PiBot：Arduino驱动的88键钢琴机器人，精准演奏MIDI乐曲

核心组件清单

项目背景

作者幼时见自动钢琴演奏深受启发，决定自制低成本钢琴机器人。商用自动钢琴昂贵，本项目采用单Arduino + 11级移位寄存器级联方案，以极低成本实现88键独立控制。

硬件设计

驱动电路

• 每个74HC595串行输入、并行输出8位，级联11片覆盖88键
• 移位寄存器输出驱动MOSFET栅极，MOSFET低侧开关12V电磁阀线圈
• 电磁阀直连电池正极，源极接MOSFET漏极，栅极接595输出
• 未使用下拉电阻与续流二极管（实测5V开启/4V关断可靠），但建议量产时添加

机械结构

• 电磁阀热熔胶固定于塑料板，后因过热改用耐高温双面胶
• 电磁阀推杆对准琴键后部（力臂最长处），需24V驱动12V阀才能产生足够击键力
• 整体安装于钢琴前方，可拆卸不破坏乐器

软件流程

1. 获取MIDI文件
2. 转文本：用https://flashmusicgames.com/midi/mid2txt.php导出文本格式（含时间戳、音高、力度、通道）
3. Python预处理：解析文本，按时间片聚合同一时刻的按键事件，生成11组8位数据（对应11个595）+ 时间间隔，输出translated.txt
4. Processing发送：读取文本，按时间间隔经串口发送给Arduino，发送顺序为右向左（物理琴键从高音到低音）
5. Arduino接收：串口解析11字节数据，依次移入595链，锁存输出驱动MOSFET

关键代码片段

Python转换核心逻辑

def set_bit(On, note):
    # 将音高映射到对应595的bit位
    if 21 <= note <= 28 and On: return f"{2**(note-21)},0,0,0,0,0,0,0,0,0,0"
    # ... 其余8组类似
    else: return "0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0"

Processing发送循环

void run() {
  int lastTime = 0;
  for (String line : inputLines) {
    int t = Integer.parseInt(line.substring(0, line.indexOf(',')));
    delay((t - lastTime) * 5); // tempo倍率
    lastTime = t;
    send(line.substring(line.indexOf(',')+1));
  }
}
void send(String data) {
  // 反转11字节顺序后逐个发送，帧头888f、帧尾999f
}

Arduino接收与移位

void loop() {
  if (Serial.available()) {
    char c = Serial.read();
    if (c == 'f') { /* 解析一个字节并移位 */ }
  }
}

常见问题与改进

• 电磁阀过热熔胶：改用耐150℃双面胶
• 电源纹波：大电流切换时建议加大电容、分离逻辑/功率地
• 时序抖动：Processing延时非实时，可移植至Teensy/ESP32硬件定时器
• 力度控制：当前仅开/关，可引入PWM调节击键力度

资源链接

• 完整代码（Python/Processing/Arduino）：项目附件
• 原理图：基于Arduino ShiftOut教程改装MOSFET部分