原標題：基于 Arduino 的紙鋼琴設計（示意圖+代碼）

引言

在創客文化和 STEM 教育日益普及的今天，基于 Arduino 的項目因其開源、易用、可擴展性強等特點，成為了許多電子愛好者、教育工作者和學生的首選。紙鋼琴項目，作為一個集創意、電子、編程和音樂于一體的綜合性項目，不僅能夠鍛煉參與者的動手能力、編程思維和音樂感知能力，還能激發他們對科技和藝術的興趣。本文將詳細介紹如何基于 Arduino 設計一款紙鋼琴，包括設計思路、所需元器件、電路連接、代碼實現等方面。

設計思路

紙鋼琴的設計核心在于利用 Arduino 開發板控制聲音輸出，通過簡單的電路連接和編程，實現按鍵觸發音符播放的功能。為了增加趣味性和互動性，我們還可以在紙上繪制鋼琴鍵盤，通過導電材料（如銅箔膠帶）將按鍵與 Arduino 連接起來，從而實現在紙上“彈奏”鋼琴的效果。

所需元器件

Arduino 開發板

• 型號：Arduino Uno R3

• 作用：作為整個項目的核心控制器，負責接收按鍵輸入信號，并控制蜂鳴器輸出相應的音符聲音。

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

• 功能：Arduino Uno R3 搭載了 ATmega328P 微控制器，具有 14 個數字輸入/輸出引腳、6 個模擬輸入引腳、1 個 16MHz 晶振、1 個 USB 接口等。通過編寫代碼，可以實現對各種電子元件的控制。

蜂鳴器

• 型號：有源壓電蜂鳴器

• 作用：作為聲音輸出元件，根據 Arduino 發出的控制信號發出不同頻率的聲音，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、響應速度快等優點，且易于與 Arduino 連接和控制。它能夠直接發出聲音，無需額外的音頻放大電路。

• 功能：當接收到 Arduino 發出的特定頻率的方波信號時，蜂鳴器內部的壓電陶瓷片會振動，從而產生聲音。通過改變方波的頻率，可以改變蜂鳴器發出的聲音音調。

按鍵開關

• 型號：輕觸按鍵開關

• 作用：作為紙鋼琴的按鍵，當被按下時，會觸發 Arduino 的數字輸入引腳，從而控制蜂鳴器發出相應的音符聲音。

• 選擇理由：輕觸按鍵開關具有體積小、操作輕便、壽命長等特點，非常適合用于紙鋼琴項目。它們可以通過簡單的電路連接與 Arduino 相連，實現按鍵觸發功能。

• 功能：當按鍵被按下時，其內部的觸點會閉合，從而使 Arduino 的數字輸入引腳接收到低電平信號。Arduino 根據接收到的信號判斷哪個按鍵被按下，并控制蜂鳴器發出相應的音符聲音。

銅箔膠帶

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

• 選擇理由：銅箔膠帶具有導電性好、易于粘貼、可裁剪等特點，非常適合用于紙鋼琴項目的電路連接。它可以將紙上的按鍵與 Arduino 的電路部分緊密地連接起來，實現按鍵觸發功能。

• 功能：將銅箔膠帶粘貼在紙上繪制好的按鍵位置上，然后通過導線將其與 Arduino 的數字輸入引腳連接起來。當按鍵被按下時，銅箔膠帶會導通電路，使 Arduino 接收到按鍵觸發信號。

電阻

• 型號：10kΩ 電阻

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

• 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 的數字輸入引腳拉至高電平，同時不會對電路造成過大的功耗。

• 功能：當按鍵未按下時，由于上拉電阻的存在，Arduino 的數字輸入引腳會接收到電源正極的高電平信號。當按鍵被按下時，按鍵內部的觸點會閉合，將 Arduino 的數字輸入引腳拉至低電平，從而觸發 Arduino 的中斷或輪詢程序。

導線

• 作用：用于連接各個元器件和 Arduino 開發板，形成完整的電路。

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

• 功能：將 Arduino 的數字輸入引腳與按鍵開關、銅箔膠帶等連接起來，形成完整的按鍵觸發電路；將 Arduino 的數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：9V 電池或 USB 電源適配器

• 作用：為 Arduino 開發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、攜帶方便等優點，適合用于便攜式紙鋼琴項目。USB 電源適配器則可以為 Arduino 提供穩定的 5V 電壓，適合用于需要長時間工作的紙鋼琴項目。

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

電路連接

紙鋼琴的電路連接相對簡單，主要包括按鍵觸發電路和聲音輸出電路兩部分。

按鍵觸發電路

1. 將每個按鍵開關的一端連接到 Arduino 的一個數字輸入引腳（如 D2、D3、D4 等）。

2. 將每個按鍵開關的另一端連接到地線（GND）。

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

聲音輸出電路

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

2. 將蜂鳴器的負極連接到地線（GND）。

代碼實現

紙鋼琴的代碼實現主要涉及到按鍵觸發檢測和音符播放控制兩部分。以下是一個簡單的 Arduino 代碼示例，用于實現紙鋼琴的基本功能。

#include "pitches.h"  // 包含音符頻率定義的頭文件



// 定義按鍵對應的引腳和音符

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，并啟用內部上拉電阻

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

pinMode(buttonPins[i], INPUT_PULLUP);

}

}



void loop() {

// 遍歷每個按鍵引腳，檢測是否有按鍵被按下

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

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

tone(buzzerPin, notes[i], 200);  // 播放對應音符，持續 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，等待一段時間再檢測

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應的頻率值（單位為 Hz）。

2. 定義變量：

• buttonPins[] 數組存儲了按鍵對應的 Arduino 引腳編號。

• numButtons 變量存儲了按鍵的數量。

• buzzerPin 變量存儲了蜂鳴器連接的 Arduino 引腳編號。

• notes[] 數組存儲了每個按鍵對應的音符頻率。

3. setup() 函數：

• 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，并啟用內部上拉電阻（通過 INPUT_PULLUP 模式實現）。

4. loop() 函數：

• 遍歷每個按鍵引腳，檢測是否有按鍵被按下（引腳電平為低）。

• 如果按鍵被按下，則使用 tone() 函數播放對應音符，持續 200 毫秒。

• 播放完成后，使用 noTone() 函數停止播放音符。

• 為了防止按鍵抖動導致的誤觸發，等待一段時間再檢測按鍵狀態。

調試與優化

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

2. 調試代碼：將代碼上傳到 Arduino 開發板上后，逐個按下按鍵，觀察蜂鳴器是否能夠正確發出對應的音符聲音。如果某個按鍵無法觸發聲音或聲音不正確，檢查代碼中的引腳定義和音符頻率是否正確。

3. 優化用戶體驗：

• 調整音符的持續時間和音量大小，使演奏效果更加自然和悅耳。

• 增加按鍵防抖處理，避免按鍵抖動導致的誤觸發問題。

• 可以考慮增加 LED 指示燈等元件，用于指示當前播放的音符或按鍵狀態。

擴展與應用

1. 擴展功能：

• 增加更多的按鍵和音符，實現更復雜的旋律演奏。

• 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播放。

• 使用電容式觸摸按鍵代替機械按鍵，提高紙鋼琴的靈敏度和美觀性。

2. 應用場景：

• 作為 STEM 教育課程中的實踐項目，幫助學生掌握電子電路、編程和音樂等方面的知識。

• 作為創意電子樂器，用于音樂創作、表演和教學等場合。

• 作為親子活動或團隊建設項目，增進親子關系或團隊合作精神。

結論

基于 Arduino 的紙鋼琴設計是一個集創意、電子、編程和音樂于一體的綜合性項目。通過選擇合適的元器件、設計合理的電路連接和編寫簡潔明了的代碼，我們可以輕松實現一個功能齊全的紙鋼琴。這個項目不僅能夠鍛煉參與者的動手能力、編程思維和音樂感知能力，還能激發他們對科技和藝術的興趣。希望本文能夠為讀者提供有益的參考和啟發，讓大家在創客的道路上越走越遠。