Áo khoác biểu diễn ánh sáng phản ứng với âm nhạc: 7 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:35

Hướng dẫn này đã được sản xuất như một phần của dự án năm cuối của tôi cho bằng cấp về Công nghệ Âm nhạc và Điện tử Ứng dụng tại Đại học York. Nó nhắm đến các nhạc sĩ quan tâm đến điện tử. Thành phẩm sẽ là một ma trận LED ở mặt sau của áo khoác có thể tạo ra màn trình diễn ánh sáng phù hợp với âm nhạc. Điều này sẽ được thực hiện bằng cách phân tích đầu vào âm thanh bằng Pure Data và Arduino. Áo khoác sẽ có hai cài đặt có thể được điều khiển bằng công tắc. Một cài đặt sẽ điều khiển các đèn LED theo biên độ của âm nhạc và cài đặt còn lại sẽ có các đèn LED lấp lánh một lần và thay đổi màu sắc theo cao độ.

Nó sẽ hoạt động như thế nào

Thiết bị này sẽ được tạo thành từ hai mạch riêng biệt. Một sẽ dựa trên Arduino Mega được kết nối trực tiếp với máy tính. Mạch còn lại sẽ dựa trên LilyPad Arduino và sẽ hoàn toàn nằm trong áo khoác và được cấp nguồn qua pin 9V. Cả hai mạch này sẽ giao tiếp với nhau không dây bằng cách sử dụng các mô-đun XBee. Các tín hiệu âm thanh sẽ được nhận bởi micrô có sẵn của máy tính và được phân tích trong Dữ liệu thuần túy để thu được dữ liệu về biên độ và tần số. Thông tin này sẽ được chuyển đến Arduino Mega bằng mạch đầu vào MIDI và sau đó thông tin này sẽ được truyền đến LilyPad bằng XBees. Sau đó, LilyPad sẽ xác định các đèn LED trên áo khoác sẽ phản ứng như thế nào.

Những gì bạn sẽ cần

Đối với Mega Circuit

• Arduino Mega 2560
• XBee Explorer được điều chỉnh
• Ăng ten theo dõi XBee 1mW - Dòng 1
• Lá chắn nguyên mẫu cho Mega
• USB loại A đến B
• Cáp USB sang MIDI
• Ổ cắm MIDI
• 1 x 220Ω Điện trở
• Điện trở 1 x 270Ω
• 1 x 1N4148 Diode
• 1 x 6N138 Optocoupler

Đối với mạch LilyPad

• Bảng mạch chính LilyPad Arduino 328
• Bảng đột phá LilyPad XBee
• Ăng ten theo dõi XBee 1mW - Dòng 1
• Bảng đột phá cơ bản của LilyPad FTDI
• 72 x đèn LED LilyPad (một loạt các màu có sẵn bao gồm trắng, xanh lam, đỏ, vàng, xanh lá cây, hồng và tím)
• Công tắc trượt LilyPad
• Cáp USB 2.0 A-Male sang Mini-B
• Pin 9V
• Kẹp pin 9V

Khác

• Áo khoác
• Máy tính có dữ liệu thuần túy và đã cài đặt Arduino IDE
• Dây thiết bị
• Thiết bị hàn
• Máy cắt dây
• Dụng cụ cắt dây
• Kim với một con mắt lớn
• Chủ đề
• Chủ đề dẫn điện
• Cây kéo
• Thươc dây
• Keo dán vải hoặc sơn móng tay trong suốt
• Phấn hoặc Bút kẻ mắt màu trắng
• Vải lót hoặc áo phông cũ
• khóa dán
• Khoan (có thể)
• Đèn LED tiêu chuẩn (để thử nghiệm)
• Breadboard (để thử nghiệm)
• Một điện trở 220Ω khác (để thử nghiệm)
• Đồng hồ vạn năng (để thử nghiệm)

Chi phí của dự án này sẽ phụ thuộc rất nhiều vào việc bạn đã sở hữu bao nhiêu thiết bị trên. Tuy nhiên, nó có khả năng nằm trong khoảng từ £ 150 - £ 200.

Một lưu ý nhanh - các bảng LilyPad được thiết kế để may trực tiếp vào vải và do đó việc hàn kẹp pin 9V vào một bảng có thể gây ra sự cố. Kết nối có thể rất mỏng và dễ bị đứt. Bạn có thể nhận được bảng LilyPad được thiết kế đặc biệt cho pin AAA hoặc LiPo mà bạn có thể quyết định sẽ thích sử dụng hơn. Tuy nhiên, tôi vẫn chọn đi xuống con đường 9V vì tuổi thọ pin của chúng lớn hơn AAA và trường Đại học của tôi có những hạn chế về việc sử dụng pin LiPo.

Bước 1: Tạo mạch đầu vào MIDI

Trước hết, hãy xem xét mạch Đầu vào MIDI. Điều này sẽ cần được xây dựng trên bảng tạo mẫu sẽ đưa vào Arduino Mega. Điều này sẽ được sử dụng để gửi tin nhắn MIDI từ bản vá Dữ liệu thuần túy tới Mega thông qua chân ‘COMMUNICATION RX0’ của nó. Xem ở trên để biết sơ đồ mạch và một bức ảnh. Tùy thuộc vào bảng tạo mẫu của bạn, cách bố trí của bạn có thể hơi khác nhưng tôi đã chọn đặt ổ cắm MIDI ở góc dưới cùng bên trái. Ở đây có thể cần phải sử dụng một mũi khoan để làm cho các lỗ trên tấm chắn lớn hơn để vừa với ổ cắm. Các dây màu đỏ trong ảnh được kết nối với 5V, màu nâu được kết nối với đất, dây màu đen được kết nối với chân 3 trên 6N138, dây màu xanh được kết nối với chân 2 trên 6N138 và dây màu vàng được kết nối với RX0 ghim. Khoảng trống được để lại bên tay phải của bảng tạo mẫu để có chỗ cho XBee sau này. Có thể cần phải ngắt quãng trong các bài hát trên bảng. Đối với ví dụ này, chúng phải được tạo giữa các chân trên 6N138.

Kiểm tra mạch đầu vào MIDI

Để kiểm tra mạch, hãy tải mã bên dưới lên Arduino Mega bằng cáp USB Loại A đến B. Đảm bảo rằng tấm chắn không được lắp vào khi bạn làm điều này vì mã không thể được tải lên nếu bất kỳ thứ gì được kết nối với chân RX hoặc TX. Ngoài ra, mã bao gồm thư viện MIDI.h mà bạn có thể cần tải xuống, có sẵn tại liên kết bên dưới.

MIDI.h

Tiếp theo, lắp tấm chắn vào mega và kết nối nó với một cổng USB khác trên máy tính của bạn thông qua cáp MIDI với USB. Đầu MIDI mà bạn cần sử dụng sẽ được gắn nhãn 'out'. Tạo một mạch đơn giản trên bảng mạch kết nối chân 2 với điện trở 220Ω và sau đó kết nối mạch này với cực dương của đèn LED tiêu chuẩn. Kết nối cực âm của đèn LED với mặt đất.

Sau đó, tạo một bản vá Dữ liệu thuần túy đơn giản với thông báo [60 100] và thông báo [0 0] đều được kết nối với một đối tượng noteout thông qua đầu vào bên trái của nó. Đảm bảo rằng bản vá này được kết nối với mạch Đầu vào MIDI bằng cách mở cài đặt MIDI và thay đổi thiết bị đầu ra. Nếu điều này không khả dụng, hãy đảm bảo rằng bạn đã kết nối mạch MIDI với máy tính của mình trước khi mở Pure Data. Bây giờ, nếu mạch của bạn đúng, đèn LED sẽ sáng khi nhấn thông báo [60 100] và sẽ tắt khi nhấn thông báo [0 0].

Bước 2: Thiết kế Ma trận LED

Tiếp theo, ma trận LED cho mặt sau của áo khoác cần được xem xét. Điều này sẽ được kết nối trực tiếp với bảng LilyPad chính. Thông thường, để điều khiển đèn LED bằng vi điều khiển, chúng sẽ được gán cho mỗi chân riêng của chúng. Tuy nhiên, chỉ với một Arduino LilyPad, điều này sẽ rất hạn chế. Tổng cộng, LilyPad có 12 chân kỹ thuật số và 6 chân tương tự, vì vậy có khả năng là 18 chân đầu ra. Tuy nhiên, vì một trong những chân này sẽ được sử dụng sau này để điều khiển công tắc trượt nên chỉ còn lại 17 chân.

Một kỹ thuật có thể được sử dụng trong trường hợp này được gọi là ghép kênh để tối đa hóa tiềm năng của các chân điều khiển của LilyPad. Điều này tận dụng lợi thế của hai sự kiện:

• Đèn LED là điốt và chỉ cho phép dòng điện chạy theo một hướng.
• Đôi mắt và bộ não của con người xử lý hình ảnh chậm hơn nhiều so với ánh sáng có thể truyền đi, vì vậy nếu đèn LED nhấp nháy đủ nhanh, chúng ta sẽ không nhận thấy. Đây là một khái niệm được gọi là “Sự bền bỉ của tầm nhìn”.

Bằng cách sử dụng kỹ thuật này, số lượng đèn LED có thể được điều khiển là (n / 2) x (n- (n / 2)) trong đó n là số chân điều khiển khả dụng. Do đó, với 17 chân có sẵn, có thể điều khiển 72 đèn LED trong ma trận 9x8.

Sơ đồ bố trí đèn LED trong ma trận 9x8 có thể được nhìn thấy ở trên, bao gồm các gợi ý về các chân mà mỗi hàng và cột nên được kết nối với. Điều quan trọng cần lưu ý là các hàng và cột không được chạm vào nhau. Ngoài ra, không yêu cầu điện trở do thực tế là mỗi đèn LED được tích hợp riêng với điện trở 100Ω.

Trước khi bắt đầu may, bạn nên lập kế hoạch bố trí mạch điện trên áo khoác. Một nơi tốt để bắt đầu ở đây là đánh dấu trên áo khoác nơi các đèn LED sẽ đi bằng các chấm nhỏ, sử dụng thước dây để đảm bảo rằng chúng cách đều nhau. Đối với áo khoác da đen, bút kẻ mắt màu trắng hoạt động rất hiệu quả và có thể dễ dàng lau đi nếu sơ suất. Tuy nhiên, các phương tiện khác như phấn cũng có thể hoạt động tùy thuộc vào chất liệu và màu sắc của áo khoác. Có thể thấy sự sắp xếp của các màu LED mà tôi đã sử dụng ở trên sẽ hoạt động với mã được cung cấp sau này. Bạn có thể sử dụng một bố cục khác mặc dù điều này sẽ cần được thay đổi trong mã.

Điều tiếp theo cần nghĩ đến là LilyPad, LilyPad XBee và nguồn điện sẽ đi đâu. Đối với chiếc áo khoác mà tôi đã sử dụng, nơi kín đáo và hợp lý nhất dường như là ở mặt sau của áo khoác, ở dưới cùng và ở lớp lót bên trong. Điều này là do cánh tay của người đeo ở đây không có khả năng bị va chạm và nó có thể dễ dàng truy cập vào ma trận LED. Ngoài ra, vì chiếc áo khoác tôi sử dụng bị lỏng ở phía dưới, nó vẫn rất thoải mái.

Bước 3: May Ma trận LED

Tại thời điểm này, bạn có thể bắt đầu may. Sợi dẫn điện có thể khó làm việc vì vậy đây là một số mẹo hữu ích:

• Dán một bộ phận vào vị trí bằng cách sử dụng keo dán vải sẽ giúp bạn may dễ dàng hơn nhiều.
• Các loại mũi khâu khác nhau sẽ có tính chất thẩm mỹ và chức năng khác nhau, vì vậy bạn nên xem xét chúng trước khi bắt đầu. Tuy nhiên, một khâu chạy cơ bản sẽ ổn cho dự án này.
• Các nút thắt có xu hướng lỏng ra khá dễ dàng với chỉ dẫn điện vì nó "đàn hồi" hơn bình thường. Giải pháp cho vấn đề này là sử dụng một lượng nhỏ sơn móng tay trong suốt hoặc keo dán vải để dán chúng lại. Để chúng có thời gian khô trước khi cắt đuôi.
• Khi tạo kết nối với các thành phần mạch hoặc nối hai đường chỉ dẫn điện với nhau, bạn nên may nhiều lần những đường này để đảm bảo rằng kết nối cơ và điện đã được thực hiện tốt.
• Đảm bảo rằng kim của bạn sắc và có mắt lớn. Việc luồn qua áo khoác có thể khó và sợi dẫn điện dày hơn bình thường.
• Hãy cẩn thận với những sợi lông lỏng lẻo trên sợi chỉ. Những thứ này có thể tạo ra các đường ngắn trong mạch nếu chúng tình cờ chạm vào các đường may khác. Nếu những điều này trở thành một vấn đề lớn, tất cả các đường có thể được bịt lại bằng sơn móng tay trong suốt hoặc keo dán vải sau khi quá trình kiểm tra diễn ra và mọi thứ chắc chắn hoạt động chính xác.

Một nơi tốt để bắt đầu may là với các hàng. Để làm cho chúng thẳng nhất có thể, bạn có thể vẽ những đường mờ để khâu dọc bằng thước kẻ. Khi bạn đã khâu xong, hãy chuyển sang các cột. Cần phải hết sức cẩn thận mỗi khi đạt được một hàng vì điều cần thiết là cả hai không được giao nhau. Điều này có thể đạt được bằng cách tạo đường khâu cho cột ở bên trong áo khoác cho đường giao nhau này, như trong hình trên. Khi bạn đã hoàn thành tất cả các hàng và cột, một đồng hồ vạn năng có thể được sử dụng để kiểm tra xem không có quần đùi nào.

Khi bạn đã hài lòng, hãy bắt đầu may các đèn LED cho cột ở ngoài cùng bên phải của áo khoác. Đảm bảo rằng mỗi cực dương được gắn vào hàng riêng của nó và mỗi cực âm được gắn vào cột bên trái. Sau đó, đặt LilyPad Arduino vào vị trí bằng cách sử dụng keo dán vải ở đâu đó gần bên dưới cột này, đảm bảo rằng các chân của bảng đột phá FTDI hướng xuống dưới. May ghim 11 của LilyPad vào hàng 1, ghim 12 vào hàng 2 và cứ tiếp tục như vậy cho đến khi ghim A5 được may vào hàng 9. Sau đó, may ghim 10 vào cột ngoài cùng bên phải. Để kiểm tra cột đầu tiên này, bạn có thể sử dụng mã bên dưới. Tải lên mã và cấp nguồn cho LilyPad bằng cách kết nối nó với máy tính của bạn bằng bảng đột phá FTDI và cáp USB 2.0 A-Male to Mini-B.

Nếu cổng chính xác không khả dụng khi bạn cắm LilyPad, bạn có thể cần cài đặt trình điều khiển FTDI có sẵn từ liên kết bên dưới.

Cài đặt trình điều khiển FTDI

Khi bạn đã có cột đèn LED đầu tiên này sáng lên, đã đến lúc bạn may phần còn lại vào áo khoác. Đây là một quá trình khá tốn thời gian và vì vậy có lẽ tốt nhất là nên cách nhau trong một vài ngày. Đảm bảo kiểm tra từng cột khi bạn tiếp tục. Bạn có thể thực hiện việc này bằng cách điều chỉnh mã ở trên để chân cho cột bạn muốn kiểm tra được khai báo như một đầu ra trong thiết lập và sau đó nó được đặt LOW trong vòng lặp. Đảm bảo rằng các chân cột khác được đặt ở mức CAO vì điều này sẽ đảm bảo rằng chúng được tắt.

Bước 4: Thêm công tắc

Tiếp theo, bạn có thể thêm một công tắc sẽ được sử dụng để thay đổi cài đặt trên áo khoác. Nó cần được khâu vào bên trong áo khoác bên dưới bảng LilyPad Arduino. Sử dụng ren dẫn điện, đầu có nhãn “tắt” phải được kết nối với đất và đầu có nhãn “bật” phải được kết nối với chân 2.

Bạn có thể kiểm tra công tắc bằng cách sử dụng mã bên dưới. Điều này rất đơn giản và bật đèn LED phía dưới bên phải nếu công tắc đang mở và tắt nó nếu công tắc đang đóng.

Bước 5: Làm cho thiết bị không dây

Chuẩn bị LilyPad XBee và XBee Explorer

Chuẩn bị LilyPad XBee để cấu hình bằng cách hàn trên Đầu nối nam góc phải 6 chân. Điều này sau đó sẽ cho phép nó được kết nối với máy tính thông qua bảng LilyPad FTDI Basic Breakout và cáp USB Mini. Ngoài ra, hãy hàn kẹp pin 9V vào LilyPad XBee với dây màu đỏ vào chân “+” và dây đen đi vào chân “-”.

Kết nối bảng Explorer với tấm chắn tạo mẫu cho Arduino Mega. 5V và Ground trên bảng Explorer sẽ cần kết nối với 5V và Ground trên Mega, chân đầu ra trên Explorer sẽ cần kết nối với RX1 trên Mega và đầu vào trên Explorer sẽ cần kết nối với TX1 trên Mega.

Cấu hình XBees

Tiếp theo, XBees cần được cấu hình. Trước hết, bạn sẽ cần cài đặt phần mềm CoolTerm miễn phí có sẵn từ liên kết bên dưới.

Phần mềm CoolTerm

Đảm bảo phân biệt giữa hai XBees theo một cách nào đó vì điều quan trọng là bạn không để chúng lẫn lộn.

Đầu tiên, cấu hình XBee cho máy tính. Chèn nó vào bảng LilyPad XBee Breakout và kết nối nó với máy tính bằng bảng đột phá cơ bản FTDI và cáp USB Mini. Mở CoolTerm và trong Tùy chọn, chọn đúng cổng nối tiếp. Nếu bạn không thể thấy nó, hãy thử nhấn 'Quét lại các cổng nối tiếp'. Sau đó, đảm bảo tốc độ truyền được đặt thành 9600, bật Tiếng vọng cục bộ và đặt Mô phỏng chính thành CR. CoolTerm hiện có thể được kết nối với XBee.

Gõ “+++” vào cửa sổ chính để đưa XBee vào chế độ lệnh. Không nhấn quay lại. Điều này sẽ cho phép nó được cấu hình bằng các lệnh AT. Nếu điều này đã thành công, sau một thời gian tạm dừng rất ngắn sẽ có phản hồi thông báo “OK”. Nếu có độ trễ hơn 30 giây trước dòng tiếp theo, chế độ lệnh sẽ thoát và điều này sẽ cần được lặp lại. Cần nhập nhiều lệnh AT để đặt PAN ID, MY ID, Destination ID và để lưu các thay đổi. Return cần phải được thực hiện sau mỗi lệnh này và chúng có thể được nhìn thấy trong bảng trên. Khi điều này đã được hoàn thành cho máy tính XBee, nó cần phải được ngắt kết nối và quá trình tương tự phải được thực hiện cho áo khoác XBee.

Bạn có thể kiểm tra cài đặt XBee mới bằng cách nhập từng lệnh AT mà không có giá trị ở cuối. Ví dụ: nếu bạn nhập “ATID” và nhấn return, thì “1234” sẽ được lặp lại.

Kiểm tra XBees

Tại thời điểm này, hãy may LilyPad XBee vào áo khoác bên cạnh LilyPad Arduino. Các kết nối sau cần được thực hiện bằng sợi dẫn điện:

• 3.3V trên LilyPad XBee thành '+' trên LilyPad
• Tiếp đất trên LilyPad XBee Tiếp đất trên LilyPad
• RX trên LilyPad XBee đến TX trên LilyPad
• TX trên LilyPad XBee thành RX trên LilyPad

Bây giờ thiết bị có thể được kiểm tra để đảm bảo rằng XBees đang hoạt động chính xác. Mã bên dưới có tên 'Wireless_Test_Mega' cần được tải lên Arduino Mega và mục đích chính của nó là nhận thông báo MIDI từ bản vá Pure Data đơn giản đã tạo trước đó và truyền các giá trị khác nhau qua XBee. Nếu nhận được một nốt MIDI với cao độ 60, thông báo ‘a’ sẽ được truyền đi. Ngoài ra, nếu nhận được thông báo noteoff, thì ‘b’ sẽ được truyền đi.

Ngoài ra, mã bên dưới có tên 'Wireless_Test_LilyPad' cần được tải lên LilyPad. Thao tác này nhận các thông báo từ Mega thông qua XBees và điều khiển đèn LED phía dưới bên phải tương ứng. Nếu nhận được thông báo ‘a’, nghĩa là Mega đã nhận được nốt MIDI với cao độ 60, đèn LED sẽ bật. Mặt khác, nếu không nhận được ‘a’, đèn LED sẽ tắt.

Khi mã đã được tải lên cả hai bảng, hãy đảm bảo rằng tấm chắn đã được lắp lại vào Mega và nó được kết nối với máy tính qua cả hai dây cáp. Đưa XBee máy tính vào bảng Explorer. Sau đó, đảm bảo rằng bo mạch FTDI Breakout được ngắt kết nối khỏi áo khoác và lắp áo khoác XBee vào LilyPad XBee. Kết nối pin 9V và thử nhấn các thông báo khác nhau trong Dữ liệu thuần túy. Đèn LED phía dưới bên phải trên áo khoác sẽ bật và tắt.

Bước 6: Những lần chạm cuối cùng

Bản vá mã và dữ liệu thuần túy

Khi bạn hài lòng rằng áo khoác đang hoạt động không dây, hãy tải bản phác thảo 'MegaCode' bên dưới lên Arduino Mega và bản phác thảo 'LilyPadCode' lên LilyPad. Mở bản vá Pure Data đảm bảo rằng DSP đang bật và đầu vào âm thanh được đặt thành micrô tích hợp trên máy tính của bạn. Hãy thử chơi một số bản nhạc và di chuyển công tắc. Bạn có thể cần phải điều chỉnh một chút các ngưỡng trong Dữ liệu tinh khiết tùy thuộc vào mức độ phản ứng của đèn LED với âm thanh nhiều hay ít.

Thêm một lớp lót mới

Cuối cùng, để chiếc áo khoác thêm thẩm mỹ và thoải mái hơn khi mặc, có thể thêm một lớp lót khác vào bên trong áo để che đi phần may và các thành phần. Điều này nên được thực hiện bằng cách sử dụng khóa dán để cho phép dễ dàng truy cập vào mạch trong trường hợp cần thực hiện bất kỳ thay đổi nào.

Trước hết, may các dải 'vòng lặp' (phần mềm hơn) vào áo khoác ở bên trong, dọc theo hai bên từ trên xuống dưới. Bạn nên để phần đáy trống vì điều này sẽ cho phép không khí đi vào các bộ phận. Sau đó, cắt một mảnh vải có cùng kích thước và khâu vào dải 'móc' này của khóa dán, dọc theo hai bên từ trên xuống dưới. Ngoài ra, ở cùng phía với khóa dán và ở vị trí thuận tiện nhất, hãy khâu một chiếc túi để pin có thể đặt vào. Hãy xem các hình ảnh ở trên để biết ví dụ.

Bước 7: Bạn đã hoàn tất

Áo khoác trình chiếu ánh sáng không dây của bạn bây giờ đã hoàn tất và phản hồi thành công với âm thanh! Một cài đặt sẽ tạo ra hiệu ứng như thanh biên độ và cài đặt còn lại phải có các đèn LED riêng lẻ lấp lánh theo nhạc với màu sắc của chúng tùy thuộc vào cao độ. Xem ở trên để biết các ví dụ video. Trong trường hợp bạn đang thắc mắc, màu sắc và cao độ có liên quan với nhau thông qua Thứ tự Rosicrucian chỉ dựa trên ngữ điệu. Tôi hy vọng bạn thích dự án này!