、6 個(gè)模擬輸入引腳、1 個(gè) 16MHz 晶振、1 個(gè) USB 接口等。通過編寫代碼，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種電子元件的控制。

蜂鳴器

• 型號(hào)：有源壓電蜂鳴器

• 作用：作為聲音輸出元件，根據(jù) Arduino 發(fā)出的控制信號(hào)發(fā)出不同頻率的聲音，模擬鋼琴音符。

• 選擇理由：有源壓電蜂鳴器具有體積小、功耗低、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，且易于與 Arduino 連接和控制。它能夠直接發(fā)出聲音，無需額外的音頻放大電路。

• 功能：當(dāng)接收到 Arduino 發(fā)出的特定頻率的方波信號(hào)時(shí)，蜂鳴器內(nèi)部的壓電陶瓷片會(huì)振動(dòng)，從而產(chǎn)生聲音。通過改變方波的頻率，可以改變蜂鳴器發(fā)出的聲音音調(diào)。

按鍵開關(guān)

• 型號(hào)：輕觸按鍵開關(guān)

• 作用：作為紙鋼琴的按鍵，當(dāng)被按下時(shí)，會(huì)觸發(fā) Arduino 的數(shù)字輸入引腳，從而控制蜂鳴器發(fā)出相應(yīng)的音符聲音。

• 選擇理由：輕觸按鍵開關(guān)具有體積小、操作輕便、壽命長等特點(diǎn)，非常適合用于紙鋼琴項(xiàng)目。它們可以通過簡(jiǎn)單的電路連接與 Arduino 相連，實(shí)現(xiàn)按鍵觸發(fā)功能。

• 功能：當(dāng)按鍵被按下時(shí)，其內(nèi)部的觸點(diǎn)會(huì)閉合，從而使 Arduino 的數(shù)字輸入引腳接收到低電平信號(hào)。Arduino 根據(jù)接收到的信號(hào)判斷哪個(gè)按鍵被按下，并控制蜂鳴器發(fā)出相應(yīng)的音符聲音。

銅箔膠帶

• 作用：作為導(dǎo)電材料，用于在紙上繪制鋼琴鍵盤的按鍵部分，并將按鍵與 Arduino 的數(shù)字輸入引腳連接起來。

• 選擇理由：銅箔膠帶具有導(dǎo)電性好、易于粘貼、可裁剪等特點(diǎn)，非常適合用于紙鋼琴項(xiàng)目的電路連接。它可以將紙上的按鍵與 Arduino 的電路部分緊密地連接起來，實(shí)現(xiàn)按鍵觸發(fā)功能。

• 功能：將銅箔膠帶粘貼在紙上繪制好的按鍵位置上，然后通過導(dǎo)線將其與 Arduino 的數(shù)字輸入引腳連接起來。當(dāng)按鍵被按下時(shí)，銅箔膠帶會(huì)導(dǎo)通電路，使 Arduino 接收到按鍵觸發(fā)信號(hào)。

電阻

• 型號(hào)：10kΩ 電阻

• 作用：作為上拉電阻，連接在 Arduino 的數(shù)字輸入引腳與電源正極之間，確保在按鍵未按下時(shí)，Arduino 的數(shù)字輸入引腳能夠接收到穩(wěn)定的高電平信號(hào)。

• 選擇理由：10kΩ 電阻是一種常見的上拉電阻值，它能夠有效地將 Arduino 的數(shù)字輸入引腳拉至高電平，同時(shí)不會(huì)對(duì)電路造成過大的功耗。

• 功能：當(dāng)按鍵未按下時(shí)，由于上拉電阻的存在，Arduino 的數(shù)字輸入引腳會(huì)接收到電源正極的高電平信號(hào)。當(dāng)按鍵被按下時(shí)，按鍵內(nèi)部的觸點(diǎn)會(huì)閉合，將 Arduino 的數(shù)字輸入引腳拉至低電平，從而觸發(fā) Arduino 的中斷或輪詢程序。

導(dǎo)線

• 作用：用于連接各個(gè)元器件和 Arduino 開發(fā)板，形成完整的電路。

• 選擇理由：導(dǎo)線是電子制作中必不可少的材料，它具有良好的導(dǎo)電性和可彎曲性，能夠方便地連接各個(gè)元器件和 Arduino 開發(fā)板。

• 功能：將 Arduino 的數(shù)字輸入引腳與按鍵開關(guān)、銅箔膠帶等連接起來，形成完整的按鍵觸發(fā)電路；將 Arduino 的數(shù)字輸出引腳與蜂鳴器連接起來，形成完整的聲音輸出電路。

電源

• 型號(hào)：9V 電池或 USB 電源適配器

• 作用：為 Arduino 開發(fā)板和蜂鳴器等元器件提供工作電壓。

• 選擇理由：9V 電池具有體積小、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，適合用于便攜式紙鋼琴項(xiàng)目。USB 電源適配器則可以為 Arduino 提供穩(wěn)定的 5V 電壓，適合用于需要長時(shí)間工作的紙鋼琴項(xiàng)目。

• 功能：為 Arduino 開發(fā)板提供工作電壓，使其能夠正常運(yùn)行并控制各個(gè)元器件；為蜂鳴器等元器件提供工作電壓，使其能夠發(fā)出聲音。

電路連接

紙鋼琴的電路連接相對(duì)簡(jiǎn)單，主要包括按鍵觸發(fā)電路和聲音輸出電路兩部分。

按鍵觸發(fā)電路

1. 將每個(gè)按鍵開關(guān)的一端連接到 Arduino 的一個(gè)數(shù)字輸入引腳（如 D2、D3、D4 等）。

2. 將每個(gè)按鍵開關(guān)的另一端連接到地線（GND）。

3. 在每個(gè)數(shù)字輸入引腳與電源正極（VCC）之間連接一個(gè) 10kΩ 的上拉電阻。

聲音輸出電路

1. 將蜂鳴器的正極連接到 Arduino 的一個(gè)數(shù)字輸出引腳（如 D10）。

2. 將蜂鳴器的負(fù)極連接到地線（GND）。

代碼實(shí)現(xiàn)

紙鋼琴的代碼實(shí)現(xiàn)主要涉及到按鍵觸發(fā)檢測(cè)和音符播放控制兩部分。以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的 Arduino 代碼示例，用于實(shí)現(xiàn)紙鋼琴的基本功能。

#include "pitches.h"  // 包含音符頻率定義的頭文件



// 定義按鍵對(duì)應(yīng)的引腳和音符

const int buttonPins[] = {2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};  // 按鍵引腳

const int numButtons = sizeof(buttonPins) / sizeof(buttonPins[0]);  // 按鍵數(shù)量

const int buzzerPin = 10;  // 蜂鳴器引腳



int notes[] = {NOTE_C4, NOTE_D4, NOTE_E4, NOTE_F4, NOTE_G4, NOTE_A4, NOTE_B4, NOTE_C5};  // 音符頻率



void setup() {

// 初始化蜂鳴器引腳為輸出模式

pinMode(buzzerPin, OUTPUT);



// 初始化按鍵引腳為輸入模式，并啟用內(nèi)部上拉電阻

for (int i = 0; i < numButtons; i++) {

pinMode(buttonPins[i], INPUT_PULLUP);

}

}



void loop() {

// 遍歷每個(gè)按鍵引腳，檢測(cè)是否有按鍵被按下

for (int i = 0; i < numButtons; i++) {

if (digitalRead(buttonPins[i]) == LOW) {  // 按鍵被按下時(shí)，引腳電平為低

tone(buzzerPin, notes[i], 200);  // 播放對(duì)應(yīng)音符，持續(xù) 200 毫秒

delay(200);  // 等待音符播放完成

noTone(buzzerPin);  // 停止播放音符



// 防止按鍵抖動(dòng)，等待一段時(shí)間再檢測(cè)

while (digitalRead(buttonPins[i]) == LOW);

delay(50);

}

}

}

代碼說明

1. 包含頭文件：#include "pitches.h" 包含了音符頻率定義的頭文件，其中定義了各種音符對(duì)應(yīng)的頻率值（單位為 Hz）。

2. 定義變量：

• buttonPins[] 數(shù)組存儲(chǔ)了按鍵對(duì)應(yīng)的 Arduino 引腳編號(hào)。

• numButtons 變量存儲(chǔ)了按鍵的數(shù)量。

• buzzerPin 變量存儲(chǔ)了蜂鳴器連接的 Arduino 引腳編號(hào)。

• notes[] 數(shù)組存儲(chǔ)了每個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)的音符頻率。

3. setup() 函數(shù)：

• 初始化蜂鳴器引腳為輸出模式。

• 初始化按鍵引腳為輸入模式，并啟用內(nèi)部上拉電阻（通過 INPUT_PULLUP 模式實(shí)現(xiàn)）。

4. loop() 函數(shù)：

• 遍歷每個(gè)按鍵引腳，檢測(cè)是否有按鍵被按下（引腳電平為低）。

• 如果按鍵被按下，則使用 tone() 函數(shù)播放對(duì)應(yīng)音符，持續(xù) 200 毫秒。

• 播放完成后，使用 noTone() 函數(shù)停止播放音符。

• 為了防止按鍵抖動(dòng)導(dǎo)致的誤觸發(fā)，等待一段時(shí)間再檢測(cè)按鍵狀態(tài)。

調(diào)試與優(yōu)化

1. 調(diào)試電路連接：確保所有元器件都正確連接到 Arduino 開發(fā)板上，沒有虛焊、漏焊等問題。使用萬用表檢查電路是否導(dǎo)通，確保按鍵觸發(fā)電路和聲音輸出電路都正常工作。

2. 調(diào)試代碼：將代碼上傳到 Arduino 開發(fā)板上后，逐個(gè)按下按鍵，觀察蜂鳴器是否能夠正確發(fā)出對(duì)應(yīng)的音符聲音。如果某個(gè)按鍵無法觸發(fā)聲音或聲音不正確，檢查代碼中的引腳定義和音符頻率是否正確。

3. 優(yōu)化用戶體驗(yàn)：

• 調(diào)整音符的持續(xù)時(shí)間和音量大小，使演奏效果更加自然和悅耳。

• 增加按鍵防抖處理，避免按鍵抖動(dòng)導(dǎo)致的誤觸發(fā)問題。

• 可以考慮增加 LED 指示燈等元件，用于指示當(dāng)前播放的音符或按鍵狀態(tài)。

擴(kuò)展與應(yīng)用

1. 擴(kuò)展功能：

• 增加更多的按鍵和音符，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的旋律演奏。

• 添加錄音和重放功能，讓用戶能夠錄制自己演奏的旋律并重復(fù)播放。

• 使用電容式觸摸按鍵代替機(jī)械按鍵，提高紙鋼琴的靈敏度和美觀性。

2. 應(yīng)用場(chǎng)景：

• 作為 STEM 教育課程中的實(shí)踐項(xiàng)目，幫助學(xué)生掌握電子電路、編程和音樂等方面的知識(shí)。

• 作為創(chuàng)意電子樂器，用于音樂創(chuàng)作、表演和教學(xué)等場(chǎng)合。

• 作為親子活動(dòng)或團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目，增進(jìn)親子關(guān)系或團(tuán)隊(duì)合作精神。

結(jié)論

基于 Arduino 的紙鋼琴設(shè)計(jì)是一個(gè)集創(chuàng)意、電子、編程和音樂于一體的綜合性項(xiàng)目。通過選擇合適的元器件、設(shè)計(jì)合理的電路連接和編寫簡(jiǎn)潔明了的代碼，我們可以輕松實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能齊全的紙鋼琴。這個(gè)項(xiàng)目不僅能夠鍛煉參與者的動(dòng)手能力、編程思維和音樂感知能力，還能激發(fā)他們對(duì)科技和藝術(shù)的興趣。希望本文能夠?yàn)樽x者提供有益的參考和啟發(fā)，讓大家在創(chuàng)客的道路上越走越遠(yuǎn)。