ChoirBot，桌子上的迷你机械乐队
2016-03-147.6万
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ChoirBot是一个基于步进电机和Arduino的迷你机械乐队项目，能够通过MIDI文件控制四个步进电机发出不同声部的音乐。该项目需要准备材料包括步进电机、Pro Mini或Nano单片机、12V开关电源、7805稳压器、电机驱动板等。通过宏定义myChannel，每个电机可以接收不同的MIDI通道内容，从而实现多电机同步演奏。此外，使用74HC04反相器可以解决不同电压信号兼容的问题。ChoirBot不仅适合STEM教育和编程启蒙，还能为孩子们提供有趣的动手实践机会。
 步进电机，作为一种相当普遍使用的机电设备，具有相当灵活的调速性能，工作时也会产生转动的嗡嗡声。既然这种电机的声音可以被控制，那就一定有变成乐器的潜质:lol 其实不光是步进电机，各种电机都可以变成乐器。曾经在YouTube上看见歪果仁将音频信号送入电机驱动，直流电机直接像扬声器似的唱了起来。再比如，玩过四轴的朋友们一定听过无刷电调、电机上电的铃声。甚至还有人利用闭环控制，让摩托车发动机奏响了星球大战主题曲…让在场观众长跪不起….. 于是我决定做个小项目，让四枚步进电机分别担当主音、贝司、节奏、弦乐的角色，随时可以在办公桌上来一场小型音乐会----听起来就像机器人组成的唱诗班，命名为  ChoirBot-->点这里，传送到Bilibili视频专辑<-- 想看更多～请往下翻～～ 1，科普在先 它是怎么出声音的? 骑过摩托车没？设想你正在一条长长的路上骑行，突然将油门拧到底！脑补一下发动机的声音，是不是某种频率逐渐上升的音调？要是你忽大忽小地拧油门，控制得足够快、足够准确，你也可以用摩托车的发动机来演奏一曲，哈哈。这和步进电机演奏乐曲的道理是差不多的，只不过这回是Arduino在骑摩托车:lol 为什么用步进电机? 有两种方法让电机唱歌。 ---> 一种是将音频信号经过某种放大，直接送给电机。 ---> 另一种是用传感器获取电机的转动声，通过快速傅里叶变换（FFT）算出声音的频率，再通过比例、微分、积分（PID）计算，控制电机加速、减速到匹配的频率。 直流电机也是可以的，若是使用上述第一种方法，驱动电路非常简单，成本也低。但是电机不是处于正常（直流）的工作状态，电机轴不转，声音很小，而且没什么机械感。要是采用第二种方法，复杂程度就不用说了，对电机性能、单片机运算速度要求高，而且系统太复杂很容易受干扰，四个电机一起唱就是真的作死啦。 步进电机就不同了，静态时会刹车不受自身惯性影响，而且工业用的电机驱动非常成熟，只要送入一定频率的调速脉冲，就可以随便控制电机以任何步进速率运转，而且声音也富有机械感，像机器人在唱歌。 我喜欢的歌曲都可以直接播放吗? 不一定都可以。首先你要找到这首歌的MIDI格式文件（.mid）。这种文件跟我们平常听的mp3有很大不同，MIDI文件中存储的是一行行的指令，比如 第一秒，选择第8通道，启动A5这个音符，用小提琴的音色，力度127；第1秒半踩下延音踏板；第二秒关闭所有音符…… 就是一连串这些指令构成了MIDI音乐文件，一般一首歌只有十几至一百多KB，而且在不同的声卡上，播放效果有很明显的区别。 一些吉他谱的格式，比如gp5，实际上也是midi文件，可以互相转换。要是在网上找不到你喜欢的Midi文件，你又恰巧懂乐理，可以用编曲软件自己制作。 2，准备材料 有请主角出场——步进电机四枚  控制板，开关等。每个电机需要一枚Pro Mini，或者Nano也可以。我还额外用了一个Bluno，既可以用作蓝牙接收装置，也可以用作液晶屏界面的控制器。    12V开关电源，和7805三端稳压器。我用7805给5个单片机供电的时候，发现管子的温度相当高，所以又用了一个开关稳压模块，将输入电压降至9V左右，再均匀分配给独立7805和Bluno上的稳压管，减少了电源部分的发热量。   电机驱动，要选择这种带脉冲输入的。这种黑盒驱动比较贵，我用的是不带外壳的板子，带有电流、细分调节、刹车电流设置等不少功能。  螺丝、扎带(大量)等辅助材料，画板一块   74HC04 六通道反相器一片，后面我会说明用途  3，问题与构思  正式开始制作之前我进行了一些测试，发现了一些问题。我会写出解决方法供参考。  一开始我想用1片Bluno控制全部四个电机，结果无论程序代码怎么调整、优化，都表现得非常不稳定，发出异常响声或者直接卡死。这个问题至今无解，怀疑是ATMega328P的RAM不够。 于是买了5片DF的Cheapduino，8MHz的芯片，又发现无法使用tone()函数 （后来搜索了一下，Arduino NG上执行tone()函数确实有问题）。最终也是为了便于安装，使用了Pro Mini，与Uno相同是ATMega328的芯片，所有功能都正常。    调试阶段遇到的另一个问题是，当我把Romeo的RX与4片Nano并起来的时候，发现它们都不工作了，但是将Romeo与Mega的RX相连是可以正常工作的。不知原因，用示波器观察RX上的波形，BLE芯片给328P的是3.3v的电平。连接Nano后电平被直接拉到了5V。简单的解决方法是，用一片74HC04反相器（Vcc=5V）将3.3v的信号反相两次,即可变成5V电平。   4，开工  写这个固件的时候参考了Arduino官方社区的 greg-kennedy的帖子 http://forum.arduino.cc/index.php?topic=79326.0，他提出了Arduino制作简易合成器的方法。 为四片Pro Mini烧写固件。在这个项目中，4片芯片的串口RX是连在一起的，为什么能够发出不同声部的音乐呢？ 秘密在此处：程序开头的地方有一个myChannel的宏定义，它定义的是芯片将会接收哪一个MIDI通道上的内容。（一般最多有16个通道） 明白了吧？比如下载第一个芯片时，设置成0x00，第二片设置成0x01............第四片设置成0x03。只有这里需要手动改一下。  先组装电机的控制板。取4片Pro Mini，焊上侧面的所有排针，用芯片座将它们固定在洞洞板上。 LZ没有正好一样大的，只好将更长的芯片座剪开。   将所有芯片的RX引脚连在一起，并与Vcc，Gnd一起引出。并将D6引脚(程序中可设置) 引出到电路板正面，作为信号输出。  将电机和驱动也连接好，固定在画板上。可以参考购买的电机驱动的说明书。 每个板子上都有安装螺丝的孔。但我觉得扎带比较方便，就没有用螺丝。  当你固定完四个电机后，如果你不需要蓝牙和液晶屏的部分，这个程序已经可以让你的乐队试着演奏一曲了。具体怎么演奏请往后看。  如果用Bluno作为蓝牙接收器，就需要一片74HC04六非门，来转换一下BLE芯片的逻辑电平。 将RX信号输入任意一个非门A，再将A的输出连接B的输入，B的输出引出，相当于将信号翻转了两次，3.3V的电平就变成5V了。 （此处明天补充一个电路图）  接着是自由发挥部分，液晶屏、开关可以随便接，DIY一个可以显示信息、调试电机的东西。这个代码LZ写得仓促，很乱，就不发上来迷惑大家了  全部完成的效果，可以上12V电试一下了。LZ用的电机驱动和稳压器可以输入9V~24V，所以接各种航模电池也没问题。  板子上指示灯特别多，晚上开启会有意外惊喜  说一下电脑端的设置，LZ用的是Linux系统，上面有一款超级强大的MIDI工作站软件，叫Rosegarden，而且是免费的。 简单介绍一下配置方法。 插入DFRobot BLE Link，然后打开Rosegarden和Hairless，首次运行Hairless要设置波特率，如下图。  在Rosegarden打开的情况下，将MIDI端口和串口设置好，MIDI In要选择Rosegarden:3 ，这个是默认的输出端口。  然后就可以在Rosegarden中加载一个你喜欢的MIDI文件了，以GodFather为例。  按下Alt-K ，再按M,使所有音轨静音。这时音轨前面的蓝灯会熄灭。 找到你认为要演奏的通道，比如贝斯。先点亮蓝灯，然后按鼠标右键，通用MIDI设备，在1,2,3,4中可以任意选择，分别对应1,2,3,4号步进电机。  然后切记要在Rosegarden的左下角将通道设置从auto改成fixed。LZ调试的时候在这一步卡了两天多，才发现 然后以此类推，将其余3个通道设置好，每个通道都要将auto改成fixed。   如果电机连接正确，并可以发出上电铃声，就可以等待BLE连接好后，点击播放按钮试试了:lol 要是没反应，检查Bluno的收发指示灯有没有闪烁。也许是Hairless的端口没有选对。有时关闭Hairless桥重新打开可以解决问题。 建议勾上Debug MIDI messages来看看有没有数据送出。 5，演出开始！ 在你将这个装置搬上舞台之前，也许需要仔细调试才能确保电机发出最好的声音。比如，负责贝斯的电机很有可能声音太大，并导致桌子上的东西共振，甚至跳起来。你可以拨动驱动板上的开关来取消贝斯电机的细分设置，或者减小电流。 Tocatta and Fugue GodFather 歌唱祖国 Country Roads In the Hall of the Mountain King 时间太晚了，LZ没能一天赶出所有视频和更加详细的说明，请待我明天继续补充，谢谢大家！ |
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[font="]视频: 技术宅！ 机械硬盘演奏only my railgun[/font]
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好多年前看过，日本技术宅坐的，这次终于在arduino实现了，话说，51都能做出来的，arduino肯定没问题，哈哈
arduino让电脑可以控制外界的输出，或者让外部的输入能控制电脑，算是给PC加了个可自定AD,DA吧，哈哈
以前电脑只能玩软件编程，现在可以通过arduino开发，自由与外界交互啦，哈哈，做硬件的也能玩电脑啦，哈哈
我离真的大神还有好大差距呀
v神上首页啦 留影