一、任务
设计并制作一个辨音识键的电子琴演奏系统，如图1所示，包含：5个水杯当作琴键，1个演奏用的敲击棒，1个识别控制器，具有拾音、分析识别、显示、音乐发声等功能。演奏过程中系统根据水杯被敲击时发出的声音识别出琴键（以与位置标号一致的杯号来标识），由识别控制器发出对应音高（声音频率）的声音。5个琴键（杯号）与不同音高间的对应关系由选手自定。
二、 要求
1. 基本要求
（1）一键启动识别控制器自动演奏简单乐曲（如：起床号、两只老虎等），时长不超过 15s。
（2）分别敲击放置在 1、3、5 号位置上的 3 个空水杯进行识别学习训练，然后逐个敲击杯子将杯号显示在识别控制器上，用时≤90s。
（3）在 3 个空水杯（2、4、5 号）中各倒入 50、100、150ml 的水，分别进行敲击识别学习训练，然后逐个敲击杯子将杯号显示在识别控制器上，用时≤90s。队员敲击水杯，识别控制器同时发出对应音高的声音。
2. 发挥部分
（1）在 5 个空水杯中由队员注入不同容量的水，各杯中水容量之差不小于20ml，分别进行敲击识别学习训练，然后逐个敲击杯子将杯号显示在识别控制器上，用时≤120s。队员敲击水杯演奏简单乐曲（如：起床号），由识别控制器发出乐曲声。
（2）在完成发挥部分任务（1）的基础上，再增加 3 个加有不同水量（30、100、150ml）的杯子，按要求打乱 8 个杯子排序后并排放置，从其中敲击识别出打乱排序前的 1~5 号杯子，并在敲击的同时显示其杯号，敲到新增杯子后显示数字 0，总用时≤90s。
（3）其他。
三、 说明
（1）水杯采用外观相同的 8 个容量为 180~220ml 的无柄玻璃杯，由参赛队自备。杯子上不能有任何标记和附加物。测试时杯子随机放置。
（2）敲击棒自选，要求实心无附加装置，棒上标明长度为 3cm 的敲击区范围。测试时统一要求敲击杯子靠近操作队员一侧的上沿。
（3）识别时由队员在 3s 内敲击同一杯子不超过 3 次进行识别。
（4）测试发挥部分之前按要求用白板笔在杯底外部随机标记编号，按编号放置好杯子后启动测试。基本要求部分杯号为位置号，发挥部分杯号为杯底编号。
（5）识别控制器演奏音乐的声强和音色无特殊要求，供电方式无要求。
（6）有时间要求的任务，超时以 0 分计。
（7）注水时可用注射器或量杯计量操作。
GPT-4o给出的设计方案：
一、系统概述
设计一个能够自动识别并演奏电子琴谱系统，系统包括五个水杯半导装置、击音棒、识别控制器等，能分析和识别各水杯的音高信号。
二、硬件组成
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水杯部分
- 水杯：五个标准水杯（耐用材料），高度一致。
- 水杯容量调整：通过加水或放水调整水杯内的水量。
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击音棒
- 材料：选择轻质且坚固的材料（如铝合金），避免对水杯造成损伤。
- 击打机构：电动机械手，配有伺服电机控制击打位置和力度。
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识别控制器
- 控制器：选择 Arduino 或 STM32 系列微控制器，负责系统控制与逻辑运算。
- 传感器：
- 麦克风：用于接收水杯打击后的声音信号。
- 距离传感器：检测击音棒和水杯的距离，确保击打准确。
- 显示屏：用于显示音高、曲目等信息。
- 发声器：对应响应的音高信号。
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电源模块
- 提供稳定的电压和电流，保障系统的正常运行。
三、软件设计
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初始化
- 检测接口和传感器状态，确保各部件工作正常。
- 设置系统初始参数，如音高标准、水杯排列、击打力度等。
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音高识别
- 声音采集：麦克风接收从水杯发出的声音信号。
- 频率分析：使用快速傅里叶变换（FFT）算法分析声音频谱，识别音高。
- 音高识别：将识别到的频率转换为对应的音高信号，并存储在控制器记忆体中。
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水杯音高学习及存储
- 在三个水杯中依次加入定量的水（20ml、50ml、150ml），调整音高。
- 识别控制器记录并显示对应的音高信号。
- 控制器根据学习到的音高信息，自动调整击音棒的配合，确保后续演奏准确。
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自动演奏
- 控制器按照设定的乐谱（如起床号、两只老虎等）控制击音棒按序击打对应水杯。
- 显示屏实时显示演奏的音高和曲目信息，发声器同步播放音高信号。
四、校准与测试
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初次校准
- 调整各水杯初始水位，并进行音高测试，确保所有水杯的初始音高在目标范围内。
- 调试击音棒的初始位置和力度，确保击打位置和声音传感器工作正常。
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功能测试
- 在理想环境中进行音高识别和击打测试，验证系统稳定性。
- 测试系统对不同曲目的演奏效果和准确性，确保符合演奏要求。
五、系统优点与注意事项
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优点
- 自动化：体积小、结构简单、成本低，自动识别音高，精确演奏指定曲目。
- 高效识别：通过 FFT 算法快速分析音频信号，获取准确音高。
- 易于扩展：能够通过添加更多水杯和自动配置参数扩展系统功能。
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注意事项
- 定期检查并校准传感器和机械手，防止因磨损导致的精准度下降。
- 确保麦克风和传感器的连接稳定，避免数据传输延迟或中断。
- 水杯的材质和使用寿命需要考虑，毕竟演奏过程中长期使用会对其造成磨损。
该题目考察的知识点：
本题目考察的知识点包括硬件设计、系统控制以及图像分析与处理等方面的综合应用。在硬件设计方面，涉及声学传感器、机械控制器和微控制器等组件的选择和集成，并确保系统协调工作。在系统控制方面，考察了如何实现自动化的音高识别与演奏控制，具体包括声音信号采集、频率分析（例如使用快速傅里叶变换）、自动识别和反馈控制。同时，还需要掌握如何编写基于微控制器的控制程序以实现逻辑运算、传感器数据处理与执行机构控制。此外，系统设计还涉及用户界面的显示与交互，实现直观的系统状态与音高信息显示。通过这些知识点的应用，设计一个能够自动识别和演奏的智能系统。
