機械鐘琴設(shè)計——使用兩個伺服控制的木槌在鐘琴上演奏旋律

這是我的一個老項目，我從來沒有完成過。廢品抽屜競賽是一個很好的機會，最終把項目帶回家。這個故事中的很多文字都是6年前的，但我已經(jīng)編輯了很多。

簡而言之就是鐘琴

鐘琴，一種帶有教堂大鐘的鐘琴，通常包括自動化裝置。Netduino，這個項目的原始μC板。慈善機構(gòu)。從這些話中，我想出了charillino這個名字。我還是會以某種方式加入慈善。最終的微控制器板（μC）將具有物聯(lián)網(wǎng)功能，人們將能夠從網(wǎng)站上選擇歌曲，同時該項目為慈善機構(gòu)籌集資金。

這個樂器由25個鋁制琴鍵組成，或者說是鋁制琴條，都是從我扔掉的鐘琴上取下來的。我是一名音樂老師，我有太多這樣的想法了。25根木條以半圓形放置在一塊400 * 800毫米的木板上，這是一塊來自Lundia書架的書寫架。兩個木槌敲打著欄桿。一個木槌連接在一個微伺服器上，執(zhí)行垂直打擊。微伺服連接到一個更大的伺服，使其水平轉(zhuǎn)動，允許木槌在任何酒吧打擊。木棒實際上是沿著兩個相互重疊的半圓放置的，優(yōu)化了每個木槌的擊球點。從G5開始，一個木槌主要敲擊小節(jié)的下端。另一個木槌敲到了G7的高端。

在每根棒子下面的木板上有一個洞，木板下面伸出一根鋁管。電子管作為聲音的共振器，放大聲音。

一個μC板控制伺服器，使它們播放旋律。

使項目自動化

這是最大的變化，當項目適應(yīng)垃圾抽屜比賽。我的一個學(xué)生送了我一個可愛的圣誕小精靈。我用粗鐵線給小精靈做了一個座位。他的腿很長很邋遢，我把腳綁在木槌上，希望它們能抑制巨大的震動，這是我一直無法擺脫的。它幾乎起作用了。

音樂的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

我可以選擇midi，但是midi解析器太復(fù)雜了，通常需要在第一個音符發(fā)出之前將整個文件讀取到RAM中。相反，我采用了這樣的結(jié)構(gòu)：

第一個數(shù)字是音調(diào)的中音數(shù)字。第二個數(shù)字是以毫秒為單位的時間戳，第三個數(shù)字是哪個木槌在敲擊，1代表低音，0代表距離。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將來可能會改變，如果我想把速度作為一個參數(shù)，來改變音樂的動態(tài)。沒有音符事件，因為查里利諾只是敲擊小節(jié)，而不會在之后減弱它們。

在其最簡單的形式中，程序讀取一行，等待機器時鐘傳遞時間戳，然后右木槌轉(zhuǎn)向右鐘琴條并敲擊它。

但還有更多的原因。如果右邊的棒子離之前的打擊很遠，移動到那里需要時間，所以如果木槌提前移動到那里會更好。然而，拙劣的安排可能會導(dǎo)致兩個木槌碰撞，如果一個過早地移動到下一個小節(jié)。寫得不好的安排可能會引起各種問題。

我決定依靠書面安排。如果可能的話，我會提前把木槌搬到下一個酒吧。

在Musescore中編寫音樂

Musescore也許是最流行的免費樂譜編輯器。

簡單的兩五線譜就可以了：

在這個例子中，使用了Charillino的全系列。最高的是G7，最低的是G5。

這些注釋將被轉(zhuǎn)移到前面清單中所示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。這里我們可以使用Musescore的插件系統(tǒng)。有一個插件可以根據(jù)特定的配色方案給筆記上色。我使用了這個腳本，跳過了上色，而是讓腳本為每個音符寫midi數(shù)字和事件的時間。幸運的是，有一個函數(shù)以毫秒為單位返回時間，并帶有無數(shù)小數(shù)。插件中的關(guān)鍵行是這樣的：

Cur是一個游標對象，它指向樂譜中的一個元素。它可以是休止符，和弦或者別的什么。我從游標對象讀取時間，并將其舍入到毫秒（沒有人會注意到亞毫秒級的錯誤）。和弦由一個或幾個音符組成。插件遍歷嵌套循環(huán)，最外面的遍歷所有五線譜，下一個遍歷一個五線譜中的所有和弦，最里面的遍歷一個和弦中的所有音符。因此，音調(diào)的音高或中音數(shù)可以從音符對象中讀取，而時間則從光標對象中讀取。在我的代碼中，五線譜數(shù)（它轉(zhuǎn)移到木槌數(shù)）保存在五線譜變量中。運行此插件將在插件工具的控制臺窗口中顯示一個列表（必須在Musescore中打開）。清單看起來是這樣的：

注意，在輪到下一個五線譜之前，一個五線譜的所有音符都先出現(xiàn)。從這里，我復(fù)制文本并將其粘貼到Libreoffice的電子表格中，在那里我根據(jù)時間戳對它們進行排序。我還添加了花括號，以適應(yīng)C程序中的結(jié)構(gòu)數(shù)組。然后我將其從Libreoffice復(fù)制粘貼到Arduino IDE，到char伊利諾_tunes.h選項卡。

在Libreoffice中的表單：

當我從Musescore中的控制臺復(fù)制數(shù)據(jù)時，我將其粘貼到單元格A7中。重要的數(shù)據(jù)放在B、C和D列。在根據(jù)C列（時間戳）對所有內(nèi)容進行排序之后，我在E列中創(chuàng)建代碼，并將其直接復(fù)制到Arduino IDE項目中的char伊利諾_tune .h文件中。對于新曲調(diào)，我刪除a列中的內(nèi)容，將新數(shù)據(jù)粘貼到A7中并再次排序（a列現(xiàn)在顯示新列表的長度）。E列很好地更新了自己，如果新的曲調(diào)比以前的更長，我只需要擴展它。

我真的應(yīng)該學(xué)習(xí)Javascript并在Musescore插件中進行排序。

程序流程

在其最簡單的形式中，程序?qū)⑦\行如下：

在char伊利諾_tunes.h文件中以結(jié)構(gòu)形式存儲大約10首曲調(diào)。一個只有10個音符的曲調(diào)可能是這樣的：

首先，我們?yōu)橐粋€音符事件定義Tunes結(jié)構(gòu)。然后我們將一個曲調(diào)定義為音符事件的數(shù)組。最后一個元素的時間戳為9999999，作為曲子結(jié)束的標志（鍵和五線譜編號無關(guān)）。我可以隨意命名一個曲調(diào)數(shù)組。在主程序中，我有一個指向這些曲調(diào)的指針數(shù)組：

當程序啟動時，一切都設(shè)置好了，指針指向這個調(diào)音列表中的第一個元素。曲子奏起了。5秒的延遲，下一曲開始。當?shù)竭_NULL元素時，指針返回到第一個元素。

當一個曲調(diào)演奏時，一個木槌等待下一個樂章的發(fā)生。首先，木槌水平移動到右邊的酒吧。然后，200毫秒后，它擊中了鍵。播放一個曲調(diào)的程序流程是這樣的：

?讀取每個木槌的第一個音符事件，并為之前200毫秒的水平移動創(chuàng)建時間戳。

?記錄曲子的開始時間。注意，音符擊打的第一個時間戳可能是0，所以第一個水平移動的時間戳可能是-200毫秒，但這不會導(dǎo)致問題，因為主時鐘是millis()，總是大于1000的值。

?等待下一個時間戳。如果它是一個水平運動，做這個運動，然后再等待一次。如果是為了打擊，執(zhí)行打擊，搜索下一個事件，為水平移動創(chuàng)建時間戳。這個步驟循環(huán)，直到曲子播放完畢。所以下一個時間戳可以是木槌，可以是水平運動的時間戳，也可以是擊打的時間戳。

?當一個曲調(diào)結(jié)束時，等待5秒并選擇下一個曲調(diào)，最終循環(huán)回到列表中的第一個曲調(diào)。

木槌如何移動

水平運動將木槌置于桿上方約30毫米的位置。擊打使木槌迅速移動到棒子上方約5毫米處。如果一切都校準完美，木槌的靈活桿使木槌擊中酒吧一次。木槌保持在這個位置，直到下一個水平運動發(fā)生，同時將木槌從5毫米提高到30毫米。

電路圖

這個示意圖展示了我在2021年是如何設(shè)計它的。原理圖中顯示的Arduino Leonardo恰好具有與Netduino相同的外形因素，該項目中的原始μC板。我烤了一個Netduino。我還喝了一杯，但厭倦了。. NET東西-錯誤的編程語言，一個乳齒象IDE。所以我現(xiàn)在切換到Seeeduino XIAO，稍后切換到一些ESP32板，如果我去物聯(lián)網(wǎng)。我最初選擇了一個12 V的電源和一個LM2596來把功率降低到5V。那時候我經(jīng)常在大多數(shù)項目中使用12V的鉛電池。

這是一個簡單的設(shè)置，可以通過開關(guān)和電位器進行改進，也許還可以使用顯示器。我不會在這個項目中深入討論。

在這個項目中使用的垃圾

倫迪亞書架。我閣樓上還有很多倫迪亞的零件。對于每一個新項目，我都檢查一下那里有什么。

為了這個項目，我把鐘琴扔了。它實際上并不是垃圾，但有15個鐘樓，一個鐘樓或多或少是垃圾。

精靈。這是我的一個學(xué)生送給我的圣誕禮物。它本身不是垃圾，但我找不到任何用途，它不適合我的家庭裝飾。反正我妻子也討厭它。

給小精靈的電線。我自己也有一些粗鋁線，放在我的一個雜物抽屜里，但它承受不了那么大的重量。所以我用了一些學(xué)校的生銹的4毫米鐵絲，從一個堆滿金屬碎片的垃圾角落里拿來做學(xué)校項目。這是一種交易，因為我之前把我的舊鐵旗桿捐給了我們學(xué)校。

μC板，PCA9685，臨時原型板，都是從我的一個垃圾抽屜里找到的東西。再說一次，不是垃圾本身，而是垃圾中的寶石。我們都知道自己的抽屜里裝滿了寶石，不是嗎？

實際上伺服器已經(jīng)變成垃圾了。由于早期的測試用了太重的木槌，垂直伺服器上的一些齒已經(jīng)磨損了，我不得不打開它們，把齒輪轉(zhuǎn)到新的位置，以避免磨損的齒。下次發(fā)生這種情況時，我得把伺服器換掉?？上Ы饘冽X輪對儀器來說太吵了。

校準charillino

一個打擊包括移動垂直伺服從一個較高的位置到較低的位置。根據(jù)使用的伺服系統(tǒng)以及錘頭的扭矩和慣性扭矩有多大，這些角度值不可能在沒有測試的情況下提前設(shè)定。如果木槌打得太用力，就會粘在棒子上，發(fā)出難看的短金屬聲，或者木槌打了兩次才落在5mm的高度。如果它打得太輕，甚至不會每次都被擊中。我們想要一個清晰的單擊，讓振動棒發(fā)出持續(xù)的聲音。

需要專門的校準程序。結(jié)果將是一個查找表，其中包含每個鍵和每個槌的上、下位置的最佳角度。為了讓它更上一層樓，我們可以嘗試通過改變上部位置來加入強音和弱音。

我的校準程序

校準程序通過在計算機上輸入字母來工作。μC通過串行USB接收字母命令并發(fā)回角度值列表。下面是命令列表：

‘a(chǎn)’：移動到上一個鍵。

“f”：移動到下一個鍵。

‘1’：按當前參數(shù)的鍵。

“3”：播放三個連續(xù)的鍵，直到當前鍵來比較它們。

‘s’：將木槌的水平角度降低一個單位。

‘d’：將木槌的水平角度提高一個單位。

“w”：將擊槌的上位角度降低一個單位。

“e”：將擊打槌的上端角度提高一個單位。

“x”：將擊槌的下位角度降低一個單位。

“c”：將擊打槌的下位角度提高一個單位。

輸入兩個字母的角度將改變10個單位的角度。角度的數(shù)值不是以度為單位，而是在100到400的范圍內(nèi)。這都是關(guān)于伺服電機所需的特殊類型的PWM。我猜控制伺服電機的常規(guī)方法是servo.write(a)；其中a是角度，在0到180的范圍內(nèi)。在這里，我使用數(shù)字來告訴脈沖在50hz或20ms周期中總共有多少個部分。

每次輸入后，所有27個音調(diào)的兩個陣列都被打印在串行上。如果μ C掛起，這種情況時有發(fā)生，我的電腦屏幕上總是有最新的更改。從那里，我可以將數(shù)組復(fù)制粘貼到Arduino IDE中的草圖中并重新編譯。校準好后，我將相同的數(shù)組復(fù)制粘貼到實際的音樂播放程序中。

好吧，本來可以更好的。但這是個管用的查利諾琴。它播放播放列表中的所有17首曲子，然后重新開始。但無法產(chǎn)生可識別的曲調(diào)。木槌失去了精度。那么，我會毀掉整個項目嗎？不!我只需要改進一下伺服器和木槌的動力。伺服器可能需要更高的電壓，或更多的安培來獲得精度，必須檢查。伺服系統(tǒng)可能需要減速，就像你在3D打印機上看到的步進電機那樣。也許可以調(diào)整伺服器的工作頻率，使之與擺動木槌的頻率相適應(yīng)。每次罷工后，伺服器可能必須關(guān)閉一段時間，以避免持續(xù)的振蕩。木槌可能需要一個新的設(shè)計，以減少振動。小精靈可能需要更大的鞋子。

本文編譯自hackster.io