生日蛋糕自动木琴（钟琴）开源分享

描述

让我们从一些动态图片开始：

介绍

该项目的目的是制作个人生日礼物。在这样做的同时享受电子、软件和 3D 打印的乐趣！

草莓奶油蛋糕有 4 种操作模式，通过旋转草莓编码器进行设置。

默认模式只有led效果，没有声音。然后你有生日模式，蛋糕播放生日快乐，直到你再也不想庆祝生日。它还具有“随机播放”模式。它在这里播放随机歌曲。最后还有一个惊喜模式，在这种模式下，灯熄灭，没有音乐播放，如果灯亮了，它会突然播放一首歌。

Part1 :木琴

多少个键和什么频率？

经过几次迭代后，我接受了这个折衷方案：

• 12键，铜制，外径10mm，内径8mm。
• 支持音符 C6、D6、D#6、E6、F6、F#6、G6、A6、A#6、B6、C7、D7。

我从 http://users.df.uba.ar/sgil/physics_paper_doc/papers_phys/lapp.pdf获得的密钥长度公式

我切了一块比计算值大几毫米的铜片，然后轻轻地锉掉边缘。我定期使用应用程序（检查频率 。注意：在管子上钻孔或打磨管子会稍微改变频率。

几个学习者：

• 你真的需要更多的键来播放大多数音乐。我猜至少有 18 个或 24 个。使用 12 个键，该设备只能播放部分歌曲或带有简单旋律的歌曲。
• 虽然木琴是和弦的（可以同时敲击所有 12 个键），但实际上大多数可播放的歌曲并不使用它。
• 管子用砂纸抛光，然后涂上清漆。如果您将钥匙放入无绳电钻中，通过旋转钥匙并用 600 号砂纸固定它很容易使其变得非常光滑。

第 2部分：电磁铁和撞针

这比我预想的要困难得多。

我从一个电磁铁开始，如果有电流流过它，它就会把铁芯拉到它的中心。事实证明这不是一个好主意，因为它需要电磁铁中的大量电流，并且您只能将某些东西拉入核心，而无法排斥它，这使得击键更加困难。

然后我读到了关于使用钕磁铁作为磁芯的信息。这显着降低了所需的电流，现在可以通过将磁铁与电磁铁相斥来敲击琴键。

但是 - 没有什么是免费的 - 另一个问题出现了：前锋中的磁铁相互影响。必须进行大量调整（曾在线圈底部添加铁环以引导磁场），但最终找到了一个解决方案，即每个撞针只使用一个磁铁，并保持足够多的撞针分开。

最终撞针由三部分组成：铁制家具螺丝的空心部分、塑料支架和钕磁铁。无需胶水，磁铁将其固定在一起。

我制作了电子设备，以便可以通过软件控制电磁铁电流。虽然改变打击力对于播放歌曲并不是绝对必要的，但它使调试和调音变得容易。

最终的电磁铁有 570 匝 0.2mm 直径的漆包线。电阻约为5.5Ohm。

为了减少撞针回落到核心中产生的声音，在关键部位使用了毡织物，并且电磁铁的内部和撞针的外部都经过了平滑处理。

不过，我对音质并不是 100% 满意，敲击琴键的声音对我来说有点突出......

Part3 :电子产品

原理图

原理图没什么特别的。Atmega328PB 微控制器与 12 通道 DAC 进行串行通信。每个 DAC 输出后接一个功率双极晶体管，布置为射极跟随器。

二极管 D3..D14 保护晶体管免受感应反冲能量的影响。

我添加了一些基本的过电压、ESD 和错误极化保护。通过添加这些，测试期间破坏组件的变化大大减少。

印刷电路板

PCB就是我所说的1.5层PCB。底部是完整的接地层，因此无需蚀刻。所有轨道都在顶层运行，要访问 GND，您只需添加一个过孔。

在我的下一个项目中，我将在线订购 pcb，但现在我自己蚀刻它，如果原型制作要快得多。

如果您使用镊子和双目显微镜，安装相对较小的组件是最容易的。

物料清单

所有组件均在mouser.com购买

LED环和79

使用好旧的WS2812智能LED。18 为“79”，35 为环，全部串联。

电源

任何 5V/2A 稳压电源都可以工作。我拿了一根 USB A 到 USB B 电缆并切断了 USB B 连接器。我将红/黑线焊接到 PCB 上的 5V/GND。USB A 连接器可插入 USB 充电器或移动电源。

Part3 :机械零件

大约 8 个月前，我们购买了我们的 Prusa mk3s 打印机，它确实达到了预期。它提供了漂亮的结果并且可以毫无问题地工作。带纹理的钢板提供了非常好的表面。

我儿子是 3D 设计师，他像专业人士一样使用 fusion-360（供个人使用）。

第三部分：软件

Excelmacro将midi转换为“arduino”数组

使用 SD 卡可以直接在 arduino 软件中读取 MIDI 文件。没有一个，下一个最好的事情是将 midi 文件转换为更紧凑的数组格式。后者是我所做的。

step1：选择一个midi文件并对其进行预处理。例如，剪掉一块或只保留 1 个“轨道”。我使用 MuseScore3（免费）来做到这一点。

step2 : 使用 midicsv 工具 将 midi 文件转换为 csv 文件。

step3：我做了一个excel宏：

• 打开 csv 文件。
• 移调音符，使最低音符对应于蛋糕上可用的最低音符 (C6)。
• 允许您检查是否可以在蛋糕上播放歌曲中的所有音符。如果没有回到绘图板（Musescore 或只是找到另一个 midi 文件）。
• 生成一个可以粘贴到 arduino 源代码中的数组。

为 Atmega328PB 控制器设置 arduino。

在使用 arduino IDE 之前，必须在处理器中加载引导加载程序。由于我忘记在 MISO/MOSI/SCK 引脚上添加排针，我必须先将小电线焊接到这些引脚上。

Atmega328PB 的额外功能默认情况下不可用，因此我必须在 IDE 中安装 Watterott 软件包 ( https://github.com/watterott/Arduino-Boards)才能正常工作。

经过很多问题我发现boards.txt中的波特率需要从57600更改为115200。

c++软件

事件驱动的应用程序可能更简洁，但我决定采用同步解决方案。主循环以固定的 300Hz 运行，每个对象或状态机在每个周期都更新。

高级概览应用程序

DacBH2221FV.h 允许您将值写入任何 dac 通道。

Key 类包含驱动单个键所需的所有内容。键由它们的 midi 编号标识。

MusicPlayer 类拥有 12 个键并且知道如何播放歌曲。歌曲存储为结构紧凑的数组（请参阅 SongData.h ）

ControlLights 类提供简单的函数来控制 79 和环形 LED。

RotarySwitch 和 SwitchAndLDR 类允许访问旋转开关和光传感器。

最后，Controller 类使所有这些都可以协同工作。