用Micro:bit和造物粒子設計觸摸鋼琴

薛金 謝作如

學科關(guān)鍵詞：音樂、數(shù)學、技術(shù)

鋼琴作為西方古典音樂的樂器之王，初次出現(xiàn)是在十八世紀初期，經(jīng)歷了半個世紀的發(fā)展攀升到達音樂界的巔峰，莫扎特、勃拉姆斯、李斯特也先后投入了鋼琴的懷抱。用開源硬件制作一臺觸摸鋼琴，用電子科技對音樂藝術(shù)重新進行詮釋，不僅有趣，還具有一定的挑戰(zhàn)性，這既可以讓學習者將硬件知識融會貫通，也可以鍛煉其邏輯技巧，更可以讓其體驗鋼琴演奏的樂趣。

原理分析

那如何制作一臺觸摸鋼琴呢？制作觸摸鋼琴首先需要設計琴鍵及可以發(fā)聲的裝置，通過觸摸不同的琴鍵，可以發(fā)出不同的音符。

觸摸開關(guān)是人體或金屬觸碰后會被感應到的裝置，其連接主控板，可以傳遞信號給主控板，再傳遞信號給發(fā)聲裝置。喇叭模塊作為發(fā)聲裝置，接收到主控板傳遞的信號，發(fā)出不同的聲音。由于Micro：bit與Arduino相比較，有較多的優(yōu)勢，故使用Micro：bit作為主控板。Micro：bit從其本質(zhì)來說是一臺信用卡大小的微型電腦，雖僅有信用卡的一半大小，但卻搭載了5×5可編程LED點陣，兩個可編程按鍵，如加速度計、電子羅盤、溫度計、藍牙等電子模塊。從軟件的角度來說，Micro：bit是由英國廣播電視公司（BBC）專為青少年編程教育而設計的，通過在線的模塊化編程環(huán)境，不僅避免了形形色色的驅(qū)動安裝問題，同時也大大降低了使用者的編程門檻。觸摸鋼琴的原理邏輯圖如圖1所示。

原型設計

通過人體接觸觸摸開關(guān)傳遞信號至Micro：bit主板，Micro：bit主板控制喇叭模塊發(fā)出相應頻率的聲音。Micro：bit自身僅僅引出了三個引腳，肯定不夠使用，需要使用擴展板。目前，評價較高的擴展板是DFrobot出品的Micro：bit Boson擴展板（如圖2），不僅擴展出六個引腳，還增加了音頻接口，讓接音箱喇叭等聲音模塊更加方便。但這六個引腳中P0要連接喇叭模塊用于播放聲音，剩下的五個引腳分別做觸發(fā)開關(guān)，則僅僅可以制作五音鋼琴。

能否利用五個引腳做七個音階的鋼琴？當然可以了，只要了解譯碼器原理就能解決。譯碼器是用來表示變量狀態(tài)的組合邏輯電路，它是一種二進制譯碼器，輸入輸出代碼之間的關(guān)系可由真值表表示。N個輸入代碼有2的n次方個輸入狀態(tài)，故對應2的n次方組輸出狀態(tài)。針對Micro：bit擴展板連接引腳來說，原本兩個引腳可以連接兩個觸摸開關(guān)，形成兩種輸出組合，如果運用譯碼器原理，兩個引腳比作兩個二進制數(shù)位，則會有11、01、10三種輸入組合（默認00的組合為不發(fā)聲狀態(tài)，不計其中），可對應三種輸出情況，故原來的兩個引腳控制兩個音頻，可升級為兩個引腳控制三個音頻。這樣原本僅有的五個引腳至少就可以制作成七個音階的鋼琴。兩個引腳設計原理如圖3所示。

硬件連接之前，對硬件連接進行分析，觸摸開關(guān)屬于輸入模塊，將外界的信號傳遞至內(nèi)部線路之中，可以通過觸摸開關(guān)被觸摸發(fā)出信號控制喇叭模塊發(fā)出不同的響聲。在連接的過程中，信號是從輸入模塊流向輸出模塊，“邏輯或”模塊（簡稱或模塊）和分支模塊需根據(jù)流向箭頭進行連接?；蚰K和分支模塊都是DF造物粒子套件中的基本模塊，結(jié)合原理分析，設計線路原理圖如圖4所示。

在連接的過程中，會使用到分支模塊和或模塊，以P16和P12兩個引腳為例進一步分析如何運用三個觸摸開關(guān)通過兩個引腳來實現(xiàn)控制。假設當有信號傳遞時，信號輸入為1，那么兩個引腳輸入情況一共有三種狀態(tài)：P16為1、P12為0;P16為1、P12為1;P16為0、P12為1（均為0的狀態(tài)不計，為未使用的）。當觸摸開關(guān)1被接觸時，或模塊可以給P16傳遞信號，P12沒有接收到信號，則是P16為1、P12為0的情況;當觸摸開關(guān)2被接觸時，或模塊可以給P16傳遞信號，另一個或模塊給P12傳遞信號，則是P16為1、P12為1的情況;觸摸開關(guān)3被接觸時，P16沒有接收到信號，另一個或模塊給P16傳遞信號，則是P16為0、P12為1的情況，余下的觸摸開關(guān)接線原理相同。

制作七音觸摸鋼琴需要七個觸摸開關(guān)作為琴鍵，此外還需要喇叭模塊、連接線等硬件。具體硬件清單如下頁表。

編程控制

運用Makecode在線網(wǎng)站進行程序編寫，網(wǎng)址為：http：//microbit.dfrobot.com.cn/index.html。觸摸鋼琴程序設計部分，看似較為復雜，但每個觸摸開關(guān)對應的原理基本相同。以觸摸開關(guān)1為例進行分析：硬件實現(xiàn)部分已經(jīng)說明當觸摸開關(guān)1被接觸時，是P16為1、P12為0的情況，代碼部分可以表述為當數(shù)字讀取引腳P16的值為1同時數(shù)字讀取引腳P12的值為0時，播放音符do的音，并將音符聲延長100ms，使聽到的音符更加完整。觸摸開關(guān)1的代碼設計如上頁圖5所示。

將每個觸摸開關(guān)依照此原理進行程序編寫，具體代碼設計如上頁圖6所示。

效果展示

完成觸摸鋼琴的硬件部分設計及軟件部分的設計，觸摸鋼琴已經(jīng)基本成型。當觸摸開關(guān)1被觸摸時，喇叭模塊發(fā)出do音;當觸摸開關(guān)2被觸摸時，喇叭模塊發(fā)出re音;當觸摸開關(guān)3被觸摸時，喇叭模塊發(fā)出mi音。以此類推，不同的開關(guān)可以發(fā)出不同的音符。觸摸鋼琴的代碼已燒錄至Micro：bit主板，此時連接電腦的數(shù)據(jù)線僅起到供電的作用，可通過vin口連接充電寶為觸摸鋼琴供電。制作實物如圖7所示。

制作完成觸摸鋼琴后，體驗過程中筆者發(fā)現(xiàn)，觸摸鋼琴的琴鍵較為凌亂，影響彈奏效果，故對觸摸鋼琴的外觀進行改造，改造效果如圖8所示。

小結(jié)

觸摸鋼琴項目融合了音樂、數(shù)學、技術(shù)等學科知識，能夠讓學生在設計制作中學習并掌握更多的硬件知識和軟件知識。更重要的是，在Arduino、Micro：bit之類的開源硬件的支持下，技術(shù)門檻在不斷下降，很多靈感一現(xiàn)的創(chuàng)意都有“物化”的可能。學生通過設計、制作完成一個實實在在的作品，這對他們來說是一件最快樂不過的事情了。