Музыкальный инструмент Sensor Ton

[Admin]

Музыкальный инструмент Sensor Ton

А. Носовец, г. Новосибирск

Церковный орган — сложный и дорогой инструмент. Поэтому композитор Иоганн Себастьян Бах не допускал учеников к нему, пока они не научатся играть на досках, на которых были нарисованы клавиши. Так и мы перед покупкой сложного и дорогого инструмента будем учиться играть на досках, на которых нарисованы клавиши, но немного доработанные...

1. Эмуляторы (вместо введения)
В Интернете доступны для бесплатного скачивания программы-эмуляторы различных музыкальных инструментов. В частности, программы виртуальных пианино с приемлемым звуком и возможностями. Одна из них — Every Piano (фортепиано для всех). Программа способна воспроизводить звуки, точно имитирующие настоящее фортепиано. Фактически звук Every Piano звучит настолько аутентично, что даже имитирует педаль пианино.
Помимо реалистичности, приложение позволяет записывать, настраивать клавиатуру, воспроизводить партитуру, полутона и многое другое. Есть также множество партитур, которые можно использовать, чтобы улучшить свои навыки игры на фортепиано.

С официального сайта Everyone Piano <https://www.everyonepiano. com> можно загрузить различные плагины, которые могут повысить развлекательную и образовательную ценность приложения. Программу можно русифицировать и подключать качественные звуки пианино, скачав их с сайта. После установки и запуска программы на компьютере необходимо выбрать инструмент, например TruePianos (рис. 1) (при этом плагин скачивается отдельно). Затем можно выбрать тип клавиатуры (рис. 2).
Конечно, исполнять музыкальные произведения придётся на клавиатуре компьютера, нажимая на кнопки, что очень неудобно. Хотя у программы есть функции поддержки внешней MIDI-клавиатуры и VST (Virtual Studio Technology), но мы с вами пойдём другим путём.

В этой статье будет рассказано, как изготовить свою клавиатуру, на которой будет также привычно и удобно играть как на настоящем клавишном инструменте — синтезаторе-пианино. Для тех же кто привык играть не на инструментах, а в игры - подойдет игра гейша.

2. Плата МК от клавиатуры
Для связи клавиатуры синтезатора с компьютером мы будем использовать интерфейсную плату с микроконтроллером (МК) от компьютерной USB-кла-виатуры. Плата МК будет осуществлять опрос состояния матрицы клавиатуры и посылать через USB-порт в компьютер коды нажатых клавиш или функциональных кнопок.
При обследовании плат с МК от компьютерных клавиатур различных типов и производителей выяснилось, что среди них есть существенные различия в размещении кнопок в матрице, а также в программных решениях в работе МК при опросе столбцов и строк, из которых состоит матрица клавиатуры. Несмотря на эти различия, у них одна задача, которая состоит в определении столбца и ряда, которые замыкаются при нажатии на соответствующую кнопку. Причём число одновременно нажатых кнопок (клавиш) может доходить до шести.
Забегая вперёд, необходимо сказать, что может быть такой случай, что одновременно нажатые определённые клавиши не будут звучать на пианино, так как схема матрицы может быть такой, что МК будет не способен одномоментно обслужить именно эти кнопки (клавиши).

Для начала необходимо определить назначение выводов платы МК и составить соответствующую таблицу. Выводы МК для подключения матрицы на платах обычно маркируются буквами с индексами R и С (Row — ряд, Column — столбец). Если маркировки на плате нет, ряды и столбцы можно найти с помощью осциллографа по разным видам сигналов, при этом необходимо помнить, что столбцов больше, чем рядов, и при их поиске можно
по-своему пронумеровать выводы платы.

Перед прозвонкой выводы на плате МК необходимо зачистить скальпелем от графитного напыления до меди и затем залудить (рис. 3). После их нужно прозвонить перемычкой из провода, попеременно замыкая между собой ряды со столбцами и заполнить таблицу расположения кнопок и нот на матрице. Пример таблицы матрицы расположения клавиш клавиатуры компьютера и соответствующие им клавиши нот синтезатора показан на рис. 4. В пересечении столбцов и строк в ячейках вверху указано наименование соответствующей кнопки компьютерной клавиатуры, а внизу указана нота клавиши либо наименование функциональной кнопки синтезатора.
Обозначение нот на будущей клавиатуре синтезатора показано на рис. 5, где нижний индекс обозначает соответствующую октаву синтезатора. При прозвонке платы МК нужно помнить, что при некоторых комбинациях замкнутых выводов компьютер может уйти в "сон" либо выключиться. Для прозвонки можно использовать программу Keyboard Test Utility .1.4.0, которую можно свободно скачать из Интернета или прозвонить онлайн на сайте https: //key-test. ru/.

3. Матрица

После прозвонки платы МК приступают к изготовлению основной платы матрицы, повторяющую матрицу компьютерной клавиатуры, состоящую из столбцов и рядов (строк). Далее по технологии, описанной в [1], изготавливаем печатную плату матрицы, плату для МК и функциональных кнопок. Её чертёж распечатывают на самоклеящейся бумаге формата А4 по размерам, указанным на рис. 6 (на сайте журнала) и рис. 7. На рис. 8 показан чертёж платы 1 матрицы для установки навесным монтажом ключей на транзисторах серии КТ315, эмиттеры подключают к линии (проводу) соответствующего столбца, коллектор — к проводу соответствующей линии строки, а вход (базу) подключают к выходам сенсорных элементов через резисторы сопротивлением 10 кОм. В качестве ключевых транзисторов могут быть использованы любые маломощные транзисторы, например, серий КТ315, КТ3102, КТ3117, ВС547, 2N2222, 2SC1815. Резисторы — любые мощностью 0,125 Вт.
На площадку 2 устанавливают плату МК от'компьютерной клавиатуры, 3 — место для установки тактовых кнопок.
Плату клавиатуры изготавливают из картона толщиной 2 мм от канцелярской папки-регистратора. На картон наклеивают чертежи будущих плат. Предварительно чертежи для защиты необходимо заламинировать или покрыть прозрачным скотчем, а потом вырезать их по контуру. Картон лучше резать ножом (рис. 9).
Так как размеры платы больше размеров используемой папки, плату делают из двух частей, которые склеивают клеем ПВА встык, а с задней стороны по краям армируют планками из стеклотекстолита, приклеенными "Суперклеем” к картону. После высыхания клея на плате шилом отмечают будущие отверстия, которые затем сверлят сверлом диаметром 1,2 мм. Монтаж на плате ведут медным одножильным лужёным проводом диаметром 0,4... 0,5 мм.

Сначала прокладывают провода строк R и крепят их нитками № 10 к плате (рис. 10). Провода столбцов прокладывают снизу платы и в нужных местах выводят наверх, где формуют в виде стяжки (при создании колечка провод может оборваться) для припаивания в последующем в нужных пересечениях столбцов и строк выводов кнопок или выводов ключевых транзисторов (рис. 11). Если на плате МК клавиатуры детали установлены с одной стороны, её крепят к общей плате матрицы с помощью двухсторонней липкой ленты (скотча). Если же детали на плате МК размещены с двух сторон, её устанавливают на монтажные стойки достаточной высоты.
Так как сама плата МК обычно изготовлена из хрупкого гетинакса, для увеличения её жёсткости можно снизу приклеить к ней двухсторонним скотчем пластину из стеклотекстолита толщиной 1 мм. Рядом с выводами платы МК сверлят отверстия на плате матрицы для проводов, которые будут соединять выводы платы МК со строками, столбцами и функциональными кнопками. Контакты для кнопок на плате делают в виде скобок из лужёного одножильного медного провода толщиной 0,5 мм, к которым впоследствии припаивают выводы кнопок (тактовые типа KLS7). USB-кабель крепят нитками к основной плате рядом с платой МК (рис. 12). Для соединений используется провод МГТФ-0,12 (рис. 13 и рис. 14).
Для большей надёжности плата крепится винтами М3 к шасси, которое изготовлено из оргстекла толщиной 3...4 мм (рис. 15 на сайте журнала).

4. Контакты клавиатуры

Самое простое, что дальше можно сделать, это взять детское электропианино, под клавишами которого уже есть кнопки, которые надо подключить проводами к плате матрицы в точках, соответствующих клавишам, в местах пересечения столбцов и строк. При этом ключевые транзисторы с резисторами не потребуются. Также можно собрать свою механическую клавиатуру пианино с контактами на базе другого клавишного электроинструмента (донора) или использовать конструкцию, аналогичную радиоконструктору ПО "Электроизмеритель" [2]. Можно замахнуться и собрать собственную полноразмерную клавиатуру.
Но учитывая, что общее число клавиш — более 60 шт., надо добиться, чтобы все они работали надёжно и слаженно. Это довольно кропотливый труд, что зачастую останавливает радиоконструкторов от реализации своих проектов.
Гораздо проще оказываются в изготовлении сенсорные клавиатуры, поэтому далее в статье предлагается решить эту задачу с помощью двух вариантов схем сенсоров.

5. Сенсорные клавиши

Для первого варианта сенсорной клавиатуры (рис. 16) использована схема сенсора из [3] с добавлением инвертора на транзисторе VT3 и двух резисторов R6 и R7. Следует учесть, что число рядов и столбцов в клавиатуре может быть разным. Показана схема только одного сенсора В1, остальные идентичны ему, их число соответствует числу клавиш. Каждый из сенсоров состоит из ВЧ-генератора на транзисторе VT1, который работает на частоте около 10 МГц, выпрямителя-ключа на транзисторе VT2 и инвертора на транзисторе VT3. Возбуждается ВЧ-генера-тор только в момент касания сенсорного элемента, поэтому, в отличие от датчиков с использованием постоянно работающего ВЧ-генератора [4], предлагаемое устройство создаёт существенно меньше помех. В исходном состоянии транзистор VT2 закрыт, и инвертированное транзистором VT3 напряжение на выходе датчика соответствует лог. 0. При касании сенсорного элемента Е1 ВЧ-генератор начинает работать, транзистор VT2 открывается, закрывая транзистор VT3, поэтому на выходе устройства появляется лог. 1, которая открывает транзистор VT1 на плате матрицы, тем самым соединяя соответствующий столбец С со строкой R, а МК, в свою очередь, выдаёт компьютеру код нажатой клавиши. Этот сенсор надёжно срабатывает при прикосновении пальцев к сенсорному контакту Е1.

Катушка индуктивности L1 содержит 100 витков провода ПЭВ-2 0,15, намотанного внавал на корпусе резистора МЛТ-0,5, его номинальное сопротивление должно быть не менее 100 кОм. Возможно использование готовых катушек индуктивностью 10...30 мкГн. Катушки (рис. 17) изготавливают на намоточном станке с помощью приспособления, чертежи которого показаны на рис. 18 (на сайте журнала). Перед намоткой на резистор одевают ПВХ-трубку (кембрик), в которую упираются текстолитовые шайбы. После намотки провода шайбы удаляют, витки скрепляют между собой клеем БФ-6. Концы выводов катушки провода припаивают к выводам резистора. Элементы сенсоров В1 смонтированы на односторонних печатных платах из стеклотекстолита размерами 150x80 мм, по восемь штук сенсоров на плате, чертёж которой показан на рис. 19 (на сайте журнала). Печатная плата была разработана под имеющиеся в наличии радио-детали: трубчатые конденсаторы серии КТ, резисторы МЛТ, её размеры — для термопресса, описанного в [5].

Для этого варианта клавиатуры корпус синтезатора не разрабатывался.
Второй вариант сенсорной клавиатуры состоит из готовых ёмкостных датчиков приближения HW-763 (рис. 20) на микросхемах ТТР223-ВА6 [6], которые можно приобрести в Интернете. Размеры одной платы — 15x11 мм. Схема подключения платы сенсора В1 к плате матрицы показана на рис. 21. На плате датчика, помимо микросхемы DD1, установлены блокировочный конденсатор по питанию С2 ёмкостью 4,7 мкФ, а также запитанный через резистор R1 светодиод HL1 красного свечения, который включается при срабатывании микросхемы, и на выходе микросхемы появляется лог. 1.

При налаживании устройства оказалось, что датчики очень чувствительны к помехам, что проявлялось их ложным срабатыванием (хаотичным включением и выключением). Поэтому, для того чтобы снизить их чувствительность, на каждую плату датчика установлен конденсатор С1 ёмкостью 62 пФ. Согласно [6] регулировать чувствительность датчиков можно, изменяя номинал этого конденсатора от 0 до 50 пФ. Изначально конденсатор С1 на плате отсутствует, а установленный с номиналом 62 пФ — наименьший, что был в наличии в достаточном количестве.
Выход платы датчика через резистор R1 сопротивлением 10 кОм поступает на базу транзистора VT1, который располагается на плате матрицы в нужном пересечении ряда и столбца, как и в первом варианте клавиатуры.
Из особенностей данного сенсора нужно отметить, что при удержании на нём пальца руки более 9...12 с он автоматически переходит в режим низкого энергопотребления (ожидания), при этом на выходе его платы устанавливается лог. 0.

6. Клавиатура

Размеры клавиатуры и клавиш (рис. 22 на сайте журнала и рис. 23 на сайте журнала), каку синтезатора YAMAHA PSS-A50. Клавиши пианино распечатывают на самоклеящейся бумаге, сверху для защиты приклеивают прозрачный скотч, и приклеивают его на основное шасси размерами 740x170 мм и толщиной 5 мм, выполненное из оргстекла (рис. 24 на сайте журнала). Желательно, чтобы основание было по длине с небольшим запасом.
Далее рассказывается о сборке клавиатуры и синтезатора в целом для второго варианта. Так как при покупке платы сенсоров они были скреплёнными между собой по десять штук, было принято решение не разделять их, а прикрепить такую сборку к
одноразовой деревянной палочке (размеры — 140x6x2 мм) для размешивания чая (кофе) с помощью двухстороннего скотча. В палочке с двух концов сверлят два отверстия, предварительно зажав её конец в тиски, для того чтобы при сверлении она не раскололась (рис. 25).

Шины питания для сенсоров изготовлены из лужёного медного одножильного провода диаметром 0,5 мм. В деревянном бруске размерами 10x10 мм достаточной длины делаются отверстия для выводов шины питания с нужным шагом. Для этого прикладывают сборку плат к бруску и делают шилом через отверстия в плате отметки. По этим отметкам сверлят сквозные отверстия диаметром 1 мм. С двух концов бруска вбивают по два гвоздика, к ним изначально с небольшим натяжением крепят одножильный провод. После протягивается другой отрезок провода, который змейкой пропускают через отверстия в бруске и обматывают вокруг первого закреплённого провода.
Далее со стороны контактов первого и второго проводов оба провода спаивают, а снизу петли разрезают кусачками (рис. 26). Всю конструкцию шины питания вынимают из бруска, формуют и впаивают в платы сенсоров (рис. 27). Видео изготовления шин питания для плат имеется по адресу <https:// youtu.be/hdBfOUHwoMk?si=NRnuuxY 8bF7X_Cny>.

На основном шасси равномерно распределяют планки с платами сенсоров по всей длине, и крепят их к шасси винтами М3. Также к основному шасси с помощью четырёх винтов М4 крепят шасси, на котором установлены платы матрицы и МК с функциональными кнопками. Резьбу нарезают непосредственно в оргстекле (рис. 28 на сайте журнала). Шины питания всех сенсоров подключены к питанию платы МК (рис. 29).
Поверх наклеенных клавиш наклеивают сенсорные контакты из алюминиевого скотча размерами 11x35 мм для белых клавиш и 8x35 мм — для чёрных клавиш. Затем сверлят отверстия диаметром 1 мм в нужных местах для проводов, идущих к сенсорам (рис. 30).

Далее проводом МГТФ-0,12 проводят подключение плат сенсоров. Со стороны платы провод припаивают к его входу, а со стороны клавиш оголённый провод с метёлочкой на конце закрывают алюминиевым скотчем (рис. 31). На основной плате матрицы распаивают транзисторы, и к их базам припаивают резисторы. Эту плату крепят к основанию из оргстекла, которое крепят к основанию клавиатуры.
От сенсорных плат провода к плате матрицы пропускают вдоль натянутой нитки (обмотанной вдоль оргстекла клавиатуры) до своего транзистора на основной плате. Также на ней закреплено вспомогательное кольцо, через которое пропускаются все провода (рис. 32). Чтобы при распайке не запутаться, уже распаянные клавиши лучше помечать точкой жёлтым маркером. С нижней стороны сенсорные платы, а также провода, идущие от них к клавишам, экранируют алюминиевым скотчем, который также выполняет механическую защиту проводов, защищая их от обрыва. Сверху на клавиатуру наклеивают ещё одну самоклеящуюся бумагу, защищённую прозрачным скотчем (рис. 33).

7. Корпус и кнопки управления

Внешний вид расположения клавиш музыкального инструмента показан на рис. 34. Размеры устройства — 302x778 мм, сборочный чертёж показан на рис. 35,а—рис. 35,в. На рис. 35,а — вид сверху со снятой крышкой, на рис. 35,6 — вид спереди со снятой крышкой, на рис. 35,в — разрез сбоку с верхней крышкой. На этих рисунках 1 — шасси для платы матрицы (оргстекло толщиной 5 мм, размеры — 140x385 мм), 2 — основное шасси (оргстекло толщиной 5 мм, размеры — 177x740 мм), 3 — основание (фанера толщиной 6,5 мм, размеры — 298x740 мм), 4 — задняя стенка (фанера толщиной 6,5 мм, размеры — 41x740 мм), 5 — боковая стенка, 2 шт. (фанера толщиной 19 мм), 6 — брусок 5 шт. (дерево, размеры — 11x11x130 мм), 7 — верхняя крышка (фанера толщиной 6,5 мм, размеры — 165x740 мм), 8 — передняя крышка (фанера толщиной 6,5 мм, размеры — 60x740 мм).
К шасси 1 крепятся платы матрицы и МК десятью винтами М3. Шасси 1 крепится к основному шасси 2 четырьмя винтами М4. К основному шасси 2 также крепятся платы сенсоров с клавиатурой. В таком виде проводится распайка плат сенсоров к плате матрицы, а также производится налаживание устройства.
Общие габаритные размеры устройства — 302x778x58 мм, масса — 3,6 кг. Диапазон — 62 клавиши от ноты Ми контроктавы до ноты Фа третьей октавы.

Чертёж основания 3 показан на рис. 36 (на сайте журнала). Чертёж задней стенки 4 показан на рис. 37 (на сайте журнала). Чертёж боковой стенки 5 показан на рис. 38 (на сайте журнала). Для печати на самоклеящейся бумаге чертежа боковой стенки можно использовать рис. 39 (на сайте журнала). Чертёж верхней крышки 7, 8 показан на рис. 40 (на сайте журнала).

Корпус синтезатора собирают в основном из фанеры толщиной 6,5 мм.
Сначала выпиливают нижнее основание 3, и к нему приклеивают клеем "ПВА-Мастер" заднюю стенку 4 под углом 90 градусов (рис. 41). Затем приклеивают две боковые стенки 5. Чтобы соблюсти правильную геометрию корпуса и чтобы его не повело, склеивание необходимо проводить на ровной поверхности, например столешнице с грузом (гантелями). Под склеиваемые предметы нужно подложить бумагу или газету.

По внутреннему периметру приклеивают деревянные бруски 6, к ним будет крепиться верхняя крышка, которая состоит из двух деталей 7 и 8. Основное шасси 2 крепится к основанию 3 тремя винтами М3.

Изначально планировалось разместить функциональные кнопки на плате МК, но из-за транзисторов и резисторов на плате матрицы было принято решение вынести плату с функциональными кнопками на верхнюю крышку устройства, тем самым продублировав эти кнопки. Для установки платы с кнопками на верхней крышке вырезают ручным лобзиком отверстие, также сверлят отверстия, в которых нарезается резьба М3. Там же сверлят отверстие для установки светодиода HL1. Чертёж отверстия для распечатки на самоклеящейся бумаге показан на рис. 42 (на сайте журнала). На рис. 43 показано, как крепится плата с кнопками: 1 — верхняя крышка; 2 — винт М3 крепления фальш-панели; 3 — фальшпанель; 4 — кнопка (KLS7); 5 — плата функциональных кнопок; 6 — скоба (медный одножильный провод диаметром 1 мм); 7 — винт М3 крепления платы функциональных кнопок.
Чертежи фальшпанели и платы функциональных кнопок показаны на рис. 44 (на сайте журнала). Как установлены эти элементы, показано на рис. 45 и рис. 46. Сверху кнопок крепиться фальшпанель, которая изготовлена из пластиковой обложки с наклеенным на неё рисунком, и сверху она защищена прозрачным скотчем. Фальшпанель крепится непосредственно к крышке корпуса инструмента.
Перед покраской корпуса устройство полностью разбирают. С верхней панели снимают функциональные кнопки, вынимают всю электронику с клавиатурой. Корпус красится на свой вкус и цвет. Можно использовать нитрокраску, водоэмульсионку либо обклеить его фактурной плёнкой.

После просушки всё собирают, и музыкальный инструмент готов к работе, он показан на рис. 47.

Заключение

Необходимо отметить отличия первого и второго вариантов сенсоров. У первого варианта быстродействие выше, чем у второго, что повышает отклик инструмента на действия музыканта. Но у первого варианта сенсора необходим прямой контакт пальцев с металлизацией сенсора. Тогда как у второго варианта сенсора металлический контакт можно закрыть распечатанной на бумаге клавиатурой, т. е. фальшпанелью. У второго варианта есть ещё особенность, о которой сказано выше. Если не убирать палец от сенсора, при длительности нажатия на клавишу более 9...12 с сенсор переходит в ждущий режим.
Если на плате матрицы в качестве ключей применить транзисторы для поверхностного монтажа, основную плату можно выполнить значительно меньших размеров в многослойном исполнении печатной платы. Также применение в первом варианте компонентов для поверхностного монтажа позволит уменьшить размеры платы сенсоров.
Идея использовать в качестве клавиш сенсоры не новая. В продаже есть синтезатор MicroFreak (2019 г.) с сенсорными клавишами, который выпускает французская компания Arturia. У него при касании не только начинает звучать нота клавиши-сенсора, но, перемещая палец по клавише, можно изменять громкость, так как на каждой клавише находятся несколько сенсоров.

ЛИТЕРАТУРА

1. Технологические советы. Простейший метод изготовления "печатной" платы. — Радио, 1967, № 8, с. 54.
2. Клавиатура для ЭМИ. — Радио, 1984, № 4, с. 21.
3. Лексины Валентин и Виктор. Электронное управление бытовым радиокомплексом. — Радио, 1981, № 1, с. 56—59.
4. Карчевский В. Сенсорный узел с ёмкостной задержкой. — Радио, 1982, № 10, с. 37, 38.
5. Носовец А. Термопресс для лазерноутюжной технологии. — Радио, 2020, № 9, с. 12-17.
6. ТТР223-ВА6. — URL: https://clck.ru/ 36mzLt (25.11.23).
От редакции Упомянутые в тексте чертежи, а также авторский вариант чертежа печатной платы в программе Sprint-Layout находятся по адресу http://ftp.radio.ru/ pub/2024/01/ton.zip на нашем FTP-сервере.