EDA-Piano简易电子琴🎹

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本项目基于ESP8266模组构建，是一个支持12键触摸检测的智能钢琴，具备OLED显示、Web控制、教学模式等功能。采用SC12B触摸芯片实现高精度多键检测，支持和弦演奏和混音播放。

本项目的硬件成本来说应该是比较低的，主要的部分就是ESP8266和SC12B，TP4056不需要也可以删掉。

• ✅ 支持12键同时触摸检测，实现和弦演奏
• ✅ OLED实时显示当前按键和音符信息
• ✅ Web界面远程控制，支持手机操作
• ✅ 教学模式，内置小星星、两只老虎等经典曲目，OLED预览教学
• ✅ 混音播放，支持多音符同时发声
• ✅ 可调节音符持续时间、八度偏移、触摸灵敏度
• ✅ 自动播放功能，可播放预设曲目

• 采用ESP8266作为主控，内置WiFi功能
• SC12B触摸芯片，支持12路电容触摸检测
• 128x32 OLED显示屏，实时显示演奏信息
• 无源蜂鸣器音频输出，支持多音符混音
• 支持5个八度音域，共60个音符
• Web界面支持响应式设计，适配手机和电脑

主控选用ESP8266，集成WiFi功能，提供丰富的GPIO接口。板载USB转串口芯片，方便程序下载和调试。

• Flash：4MB

采用SC12B触摸检测芯片，支持12路电容触摸检测，并且自带消抖处理，支持持自动校正，2.5V ~ 6.0V 宽电压。
通过I2C接口与主控通信，可同时检测多个按键按下状态，实现和弦演奏功能。

• 检测通道：12路
• 通信接口：I2C
• 检测精度：高精度电容检测
• 响应时间：<10ms
• 支持同时多键检测

原理图

PCB设计

触控PAD正面

在电容触控的PCB设计中为了使其有较强的抗干扰能力，本项目触控PAD与铺地间距控制在1.5mm，使其有效平衡系统抗干扰度和触控灵敏度。

触控PAD背面

在电容触控PAD的背面做了镂空处理，减少寄生电容，改善灵敏度，在触控区和主电路区域放置地过孔隔离。

走线规则

对于相邻触摸信号线距离及铺地距离设置在15mil，避免串扰

对于触控信号线走线线宽设置为5mil

所有信号线均不跨越其他信号线，走线周围0.5mm内不走其他信号线

如果想让触控延时尽量保持一致，还可为每条触控信号线设置等长处理

封装

钢琴键已设计成封装，方便引用。

丝印部分参考：https://oshwhub.com/47uF/mini_piano 工程修改

使用128x32像素的OLED显示屏，通过I2C接口连接。实时显示当前按键状态、音符信息、模式状态等。支持图形和文字混合显示。

• 分辨率：128x32像素
• 驱动芯片：SSD1306
• 通信接口：I2C
• 显示内容：钢琴键盘、音符、状态信息

使用无源蜂鸣器作为音频输出设备，通过PWM信号驱动。支持不同频率的音符输出，可实现混音播放效果。

• 输出设备：无源蜂鸣器
• 驱动方式：PWM
• 音域范围：5个八度
• 支持功能：单音、和弦、混音

使用TP4056锂电池充电芯片。

使用TP4056锂电池充电芯片。

使用TP4056锂电池充电芯片。

• 软件环境：VSCode + PlatformIO
• 开发语言：C/C++
• 框架：Arduino Framework

通过以下开源库协助本项目开发

• Adafruit SSD1306：用于OLED显示屏驱动
• ESPAsyncWebServer：用于Web服务器功能
• ArduinoJson：用于JSON数据处理
• SC12B：基于liuquanli1970/SC12B开源库修改适配

本项目采用模块化设计，各功能模块独立开发，便于维护和扩展

• audio.h/.cpp：音频播放和混音处理
• display.h/.cpp：OLED显示控制
• touch.h/.cpp：触摸检测和多键处理
• network.h/.cpp：WiFi和Web服务器
• music.h/.cpp：曲谱数据和播放控制
• SC12B.h/.cpp：触摸芯片驱动
• config.h：系统配置参数
• main.cpp：主程序入口

1. 触摸演奏: 直接触摸对应按键演奏
2. OLED实时预览：预览按下的按键

1. 虚拟琴键: 支持web端远控弹奏
2. 歌曲演奏: 支持对预载歌曲的音乐演奏功能
3. 教学模式: 支持预载歌曲的钢琴弹奏教学，会在OLED屏实时反馈。
4. 音频参数调节: 音符时长、八度偏移、灵敏度调节。

// 硬件引脚定义
#define SCREEN_WIDTH 128
#define SCREEN_HEIGHT 32
#define TOUCH_INTERRUPT_PIN 14
#define BUZZER_PIN 12

// 网络配置
#define AP_SSID "EDA-Piano"
#define AP_PASSWORD ""

// 音频参数
#define DEFAULT_NOTE_DURATION 500
#define DEFAULT_OCTAVE_SHIFT 0

SC12B一共支持两种控制方法，分别是I2C控制和BCD端口输出，BCD端口输出很简单，只需要ADC检查电压就可以，但BCD的缺点也很明显，四个接口要配置四个不常见的电阻，而且只能单向输出触控信号，无法深入控制IC，并且BCD产生的模拟电压也无法检查多点触控，显然不符合本项目要求。因此这里我们选择IIC控制。

基于liuquanli1970/SC12B提供的库移植修改

SC12B.h
这里我们将writeRegister移动到public公开,方便外部调用。

public:
  bool writeRegister(uint8_t reg, uint8_t value);

SC12B.cpp
这里我们将begin函数中内容修改成如下，使用默认地址和默认IIC。

void SC12B::begin() {
  Wire.begin();
}

依照数据手册提供的寄存器配置，我们在软件端设置了16个触控等级

// 应用触摸灵敏度设置到SC12B芯片
void applyTouchSensitivity() {
  Sensitivity sensitivityLevel;
  switch(touchSensitivity) {
    case 0: sensitivityLevel = LEVEL0; break;
    case 1: sensitivityLevel = LEVEL1; break;
    case 2: sensitivityLevel = LEVEL2; break;
    case 3: sensitivityLevel = LEVEL3; break;
    case 4: sensitivityLevel = LEVEL4; break;
    case 5: sensitivityLevel = LEVEL5; break;
    case 6: sensitivityLevel = LEVEL6; break;
    case 7: sensitivityLevel = LEVEL7; break;
    case 8: sensitivityLevel = LEVEL8; break;
    case 9: sensitivityLevel = LEVEL9; break;
    case 10: sensitivityLevel = LEVEL10; break;
    case 11: sensitivityLevel = LEVEL11; break;
    case 12: sensitivityLevel = LEVEL12; break;
    case 13: sensitivityLevel = LEVEL13; break;
    case 14: sensitivityLevel = LEVEL14; break;
    case 15: sensitivityLevel = LEVEL15; break;
    default: sensitivityLevel = LEVEL0; break;
  }
  
  touchPannel.writeRegister(REG_Senset0, sensitivityLevel);
  touchPannel.writeRegister(REG_SensetCOM, sensitivityLevel);
}

touchPannel.writeRegister(REG_Senset0, sensitivityLevel);
写入传感器0的灵敏度寄存器
touchPannel.writeRegister(REG_SensetCOM, sensitivityLevel);
写入公共传感器的灵敏度寄存器

寄存器定义 (在 SC12B.h 中)

// 寄存器地址定义
#define REG_Senset0 0x00      // 传感器0灵敏度寄存器
#define REG_SensetCOM 0x01    // 公共传感器灵敏度寄存器

// 灵敏度等级枚举
typedef enum {
  LEVEL0 = 0x04,   // 最低灵敏度
  LEVEL1 = 0x15,
  LEVEL2 = 0x25,
  // ... 其他等级
  LEVEL15 = 0xFF   // 最高灵敏度
} Sensitivity;

而在硬件中还有一个可调电容可以调节灵敏度

对于触控的检查我们将使用上面的引脚，地址参考地址选择说明，本项目中ASEL浮空，INT用于中断检测，当INT触发硬件中断则说明有按键被触摸，此时发送IIC轮询找到对应通道即可。

/* ========== 中断驱动的触摸检测 ========== */
  if (iftouch) {
    iftouch = false;
    
    unsigned long currentTime = millis();
    
    if (currentTime - lastSampleTime > SAMPLE_INTERVAL) {
      uint16_t keyValue = detectMultipleKeys();
      
      if (keyValue != previousKeys) {
        
        currentKeys = keyValue;
        previousKeys = keyValue;
        lastKeyTime = currentTime;
        
        int pressedKeys[12];
        int keyCount = 0;
        
        parseKeys(keyValue, pressedKeys, &keyCount);
        
        // 教学模式处理
        if (teachingMode && keyCount > 0) {
          int* melody = getCurrentMelody();
          int melodyCount = getCurrentMelodyCount();
          int expectedNote = melody[currentNoteIndex];
          if (expectedNote == 0) {
            // 跳过休止符
            currentNoteIndex++;
            if (currentNoteIndex < melodyCount) {
              expectedNote = melody[currentNoteIndex];
            }
          }
          
          if (keyCount == 1 && pressedKeys[0] == expectedNote) {
            // 按对了
            currentNoteIndex++;
            if (currentNoteIndex >= melodyCount) {
              showTeachingMode(0, true, "Complete!");
              teachingMode = false;
            } else {
              int nextNote = melody[currentNoteIndex];
              if (nextNote == 0 && currentNoteIndex + 1 < melodyCount) {
                currentNoteIndex++;
                nextNote = melody[currentNoteIndex];
              }
              showTeachingMode(nextNote, true, "Good!");
            }
          } else {
            // 按错了
            showTeachingMode(expectedNote, false, "Error!");
          }
        } else if (teachingMode) {
          // 教学模式但没有按键，显示下一个要按的键
          int* melody = getCurrentMelody();
          int melodyCount = getCurrentMelodyCount();
          int nextNote = melody[currentNoteIndex];
          if (nextNote == 0 && currentNoteIndex + 1 < melodyCount) {
            currentNoteIndex++;
            nextNote = melody[currentNoteIndex];
          }
          showTeachingMode(nextNote, false, "");
        } else {
          // 正常模式
          displayMultipleKeys(pressedKeys, keyCount);
        }
        
        if (keyCount > 0) {
          playMultipleNotes(pressedKeys, keyCount);
        } else {
          stopAllAudio();
        }
      }
      
      lastSampleTime = currentTime;
    }
  }

主机发送：
START -> 0x40(写) -> ACK -> 0x08(REG_OUTPUT1) -> ACK -> RESTART -> 0x41(读) -> ACK
从机响应：
DATA1 -> ACK -> STOP

多次采样：
连续5次轮询避免单次采样的不稳定性
1ms间隔确保采样的时间分散性
防抖处理：
20ms防抖时间避免按键抖动
只有状态真正改变才处理

这部分不细讲了，和前面EDA-Robot的项目的基本一致，移植过来的，
通过路由创建RESTful API，然后页面按钮触发发get/post，由路由监听到后执行对应任务。

void setupWebServer() {
  // 主页面
  server.on("/", HTTP_GET, [](AsyncWebServerRequest *request){
    request->send(200, "text/html", generateMainPage());
  });

  // 状态API
  server.on("/status", HTTP_GET, [](AsyncWebServerRequest *request){
    String json = "{\"duration\":" + String(noteDuration) + ",\"octave\":" + String(octaveShift) + ",\"sensitivity\":" + String(touchSensitivity) + ",\"wifi\":" + String(wifiConnected ? "true" : "false") + "}";
    request->send(200, "application/json", json);
  });

  // 播放音符API
  for(int i = 1; i <= 12; i++) {
    String path = "/play/" + String(i);
    server.on(path.c_str(), HTTP_GET, [i](AsyncWebServerRequest *request){ 
      webCommand = i; 
      webCommandPending = true; 
      request->send(200, "text/plain", "OK"); 
    });
  }

  // 和弦API
  server.on("/chord/1,5,8", HTTP_GET, [](AsyncWebServerRequest *request){ webCommand = 201; webCommandPending = true; request->send(200, "text/plain", "OK"); });
  server.on("/chord/6,10,1", HTTP_GET, [](AsyncWebServerRequest *request){ webCommand = 202; webCommandPending = true; request->send(200, "text/plain", "OK"); });
  server.on("/chord/8,12,3", HTTP_GET, [](AsyncWebServerRequest *request){ webCommand = 203; webCommandPending = true; request->send(200, "text/plain", "OK"); });

  // 歌曲播放API
  server.on("/song/play", HTTP_GET, [](AsyncWebServerRequest *request){
    if (request->hasParam("id")) {
      int songId = request->getParam("id")->value().toInt();
      setCurrentSong(songId);
      webCommand = 300; webCommandPending = true; 
      request->send(200, "text/plain", "OK");
    } else {
      request->send(400, "text/plain", "Missing song ID");
    }
  });

  // 教学模式API
  server.on("/teaching/start", HTTP_GET, [](AsyncWebServerRequest *request){
    if (request->hasParam("id")) {
      int songId = request->getParam("id")->value().toInt();
      setCurrentSong(songId);
      webCommand = 400; webCommandPending = true; 
      request->send(200, "text/plain", "OK");
    } else {
      request->send(400, "text/plain", "Missing song ID");
    }
  });

  // 控制命令
  server.on("/stop", HTTP_GET, [](AsyncWebServerRequest *request){
    webCommand = 100; webCommandPending = true; request->send(200, "text/plain", "OK");
  });

  // 设置API
  server.on("/set/duration", HTTP_GET, [](AsyncWebServerRequest *request){
    if (request->hasParam("value")) {
      int dur = request->getParam("value")->value().toInt();
      if (dur >= 100 && dur <= 2000) {
        noteDuration = dur;
        request->send(200, "text/plain", "OK");
      } else {
        request->send(400, "text/plain", "Invalid duration");
      }
    } else {
      request->send(400, "text/plain", "Missing value parameter");
    }
  });

  server.on("/set/octave", HTTP_GET, [](AsyncWebServerRequest *request){
    if (request->hasParam("value")) {
      int oct = request->getParam("value")->value().toInt();
      if (oct >= -2 && oct <= 2) {
        octaveShift = oct;
        request->send(200, "text/plain", "OK");
      } else {
        request->send(400, "text/plain", "Invalid octave");
      }
    } else {
      request->send(400, "text/plain", "Missing value parameter");
    }
  });

  server.on("/set/sensitivity", HTTP_GET, [](AsyncWebServerRequest *request){
    if (request->hasParam("value")) {
      int sens = request->getParam("value")->value().toInt();
      if (sens >= 0 && sens <= 15) {
        touchSensitivity = sens;
        applyTouchSensitivity();
        request->send(200, "text/plain", "OK");
      } else {
        request->send(400, "text/plain", "Invalid sensitivity");
      }
    } else {
      request->send(400, "text/plain", "Missing value parameter");
    }
  });

  server.begin();
}

正面	背面

• 前盖板内部空间很足，可以放下喇叭和电池
• 圆角处理
• 为typeC开槽

正面	背面

• 后盖内部空间较足，可以放下电池
• 圆角处理
• 为PCB设置基座

实物图	拆解图
教学模式-正反馈	教学模式-负反馈

本项目提供了一个完整的简易电子琴方案，你可以基于此项目进行以下拓展：

• 增加更多内置曲目和教学内容
• 支持MIDI输出，播放加钢琴教学
• 支持自定义音色和乐器声音
• 添加节拍器和调音器功能
• 添加功放或大喇叭扩音量
• 添加TF卡存储歌曲

其实我本来想做MIDI这个的，因为MIDI格式是可以映射到琴键的，可以接个max98357，然后上位机解析MIDI到json格式，再去把数据处理就能映射了，这样你就能直接导入MIDI格式的音乐去学习弹奏。

  "tracks": [
    {
      "startTime": 0,
      "duration": 0,
      "length": 0,
      "notes": [],
      "controlChanges": {},
      "id": 0
    },
    {
      "startTime": 1.6640625,
      "duration": 197.63932291666669,
      "length": 746,
      "notes": [
        {
          "name": "G1",
          "midi": 31,
          "time": 1.6640625,
          "velocity": 0.5118110236220472,
          "duration": 2.2604166666666665
        },
        {
          "name": "G2",
          "midi": 43,
          "time": 1.6653645833333333,
          "velocity": 0.5118110236220472,
          "duration": 2.260416666666667
        },
        {
          "name": "G3",
          "midi": 55,
          "time": 1.6770833333333333,
          "velocity": 0.4409448818897638,
          "duration": 2.26171875
        },
        {
          "name": "D3",
          "midi": 50,
          "time": 2.2109375,
          "velocity": 0.5826771653543307,
          "duration": 1.7278645833333335
        },
        {
          "name": "B3",
          "midi": 59,
          "time": 2.7877604166666665,
          "velocity": 0.6850393700787402,
          "duration": 1.143229166666667
        },    

比如这组midi解析的数据，我们可以得到
G1 (midi: 31) - 低音G
G2 (midi: 43) - 中音G
G3 (midi: 55) - 高音G
D3 (midi: 50) - D音
B3 (midi: 59) - B音
这就能映射到琴键上了，但我们这里的项目主要是入门为主，所以这里我给大家提供一个思路，大家可以自己去实现，如果后续有空的话可以出个pro版，当然如果你有更好的方法也可以自己尝试。

1. 烧录部分可以参考 EDA-Robot机器狗-烧录教程
2. 除了触摸外，手尽量不要触碰到PCB下半部分，避免干扰触摸信号，建议装好外壳使用
3. 如果声音太小建议更换喇叭或添加功放,外壳安装时把喇叭粘在外壳透声孔上。
4. 如果想降低成本可以去掉TP4056充电电路，TypeC的5V直接接到LDO输入上。喇叭也可换成蜂鸣器替代，不需要显示也可以把屏幕去掉。