原标题：基于 Arduino 的纸钢琴设计（示意图+代码）

引言

在创客文化和 STEM 教育日益普及的今天，基于 Arduino 的项目因其开源、易用、可扩展性强等特点，成为了许多电子爱好者、教育工作者和学生的首选。纸钢琴项目，作为一个集创意、电子、编程和音乐于一体的综合性项目，不仅能够锻炼参与者的动手能力、编程思维和音乐感知能力，还能激发他们对科技和艺术的兴趣。本文将详细介绍如何基于 Arduino 设计一款纸钢琴，包括设计思路、所需元器件、电路连接、代码实现等方面。

设计思路

纸钢琴的设计核心在于利用 Arduino 开发板控制声音输出，通过简单的电路连接和编程，实现按键触发音符播放的功能。为了增加趣味性和互动性，我们还可以在纸上绘制钢琴键盘，通过导电材料（如铜箔胶带）将按键与 Arduino 连接起来，从而实现在纸上“弹奏”钢琴的效果。

所需元器件

Arduino 开发板

• 型号：Arduino Uno R3

• 作用：作为整个项目的核心控制器，负责接收按键输入信号，并控制蜂鸣器输出相应的音符声音。

• 选择理由：Arduino Uno R3 是一款非常流行的开源硬件开发板，具有易于使用、功能强大、社区资源丰富等特点。它提供了足够的数字输入/输出引脚，能够满足纸钢琴项目的需求。

• 功能：Arduino Uno R3 搭载了 ATmega328P 微控制器，具有 14 个数字输入/输出引脚、6 个模拟输入引脚、1 个 16MHz 晶振、1 个 USB 接口等。通过编写代码，可以实现对各种电子元件的控制。

蜂鸣器

• 型号：有源压电蜂鸣器

• 作用：作为声音输出元件，根据 Arduino 发出的控制信号发出不同频率的声音，模拟钢琴音符。

• 选择理由：有源压电蜂鸣器具有体积小、功耗低、响应速度快等优点，且易于与 Arduino 连接和控制。它能够直接发出声音，无需额外的音频放大电路。

• 功能：当接收到 Arduino 发出的特定频率的方波信号时，蜂鸣器内部的压电陶瓷片会振动，从而产生声音。通过改变方波的频率，可以改变蜂鸣器发出的声音音调。

按键开关

• 型号：轻触按键开关

• 作用：作为纸钢琴的按键，当被按下时，会触发 Arduino 的数字输入引脚，从而控制蜂鸣器发出相应的音符声音。

• 选择理由：轻触按键开关具有体积小、操作轻便、寿命长等特点，非常适合用于纸钢琴项目。它们可以通过简单的电路连接与 Arduino 相连，实现按键触发功能。

• 功能：当按键被按下时，其内部的触点会闭合，从而使 Arduino 的数字输入引脚接收到低电平信号。Arduino 根据接收到的信号判断哪个按键被按下，并控制蜂鸣器发出相应的音符声音。

铜箔胶带

• 作用：作为导电材料，用于在纸上绘制钢琴键盘的按键部分，并将按键与 Arduino 的数字输入引脚连接起来。

• 选择理由：铜箔胶带具有导电性好、易于粘贴、可裁剪等特点，非常适合用于纸钢琴项目的电路连接。它可以将纸上的按键与 Arduino 的电路部分紧密地连接起来，实现按键触发功能。

• 功能：将铜箔胶带粘贴在纸上绘制好的按键位置上，然后通过导线将其与 Arduino 的数字输入引脚连接起来。当按键被按下时，铜箔胶带会导通电路，使 Arduino 接收到按键触发信号。

电阻

• 型号：10kΩ 电阻

• 作用：作为上拉电阻，连接在 Arduino 的数字输入引脚与电源正极之间，确保在按键未按下时，Arduino 的数字输入引脚能够接收到稳定的高电平信号。

• 选择理由：10kΩ 电阻是一种常见的上拉电阻值，它能够有效地将 Arduino 的数字输入引脚拉至高电平，同时不会对电路造成过大的功耗。

• 功能：当按键未按下时，由于上拉电阻的存在，Arduino 的数字输入引脚会接收到电源正极的高电平信号。当按键被按下时，按键内部的触点会闭合，将 Arduino 的数字输入引脚拉至低电平，从而触发 Arduino 的中断或轮询程序。

导线

• 作用：用于连接各个元器件和 Arduino 开发板，形成完整的电路。

• 选择理由：导线是电子制作中必不可少的材料，它具有良好的导电性和可弯曲性，能够方便地连接各个元器件和 Arduino 开发板。

• 功能：将 Arduino 的数字输入引脚与按键开关、铜箔胶带等连接起来，形成完整的按键触发电路；将 Arduino 的数字输出引脚与蜂鸣器连接起来，形成完整的声音输出电路。

电源

• 型号：9V 电池或 USB 电源适配器

• 作用：为 Arduino 开发板和蜂鸣器等元器件提供工作电压。

• 选择理由：9V 电池具有体积小、携带方便等优点，适合用于便携式纸钢琴项目。USB 电源适配器则可以为 Arduino 提供稳定的 5V 电压，适合用于需要长时间工作的纸钢琴项目。

• 功能：为 Arduino 开发板提供工作电压，使其能够正常运行并控制各个元器件；为蜂鸣器等元器件提供工作电压，使其能够发出声音。

电路连接

纸钢琴的电路连接相对简单，主要包括按键触发电路和声音输出电路两部分。

按键触发电路

1. 将每个按键开关的一端连接到 Arduino 的一个数字输入引脚（如 D2、D3、D4 等）。

2. 将每个按键开关的另一端连接到地线（GND）。

3. 在每个数字输入引脚与电源正极（VCC）之间连接一个 10kΩ 的上拉电阻。

声音输出电路

1. 将蜂鸣器的正极连接到 Arduino 的一个数字输出引脚（如 D10）。

2. 将蜂鸣器的负极连接到地线（GND）。

代码实现

纸钢琴的代码实现主要涉及到按键触发检测和音符播放控制两部分。以下是一个简单的 Arduino 代码示例，用于实现纸钢琴的基本功能。

#include "pitches.h"  // 包含音符频率定义的头文件



// 定义按键对应的引脚和音符

const int buttonPins[] = {2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};  // 按键引脚

const int numButtons = sizeof(buttonPins) / sizeof(buttonPins[0]);  // 按键数量

const int buzzerPin = 10;  // 蜂鸣器引脚



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



void setup() {

// 初始化蜂鸣器引脚为输出模式

pinMode(buzzerPin, OUTPUT);



// 初始化按键引脚为输入模式，并启用内部上拉电阻

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

pinMode(buttonPins[i], INPUT_PULLUP);

}

}



void loop() {

// 遍历每个按键引脚，检测是否有按键被按下

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

if (digitalRead(buttonPins[i]) == LOW) {  // 按键被按下时，引脚电平为低

tone(buzzerPin, notes[i], 200);  // 播放对应音符，持续 200 毫秒

delay(200);  // 等待音符播放完成

noTone(buzzerPin);  // 停止播放音符



// 防止按键抖动，等待一段时间再检测

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

delay(50);

}

}

}

代码说明

1. 包含头文件：#include "pitches.h" 包含了音符频率定义的头文件，其中定义了各种音符对应的频率值（单位为 Hz）。

2. 定义变量：

• buttonPins[] 数组存储了按键对应的 Arduino 引脚编号。

• numButtons 变量存储了按键的数量。

• buzzerPin 变量存储了蜂鸣器连接的 Arduino 引脚编号。

• notes[] 数组存储了每个按键对应的音符频率。

3. setup() 函数：

• 初始化蜂鸣器引脚为输出模式。

• 初始化按键引脚为输入模式，并启用内部上拉电阻（通过 INPUT_PULLUP 模式实现）。

4. loop() 函数：

• 遍历每个按键引脚，检测是否有按键被按下（引脚电平为低）。

• 如果按键被按下，则使用 tone() 函数播放对应音符，持续 200 毫秒。

• 播放完成后，使用 noTone() 函数停止播放音符。

• 为了防止按键抖动导致的误触发，等待一段时间再检测按键状态。

调试与优化

1. 调试电路连接：确保所有元器件都正确连接到 Arduino 开发板上，没有虚焊、漏焊等问题。使用万用表检查电路是否导通，确保按键触发电路和声音输出电路都正常工作。

2. 调试代码：将代码上传到 Arduino 开发板上后，逐个按下按键，观察蜂鸣器是否能够正确发出对应的音符声音。如果某个按键无法触发声音或声音不正确，检查代码中的引脚定义和音符频率是否正确。

3. 优化用户体验：

• 调整音符的持续时间和音量大小，使演奏效果更加自然和悦耳。

• 增加按键防抖处理，避免按键抖动导致的误触发问题。

• 可以考虑增加 LED 指示灯等元件，用于指示当前播放的音符或按键状态。

扩展与应用

1. 扩展功能：

• 增加更多的按键和音符，实现更复杂的旋律演奏。

• 添加录音和重放功能，让用户能够录制自己演奏的旋律并重复播放。

• 使用电容式触摸按键代替机械按键，提高纸钢琴的灵敏度和美观性。

2. 应用场景：

• 作为 STEM 教育课程中的实践项目，帮助学生掌握电子电路、编程和音乐等方面的知识。

• 作为创意电子乐器，用于音乐创作、表演和教学等场合。

• 作为亲子活动或团队建设项目，增进亲子关系或团队合作精神。

结论

基于 Arduino 的纸钢琴设计是一个集创意、电子、编程和音乐于一体的综合性项目。通过选择合适的元器件、设计合理的电路连接和编写简洁明了的代码，我们可以轻松实现一个功能齐全的纸钢琴。这个项目不仅能够锻炼参与者的动手能力、编程思维和音乐感知能力，还能激发他们对科技和艺术的兴趣。希望本文能够为读者提供有益的参考和启发，让大家在创客的道路上越走越远。