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生日蛋糕自动木琴（钟琴）开源分享
王尚岱
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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。
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