【 Arduino 动手做】 激光竖琴

Arduino是一个开放源码的电子原型平台，它可以让你用简单的硬件和软件来创建各种互动的项目。Arduino的核心是一个微控制器板，它可以通过一系列的引脚来连接各种传感器、执行器、显示器等外部设备。Arduino的编程是基于C/C++语言的，你可以使用Arduino IDE（集成开发环境）来编写、编译和上传代码到Arduino板上。Arduino还有一个丰富的库和社区，你可以利用它们来扩展Arduino的功能和学习Arduino的知识。

Arduino的特点是：
1、开放源码：Arduino的硬件和软件都是开放源码的，你可以自由地修改、复制和分享它们。
2、易用：Arduino的硬件和软件都是为初学者和非专业人士设计的，你可以轻松地上手和使用它们。
3、便宜：Arduino的硬件和软件都是非常经济的，你可以用很低的成本来实现你的想法。
4、多样：Arduino有多种型号和版本，你可以根据你的需要和喜好来选择合适的Arduino板。
5、创新：Arduino可以让你用电子的方式来表达你的创意和想象，你可以用Arduino来制作各种有趣和有用的项目，如机器人、智能家居、艺术装置等。

经过 3 个月的反复试验、调整电机、微调激光器并克服了不少挫折，我终于让它工作起来了。让我告诉你——这太不可思议了！

在本指南中，我将向您介绍我如何从头开始构建自己的无框激光竖琴。它类似于传奇人物让-米歇尔·雅尔 （Jean-Michel Jarre） 使用的标志性激光竖琴。我仍然记得小时候在电视上看它，问我爸爸它是如何运作的——建造一个是我毕生的梦想。

它完全由 Arduino 控制，并使用电机扫描激光束，并搭配巧妙的传感器设置来检测光束中断。通过执行这些步骤，您可以创建一个功能齐全的激光竖琴，它不仅看起来令人难以置信，而且可以播放真实的音乐。

观看视频以了解其背后的概念，并了解我是如何构建它的。



⚠️ 重要安全警告 ⚠️

在这个项目中，我使用了一台强大的 3W 激光器。如果处理不当，这种类型的激光会导致严重和永久性的眼睛或皮肤损伤。永远不要低估危险 - 即使是短暂的暴露或间接反射也可能导致永久性的眼睛损伤。

在开始使用强大的激光器之前，我强烈建议您先熟悉低功率激光器，例如 5mW 激光指示器，以安全地学习激光器处理基础知识、对准和安全协议。全面了解激光分类、护目镜、光束反射风险和安全作程序。

网上有很多关于激光安全的资源：

https://makezine.com/article/dig ... ecting-your-vision/

https://ehs.mit.edu/wp-content/uploads/Laser_Safety_Guide.pdf

舒适后，小心地使用更强大的激光，始终确保您使用专门针对您的激光波长的认证激光安全护目镜。在受控环境中工作，尽量减少反射表面，清楚地标记激光器的路径，并在进行调整或不积极实验时始终关闭激光器。

这种激光竖琴特别危险，因为激光束向上指向您的眼睛，大大增加了意外暴露的危险。

激光可以帮助创建像这款激光竖琴这样的惊人项目，但前提是要负责任地处理。安全第一，创意先行！

用品与材料

1 个 Arduino Leonardo

1 个 Arduino Uno

4 x 光敏电阻 LDR

2 x 超声波传感器 US-100

1 x 步进电机驱动器 ULN2003

1 x NEMA 16 39MM 1.8 度 2 相 4 线混合薄型步进电机

警告：

我正在使用一个 39BYG53322 步进电机，这是我从旧的 3D 打印机中抢救出来的。不幸的是，我在亚马逊或全球速卖通上找不到它。这是一款 NEMA 16、39 毫米、1.8 度、2 相、5 线混合步进电机。

1 x 继电器模块

1 x 12v 电源 - 我使用类似于这个的电源：https://amzn.to/3RaaXPv

1 x 激光 - 3W TTL

4 x10Ohm 电阻器

1 x TCRT5000 红外反射传感器

第 1 步：打印 3D 模型

Fusion 360 源文件也可用于根据您的需要进行修改。

步骤 2：准备底板

任何具有指定尺寸的木板都可以使用。它提供比 3D 打印更好的稳定性，并有助于抑制电机的振动。

第 3 步：学习控制步进电机

如果您已经有信心控制步进电机，请继续跳过此步骤。

***

步进电机是竖琴的第二大重要部件，仅次于激光器，但事实证明，要做好它是最具挑战性的。因为有这么多不同类型的步进电机可用，所以每一种都需要自己独特的设置和控制方法。

最受欢迎的类型是：单极、双极和混合步进电机。根据电机的类型，它们需要不同的驱动器（控制它们的硬件单元）和编程。

DroneBot Workshop 上有一个很好的介绍视频，它可能会为您提供足够的背景知识来使用步进电机。我找到的另一个关于布线的有用视频是这个。

***

电机要求为 1.8° 步距角（即每转 200 步）和紧凑的尺寸，以保持较低的重量，这有助于在两个方向上快速、精确地运动。

在我的视频中，您可以看到我使用了两种类型的电机和两种不同的驱动器。

NEMA 17 （42SHDC3025-24B） 与 A4988 驱动器结合使用。
NEMA 16 （39BYG53322） 步进电机与 ULN2003 驱动器配对。（这是更好的选择，因为转子更轻、更短，可以实现更快、更灵敏的运动。
我最终坚持使用混合动力 NEMA 16 （39BYG53322），不幸的是它非常不受欢迎。但是，正如我所说，尺寸比电机的类型更重要，因此可以使用任何其他类型的 NEMA 16。

第 4 步：将步进电机安装到支架上

将步进电机安装到其支架上

第 5 步：剪出一个镜子

我对镜子做了很多实验。镜子应尽可能薄;否则，它会反射未聚焦的光束。我发现效果最好的是旧硬盘中的磁盘。我用 Dremel 把它剪下来并塑造它。在照片中，您可以看到镜子和硬盘之间反射光束的差异。

第 6 步：组装镜架

在支架上添加螺纹嵌件（此步骤是可选的 - 您也可以使用标准螺钉代替）。
用一些胶水将镜子连接到镜子架上。
将支架安装到电机上。

第 7 步：准备环回传感器

从模块中拆焊二极管。
使用足够长的电线以到达电机支架，并将二极管焊接到它们上。

第 8 步：将二极管后面的线路安装到支架上

将 Diodes 后面的线路安装到支架上
用热胶将两个二极管固定到孔中。

第 9 步：在激光器和 12V 电源之间添加继电器

Add a Relay Between the Laser and the 12V Power Supply
作为一项安全措施，需要继电器。当 Arduino 不运行或重启时，它不会向激光器发送 PWM 信号，导致它在本应关闭时以全功率运行。为防止这种情况，应连接继电器，使其默认处于关闭状态，并且 Arduino 只有在完成电机归位程序后才能将其打开。

第 10 步：使用原型板测试所有布线

在继续焊接之前，我建议按照此处的ULN2003驱动器和 A4988 驱动器的原理图，使用原型板测试设置。

我建议在焊接元件之前，先用低功率激光器（约100-200 mW）对电路进行实验。它对眼睛还是很危险的，但是 3W 激光器在全功率运行时甚至可以灼伤黑暗的表面，想象一下它会对你的眼睛造成什么影响！使用低功率激光，您可以进行调整，直到看到七个投影点（如视频所示）。我不建议使用高功率激光器开发竖琴——使用较弱的激光器更安全、更容易排除故障。请记住始终佩戴经过认证且评级适当的安全眼
镜！

第 11 步：创建 Arduino 扩展板

剪下 2 个与 Arduino 尺寸相匹配的穿孔板。
按照此处提供的 ULN2003 dirver 和 here） 的 A4988 驱动程序的原理图来构建扩展板。
将屏蔽层到组件的电缆保留足够长的时间，并在稍后安装时将其修剪成合适的尺寸。

第 12 步：将组件固定到电路板上

电机支架和激光器的位置必须居中，以与顶部的分体对齐。Arduino 板必须与左侧的分割对齐，以确保其输出公开。其余组件可以根据图片大致定位。

您可以使用双面胶带将它们临时固定在板上，确保在用螺丝固定它们之前一切正常。然后，用笔标记孔，取下临时胶带，并预先钻孔。

第 13 步：将木板固定到外壳上

您可以使用一根末端带有白色油漆的细丝将其穿过外壳的孔，并在木板上标记钻孔点。然后，钻孔并用螺丝将电路板固定到外壳上。

第 14 步：将传感器安装到外壳盖上

插入四个光传感器，并将它们焊接到通向另一侧扩展板的电线上。
用一些热胶固定声音传感器。
装上盖子。

第 15 步：安装反光附件。

这种附件显着提高了竖琴的性能，并增加了横梁可以中断的高度。

第 16 步：将代码上传到 Arduino

您可以在此存储库中找到这两个 Arduino 的代码。

每当您需要更新 Arduino UNO（控制激光器和电机）的代码时，

我建议遵循这个例程：

关闭 12v 电源。
断开 Arduino Leonardo 与计算机的连接。
将 Arduino 代码上传到 Arduino Uno。
上传后断开 Arduino Uno 与计算机的连接。
打开 12v 电源。
将 Arduino Leonardo 重新连接到计算机。


每当您需要更新 Arduino Leonardo（控制超声波传感器并生成 MIDI 音符）的代码时，您可以在 harp 运行时上传新代码，而不会注意到任何中断，因为 Arduino UNO 同时处理电机和激光器。

#include <SoftwareSerial.h>
#include "MIDIUSB.h"
#include <Wire.h>

SoftwareSerial ultrasonicSensor1(8, 9);

struct BeamState {
  bool playing;
  int  currentPitch;
  unsigned long offStartTime;
};

const int NUM_BEAMS = 7;
BeamState beamStates[NUM_BEAMS];

const int baseNotes[NUM_BEAMS] = {36, 38, 40, 41, 43, 45, 47};

const unsigned long OFF_DEBOUNCE_MS = 10; 

unsigned int sensor1Distance = 0;
unsigned int sensor2Distance = 0;

unsigned int lastSensor1Filtered = 0;
unsigned int lastSensor2Filtered = 0;

unsigned int HighByte = 0;
unsigned int LowByte  = 0;
unsigned int Len      = 0;

volatile byte receivedData = 0;

unsigned long lastSensorCheck       = 0;
const unsigned long sensorCheckRate = 20;

int oldOffsetChannel0 = -1; 
int oldOffsetChannel1 = -1;

void triggerAndReadUltrasonics();
int getOctaveOffset(unsigned int distanceMM);
int stabilizeOffset(int newOffset, int &oldOffset);

void noteOn(byte channel, byte pitch, byte velocity);
void noteOff(byte channel, byte pitch, byte velocity);

void receiveEvent(int bytesReceived);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  ultrasonicSensor1.begin(9600); 
  Serial1.begin(9600); 

  for (int i = 0; i < NUM_BEAMS; i++) {
    beamStates[i].playing       = false;
    beamStates[i].currentPitch  = 0;
    beamStates[i].offStartTime  = 0;
  }

  Wire.begin(0x08);
  Wire.onReceive(receiveEvent);
}

void loop() {
  unsigned long now = millis();

  if (now - lastSensorCheck >= sensorCheckRate) {
    lastSensorCheck = now;
    triggerAndReadUltrasonics();
  }

  byte stableData = 0;
  int firstOn = -1;

  for (int i = 0; i < NUM_BEAMS; i++) {
    if (receivedData & (1 << i)) {
      if (firstOn < 0) {
        firstOn = i;
      }
    }
  }

  if (firstOn >= 0) {
    stableData |= (1 << firstOn);
  }

  for (int i = 0; i < NUM_BEAMS; i++) {
    bool beamIsInterrupted = (stableData & (1 << i)) != 0;

    if (beamIsInterrupted) {
      beamStates[i].offStartTime = 0;
      byte channel = (i < 4) ? 0 : 1;
      unsigned int dist = (i < 4) ? sensor1Distance : sensor2Distance;
      int rawOffset = getOctaveOffset(dist);
      int stableOffset = (channel == 0) 
                           ? stabilizeOffset(rawOffset, oldOffsetChannel0)
                           : stabilizeOffset(rawOffset, oldOffsetChannel1);
      int newPitch = baseNotes[i] + stableOffset;

      if (!beamStates[i].playing) {
        if (channel == 0) {
          oldOffsetChannel0 = -1;
        } else {
          oldOffsetChannel1 = -1;
        }

        beamStates[i].playing = true;
        beamStates[i].currentPitch = newPitch;
        noteOn(channel, newPitch, 100);
      } else {
        if (beamStates[i].currentPitch != newPitch) {
          noteOff(channel, beamStates[i].currentPitch, 0x40);
          beamStates[i].currentPitch = newPitch;
          noteOn(channel, newPitch, 100);
        }
      }
    } else {
      if (beamStates[i].playing) {
        if (beamStates[i].offStartTime == 0) {
          beamStates[i].offStartTime = now;
        } else {
          if (now - beamStates[i].offStartTime >= OFF_DEBOUNCE_MS) {
            byte channel = (i < 4) ? 0 : 1;
            noteOff(channel, beamStates[i].currentPitch, 0x40);
            beamStates[i].playing = false;

            if (channel == 0) {
              oldOffsetChannel0 = -1;
            } else {
              oldOffsetChannel1 = -1;
            }
          }
        }
      }
    }
  }

  MidiUSB.flush();
}

void receiveEvent(int bytesReceived) {
  while (Wire.available()) {
    receivedData = Wire.read();
  }
}

void triggerAndReadUltrasonics() {
  ultrasonicSensor1.write(0x55);
  delay(50);

  if (ultrasonicSensor1.available() >= 2) {
    HighByte = ultrasonicSensor1.read();
    LowByte = ultrasonicSensor1.read();
    sensor1Distance = (HighByte << 8) + LowByte;

    if (sensor1Distance < 2 || sensor1Distance > 1800) {
      sensor1Distance = 0;
    }

    if (abs((int)sensor1Distance - (int)lastSensor1Filtered) > 20) {
      sensor1Distance = lastSensor1Filtered;
    } else {
      lastSensor1Filtered = sensor1Distance;
    }
  }

  Serial1.write(0x55);
  delay(50);

  if (Serial1.available() >= 2) {
    HighByte = Serial1.read();
    LowByte = Serial1.read();
    sensor2Distance = (HighByte << 8) + LowByte;

    if (sensor2Distance < 2 || sensor2Distance > 1800) {
      sensor2Distance = 0;
    }

    if (abs((int)sensor2Distance - (int)lastSensor2Filtered) > 20) {
      sensor2Distance = lastSensor2Filtered;
    } else {
      lastSensor2Filtered = sensor2Distance;
    }
  }
}

int getOctaveOffset(unsigned int distanceMM) {
  int offset = map(distanceMM, 0, 1500, 24, 0);
  
  return constrain(offset, 0, 24);
}

int stabilizeOffset(int newOffset, int &oldOffset) {
  if (oldOffset < 0) {
    oldOffset = newOffset;
    return newOffset;
  }

  if (abs(newOffset - oldOffset) <= 1) {
    return oldOffset;
  }

  oldOffset = newOffset;
  return newOffset;
}

void noteOn(byte channel, byte pitch, byte velocity) {
  midiEventPacket_t noteOnPacket = {
    0x09,
    (byte)(0x90 | channel),
    pitch,
    velocity
  };
  MidiUSB.sendMIDI(noteOnPacket);
}

void noteOff(byte channel, byte pitch, byte velocity) {
  midiEventPacket_t noteOffPacket = {
    0x08,
    (byte)(0x80 | channel),
    pitch,
    velocity
  };
  MidiUSB.sendMIDI(noteOffPacket);
}
复制代码

第 17 步：用竖琴演奏音乐

由于 Arduino Leonardo 可以充当人机接口设备 （HID），您只需将其插入计算机并启动您最喜欢的 DAW 软件即可。我正在使用 GarageBand，但它也适用于 Logic Pro、Ableton Live 和其他流行的 DAW。

从那里，您可以选择自己喜欢的声音并开始摇滚！

此外，您需要一台烟雾机来使光束可见并创建标志性的激光竖琴效果。


第 18 步：进一步的改进步骤

进一步的改进步骤
振镜扫描仪： 用振镜扫描仪代替步进电机将使竖琴有更多的琴弦和更亮的光束，因为由于步进电机的速度和精度，目前的设置仅限于七根琴弦。振镜扫描仪将能够更快、更精确地定位光束。


传感器高度：将传感器安装在更高的位置将进一步提高其检测光束中断的能力，并更好地跟踪手的高度。这将产生更准确的音符触发，并可能对声音进行更动态的控制。如果你仔细观察让-米歇尔的竖琴，你会注意到传感器的位置要高得多。

这些升级可以显着提高竖琴的性能和可玩性，使其反应灵敏和通用性更高。

第 19 步：最后的话

这个项目很有挑战性，需要大量的微调，所以要做好试错的准备。如果我错过了什么或不清楚的地方，请随时联系我们——我很乐意提供帮助！

此外，我怎么强调激光的危险性都不为过。高功率激光会导致严重的眼睛受伤，甚至灼伤表面，因此请认真对待安全。在使用激光器之前，请确保您佩戴了经过认证的安全眼镜并了解风险。花点时间对激光安全和正确的处理技术进行自我教育。

本指南仅供参考和教育之用，不能取代专业建议。如果您有任何疑问或具体的技术问题，请咨询专家。我不是专业的工程师或机械师，本指南基于我的个人经验。始终使用您的最佳判断力，遵守当地法律和安全准则，并了解所涉及的任何风险。

使用这些说明，您将承担可能发生的任何伤害、损害或事故的所有风险和责任，并同意放弃和免除我的任何和所有索赔或责任。请谨慎行事，自行研究，并对您的结果承担全部责任。


附录
项目链接：https://www.instructables.com/Laser-Harp-2/
项目作者：保加利亚 Cybercraftics
项目视频：https://www.youtube.com/watch?v=c5HmCTt6hQ4
项目代码：https://github.com/cybercraftics/laser_harp
3D打印文件：https://content.instructables.co ... FPLB4E5M88SFWC9.stl