Leichte Showjacke, die auf Musik reagiert – Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:21

Dieses Tutorial wurde als Teil meines Abschlussprojekts für meinen Abschluss in Musiktechnologie und Angewandter Elektronik an der University of York erstellt. Es richtet sich an Musiker mit Interesse an Elektronik. Das fertige Produkt wird eine LED-Matrix auf der Rückseite einer Jacke sein, die zu Musik eine Lichtshow erzeugen kann. Dies geschieht durch die Analyse von Audioeingängen mit Pure Data und Arduino. Die Jacke hat zwei Einstellungen, die über einen Schalter gesteuert werden können. Eine Einstellung steuert die LEDs entsprechend der Amplitude der Musik und die andere lässt die LEDs einzeln blinken und die Farbe entsprechend der Tonhöhe ändern.

Wie es funktionieren wird

Dieses Gerät besteht aus zwei getrennten Stromkreisen. Einer basiert auf einem Arduino Mega, der direkt an einen Computer angeschlossen ist. Die andere Schaltung basiert auf einem LilyPad Arduino und ist vollständig in der Jacke enthalten und wird über eine 9-V-Batterie betrieben. Beide Schaltkreise werden über XBee-Module drahtlos miteinander kommunizieren. Audiosignale werden vom eingebauten Mikrofon des Computers empfangen und in Pure Data analysiert, um Amplituden- und Frequenzdaten zu erhalten. Diese Informationen werden über eine MIDI-Eingangsschaltung an den Arduino Mega übertragen und diese werden dann mit den XBees an das LilyPad übertragen. Das LilyPad bestimmt dann, wie die LEDs an der Jacke reagieren.

Was wirst du brauchen

Für den Mega-Circuit

• Arduino Mega 2560
• XBee Explorer reguliert
• XBee 1mW Spurantenne - Serie 1
• Prototyping-Schild für den Mega
• USB-Typ A auf B
• USB-zu-MIDI-Kabel
• MIDI-Buchse
• 1 x 220Ω Widerstand
• 1 x 270Ω Widerstand
• 1 x 1N4148 Diode
• 1 x 6N138 Optokoppler

Für die LilyPad-Schaltung

• LilyPad Arduino 328 Hauptplatine
• LilyPad XBee Breakout-Board
• XBee 1mW Spurantenne - Serie 1
• LilyPad FTDI Basic Breakout-Board
• 72 x LilyPad-LEDs (eine Reihe von allen verfügbaren Farben, einschließlich Weiß, Blau, Rot, Gelb, Grün, Pink und Lila)
• LilyPad-Schiebeschalter
• USB 2.0 A-Stecker auf Mini-B-Kabel
• 9V Batterie
• 9V Batterieklemme

Sonstiges

• Jacke
• Computer mit Pure Data und installierter Arduino IDE
• Gerätedraht
• Lötgeräte
• Kabelschneider
• Abisolierzangen
• Nadel mit großem Öhr
• Gewinde
• Leitfähiges Garn
• Schere
• Maßband
• Textilkleber oder klarer Nagellack
• Kreide oder weißer Eyeliner
• Stoff für ein Futter oder ein altes T-Shirt
• Klettverschluss
• Bohren (eventuell)
• Standard-LED (zum Testen)
• Steckbrett (zum Testen)
• Ein weiterer 220Ω Widerstand (zum Testen)
• Multimeter (zum Testen)

Die Kosten für dieses Projekt hängen stark davon ab, wie viel der oben genannten Geräte Sie bereits besitzen. Es wird jedoch wahrscheinlich zwischen 150 und 200 Pfund liegen.

Eine kurze Anmerkung - die LilyPad-Platinen sind so konzipiert, dass sie direkt auf Textilien genäht werden können und daher kann das Anlöten eines 9-V-Batterieclips an einen zu Problemen führen. Die Verbindung kann empfindlich sein und leicht unterbrochen werden. Sie können speziell entwickelte LilyPad-Boards für AAA- oder LiPo-Batterien erhalten, die Sie vielleicht lieber verwenden möchten. Ich habe mich jedoch immer noch für die 9-V-Route entschieden, da ihre Batterielebensdauer länger ist als die von AAAs und meine Universität Einschränkungen bei der Verwendung von LiPo-Batterien hat.

Schritt 1: Erstellen der MIDI-Eingangsschaltung

Betrachten wir zunächst die MIDI-Eingangsschaltung. Dies muss auf dem Prototyping-Board konstruiert werden, das in den Arduino Mega gesteckt wird. Dies wird verwendet, um MIDI-Meldungen vom Pure Data-Patch an den Mega über seinen „COMMUNICATION RX0“-Pin zu senden. Siehe oben für einen Schaltplan und ein Foto. Abhängig von Ihrem Prototyping-Board kann Ihr Layout etwas anders sein, aber ich habe mich dafür entschieden, die MIDI-Buchse in der unteren linken Ecke zu platzieren. Eventuell muss hier ein Bohrer verwendet werden, um die Löcher am Schild zu vergrößern, damit sie in die Steckdose passen. Die roten Drähte auf dem Foto sind mit 5V verbunden, die braunen sind mit Masse verbunden, die schwarze Ader ist mit Pin 3 des 6N138 verbunden, die blaue Ader ist mit Pin 2 des 6N138 verbunden und die gelben Drähte sind mit dem RX0 verbunden Stift. Auf der rechten Seite des Prototyping-Boards bleibt Platz, um später Platz für den XBee zu schaffen. Es müssen wahrscheinlich Unterbrechungen in den Spuren auf dem Brett gemacht werden. Für dieses Beispiel mussten sie zwischen den Pins des 6N138 hergestellt werden.

Testen der MIDI-Eingangsschaltung

Um die Schaltung zu testen, laden Sie den folgenden Code mit dem USB-Typ-A-zu-B-Kabel auf das Arduino Mega hoch. Stellen Sie sicher, dass die Abschirmung nicht eingefügt ist, da der Code nicht hochgeladen werden kann, wenn etwas an die RX- oder TX-Pins angeschlossen ist. Außerdem enthält der Code die MIDI.h-Bibliothek, die Sie möglicherweise herunterladen müssen, die unter dem folgenden Link verfügbar ist.

MIDI.h

Als nächstes stecken Sie das Schild in den Mega und verbinden es über das MIDI-zu-USB-Kabel mit einem anderen USB-Anschluss Ihres Computers. Das MIDI-Ende, das Sie verwenden müssen, ist mit „out“gekennzeichnet. Erstellen Sie eine einfache Schaltung auf einem Steckbrett, indem Sie Pin 2 mit einem 220--Widerstand verbinden und diesen dann mit der Anode einer Standard-LED verbinden. Verbinden Sie die Kathode der LEDs mit Masse.

Erstellen Sie dann einen einfachen Pure Data-Patch mit einer [60 100]-Nachricht und einer [0 0]-Nachricht, die beide über seinen linken Eingang mit einem Noteout-Objekt verbunden sind. Stellen Sie sicher, dass dieses Patch mit dem MIDI-Eingangskreis verbunden ist, indem Sie die MIDI-Einstellungen öffnen und das Ausgabegerät ändern. Wenn dies nicht verfügbar ist, stellen Sie sicher, dass Sie die MIDI-Schaltung an Ihren Computer angeschlossen haben, bevor Sie Pure Data öffnen. Wenn Ihre Schaltung nun korrekt ist, sollte die LED aufleuchten, wenn die Meldung [60 100] gedrückt wird, und sie sollte erlöschen, wenn die Meldung [0 0] gedrückt wird.

Schritt 2: Entwerfen der LED-Matrix

Als nächstes muss die LED-Matrix für die Rückseite der Jacke berücksichtigt werden. Dieser wird direkt mit der Hauptplatine von LilyPad verbunden. Um LEDs mit einem Mikrocontroller zu steuern, werden sie normalerweise jeweils ihren eigenen individuellen Pins zugewiesen. Mit nur einem Arduino LilyPad wäre dies jedoch sehr einschränkend. Insgesamt hat das LilyPad 12 digitale Pins und 6 analoge, also potentiell 18 Ausgangspins. Da einer dieser Pins jedoch später zur Steuerung eines Schiebeschalters verwendet wird, bleiben nur 17 übrig.

In dieser Situation kann eine Technik namens Multiplexing verwendet werden, um das Potenzial der Steuerpins des LilyPad zu maximieren. Dies macht sich zwei Tatsachen zunutze:

• LEDs sind Dioden und lassen Strom nur in eine Richtung fließen.
• Menschliche Augen und Gehirne verarbeiten Bilder viel langsamer, als Licht sich ausbreiten kann. Wenn LEDs also schnell genug blinken, werden wir es nicht bemerken. Dies ist ein Konzept, das als „Persistenz des Sehens“bekannt ist.

Bei Verwendung dieser Technik beträgt die Anzahl der steuerbaren LEDs (n/2) x (n – (n/2)), wobei n die Anzahl der verfügbaren Steuerpins ist. Mit 17 verfügbaren Pins sollte es also möglich sein, 72 LEDs in einer 9x8-Matrix anzusteuern.

Ein Diagramm für das Layout von LEDs in einer 9x8-Matrix ist oben zu sehen, einschließlich Vorschlägen für die Pins, mit denen jede Zeile und Spalte verbunden werden sollte. Es ist wichtig zu beachten, dass sich die Zeilen und Spalten nicht berühren dürfen. Außerdem werden keine Widerstände benötigt, da jede LED einen eigenen eingebauten Widerstand von 100Ω hat.

Bevor Sie mit dem Nähen beginnen, sollten Sie die Anordnung der Schaltung auf der Jacke planen. Ein guter Anfang ist hier, indem Sie auf der Jacke mit kleinen Punkten markieren, wo die LEDs hingehen, mit einem Maßband, um sicherzustellen, dass sie gleichmäßig verteilt sind. Bei einer schwarzen Lederjacke funktioniert weißer Eyeliner sehr gut und kann bei einem Fehler leicht abgewischt werden. Je nach Material und Farbe Ihrer Jacke können jedoch auch andere Medien wie Kreide funktionieren. Die Anordnung der von mir verwendeten LED-Farben ist oben zu sehen, die mit dem später bereitgestellten Code funktioniert. Sie können gerne ein anderes Layout verwenden, obwohl dies im Code geändert werden muss.

Als nächstes müssen Sie überlegen, wohin das LilyPad, LilyPad XBee und das Netzteil gehen werden. Bei der von mir verwendeten Jacke schien die sinnvollste und diskreteste Stelle auf der Rückseite der Jacke, am Boden und am Innenfutter zu sein. Dies liegt daran, dass es hier unwahrscheinlich ist, von den Armen des Trägers gestoßen zu werden, und es leicht auf die LED-Matrix zugreifen kann. Da die Jacke, die ich verwendet habe, unten locker war, war sie immer noch bequem.

Schritt 3: Nähen der LED-Matrix

An dieser Stelle können Sie mit dem Nähen beginnen. Leitfähige Fäden können schwierig zu handhaben sein, daher hier ein paar nützliche Tipps:

• Das Aufkleben einer Komponente mit Textilkleber erleichtert das Nähen erheblich.
• Verschiedene Arten von Stichen haben unterschiedliche ästhetische und funktionelle Eigenschaften, daher lohnt es sich, diese zu untersuchen, bevor Sie beginnen. Ein einfacher Laufstich sollte jedoch für dieses Projekt in Ordnung sein.
• Die Knoten lösen sich bei leitfähigem Garn recht leicht, da es „federnder“als normal ist. Eine Lösung hierfür ist die Verwendung einer kleinen Menge klaren Nagellacks oder Textilklebers, um sie zu versiegeln. Lassen Sie ihnen Zeit zum Trocknen, bevor Sie ihre Schwänze abschneiden.
• Beim Herstellen von Verbindungen zu Schaltungskomponenten oder beim Zusammenfügen zweier leitfähiger Fäden empfiehlt es sich, diese mehrfach zu übernähen, um eine gute mechanische und elektrische Verbindung zu gewährleisten.
• Stellen Sie sicher, dass Ihre Nadel scharf ist und ein großes Öhr hat. Das Durchdringen der Jacke kann schwierig sein und der leitfähige Faden ist dicker als normal.
• Achten Sie auf lose Haare am Faden. Diese können zu Kurzschlüssen im Stromkreis führen, wenn sie andere Nählinien berühren. Sollten diese zu einem großen Problem werden, können alle Leitungen nach erfolgter Prüfung mit klarem Nagellack oder Gewebekleber versiegelt werden und alles funktioniert definitiv.

Ein guter Ausgangspunkt zum Nähen sind die Reihen. Um sie so gerade wie möglich zu machen, können Sie mit einem Lineal schwache Linien zeichnen, um sie entlang zu nähen. Sobald Sie diese genäht haben, gehen Sie zu den Säulen. Jedes Mal, wenn eine Reihe erreicht wird, ist große Vorsicht geboten, da es wichtig ist, dass sich die beiden nicht kreuzen. Dies kann erreicht werden, indem der Stich für die Säule auf der Innenseite des Mantels für diese Verbindung erstellt wird, wie auf dem obigen Foto zu sehen. Wenn Sie alle Zeilen und Spalten ausgefüllt haben, können Sie mit einem Multimeter überprüfen, ob keine Kurzschlüsse vorliegen.

Sobald Sie zufrieden sind, beginnen Sie mit dem Nähen der LEDs für die Säule ganz rechts auf der Jacke. Stellen Sie sicher, dass jede Anode an einer eigenen Reihe und jede Kathode an der Spalte links angebracht ist. Setzen Sie dann das LilyPad Arduino mit Textilkleber ungefähr unter dieser Säule ein und stellen Sie sicher, dass die Stifte für das FTDI-Breakout-Board nach unten zeigen. Nähen Sie Pin 11 des LilyPads an Reihe 1, Pin 12 an Reihe 2 und so weiter, bis Pin A5 an Reihe 9 genäht ist. Dann nähen Sie Pin 10 an die ganz rechte Spalte. Um diese erste Spalte zu testen, können Sie den folgenden Code verwenden. Laden Sie den Code hoch und versorgen Sie das LilyPad mit Strom, indem Sie es über das FTDI-Breakout-Board und das USB 2.0 A-Stecker auf Mini-B-Kabel an Ihren Computer anschließen.

Wenn beim Anschließen des LilyPad nicht der richtige Port verfügbar ist, müssen Sie möglicherweise einen FTDI-Treiber installieren, der über den untenstehenden Link verfügbar ist.

FTDI-Treiberinstallation

Sobald diese erste LED-Säule aufleuchtet, ist es an der Zeit, den Rest auf die Jacke zu nähen. Dies ist ein ziemlich zeitaufwändiger Prozess und sollte daher wahrscheinlich am besten über einige Tage verteilt werden. Stellen Sie sicher, dass Sie jede Spalte testen, während Sie fortfahren. Sie können dies tun, indem Sie den obigen Code so anpassen, dass der Pin für die zu testende Spalte im Setup als Ausgang deklariert wird und dann in der Schleife auf LOW gesetzt wird. Stellen Sie sicher, dass die anderen Spaltenpins auf HIGH gesetzt sind, da dies sichergestellt ist, dass sie ausgeschaltet sind.

Schritt 4: Hinzufügen eines Schalters

Als nächstes können Sie einen Schalter hinzufügen, mit dem die Einstellungen an der Jacke geändert werden. Es muss auf die Innenseite der Jacke unter dem LilyPad Arduino Board genäht werden. Unter Verwendung eines leitfähigen Fadens sollte das mit „off“gekennzeichnete Ende mit Masse und das mit „on“gekennzeichnete Ende mit Pin 2 verbunden werden.

Sie können den Schalter mit dem folgenden Code testen. Das ist ganz einfach und schaltet bei geöffnetem Schalter die rechte untere LED ein und bei geschlossenem Schalter aus.

Schritt 5: Das Gerät drahtlos machen

LilyPad XBee und XBee Explorer vorbereiten

Bereiten Sie das LilyPad XBee für die Konfiguration vor, indem Sie einen 6-poligen rechtwinkligen Stecker anlöten. Dadurch kann es später über das LilyPad FTDI Basic Breakout Board und das USB Mini Kabel an einen Computer angeschlossen werden. Löten Sie auch den 9V-Batterieclip an das LilyPad XBee, wobei das rote Kabel zum "+" -Pin und das schwarze Kabel zum "-" -Pin führt.

Verbinden Sie das Explorer-Board mit dem Prototyping-Shield für den Arduino Mega. 5V und Masse auf der Explorer-Platine müssen an 5V und Masse am Mega angeschlossen werden, der Ausgangspin am Explorer muss an RX1 am Mega angeschlossen werden und der Eingang am Explorer muss an TX1 am Mega angeschlossen werden.

Konfigurieren der XBees

Als nächstes müssen die XBees konfiguriert werden. Zunächst müssen Sie die CoolTerm-Software kostenlos installieren, die über den folgenden Link verfügbar ist.

CoolTerm-Software

Achten Sie darauf, zwischen den beiden XBees in irgendeiner Weise zu unterscheiden, da es wichtig ist, dass Sie sie nicht verwechseln.

Konfigurieren Sie zunächst den XBee für den Computer. Setzen Sie es in das LilyPad XBee Breakout-Board ein und verbinden Sie dieses mit dem FTDI-Basis-Breakout-Board und dem USB-Mini-Kabel mit dem Computer. Öffnen Sie CoolTerm und wählen Sie in den Optionen die richtige serielle Schnittstelle aus. Wenn Sie es nicht sehen können, drücken Sie 'Serielle Ports erneut scannen'. Stellen Sie dann sicher, dass die Baudrate auf 9600 eingestellt ist, schalten Sie Local Echo ein und setzen Sie die Key Emulation auf CR. CoolTerm kann nun mit dem XBee verbunden werden.

Geben Sie „+++“in das Hauptfenster ein, um den XBee in den Befehlsmodus zu versetzen. Drücken Sie nicht die Eingabetaste. Dadurch kann es mit AT-Befehlen konfiguriert werden. War dies erfolgreich, sollte nach einer sehr kurzen Pause eine „OK“-Meldung erfolgen. Bei einer Verzögerung von mehr als 30 Sekunden vor der nächsten Zeile wird der Befehlsmodus beendet und muss wiederholt werden. Um die PAN ID, MY ID, Destination ID einzustellen und die Änderungen zu speichern, müssen zahlreiche AT-Befehle eingegeben werden. Return muss nach jedem dieser Befehle gedrückt werden und diese können in der obigen Tabelle gesehen werden. Nachdem dies für den Computer XBee abgeschlossen ist, muss dieser getrennt werden und der gleiche Vorgang muss für den Jacket XBee durchgeführt werden.

Sie können die neuen XBee-Einstellungen überprüfen, indem Sie jeden AT-Befehl ohne den Wert am Ende eingeben. Wenn Sie beispielsweise „ATID“eingeben und die Eingabetaste drücken, sollte „1234“zurückgegeben werden.

Testen der XBees

Nähen Sie nun das LilyPad XBee neben dem LilyPad Arduino auf die Jacke. Folgende Verbindungen müssen mit leitfähigem Faden hergestellt werden:

• 3.3V am LilyPad XBee an '+' am LilyPad
• Masse auf dem LilyPad XBee auf Masse auf dem LilyPad
• RX auf dem LilyPad XBee zu TX auf dem LilyPad
• TX auf dem LilyPad XBee zu RX auf dem LilyPad

Jetzt kann das Gerät getestet werden, um sicherzustellen, dass die XBees korrekt funktionierten. Der unten stehende Code namens 'Wireless_Test_Mega' muss auf den Arduino Mega hochgeladen werden und sein Hauptzweck besteht darin, MIDI-Nachrichten von dem zuvor erstellten einfachen Pure Data-Patch zu empfangen und verschiedene Werte über den XBee zu übertragen. Wenn eine MIDI-Note mit einer Tonhöhe von 60 empfangen wird, wird die Nachricht „a“gesendet. Alternativ wird beim Empfang einer Noteoff-Nachricht „b“gesendet.

Außerdem muss der unten stehende Code namens 'Wireless_Test_LilyPad' auf das LilyPad hochgeladen werden. Dieser empfängt die Nachrichten vom Mega über die XBees und steuert die untere rechte LED entsprechend an. Wenn die Nachricht „a“empfangen wird, was bedeutet, dass der Mega eine MIDI-Note mit einer Tonhöhe von 60 empfangen hat, schaltet sich die LED ein. Wird dagegen „a“nicht empfangen, erlischt die LED.

Nachdem der Code auf beide Boards hochgeladen wurde, stellen Sie sicher, dass der Schirm wieder in den Mega eingesteckt und über beide Kabel mit dem Computer verbunden ist. Setzen Sie den Computer XBee in das Explorer-Board ein. Stellen Sie dann sicher, dass das FTDI Breakout Board von der Jacke getrennt ist und setzen Sie die Jacke XBee in das LilyPad XBee ein. Schließen Sie die 9-V-Batterie an und versuchen Sie, die verschiedenen Meldungen in Pure Data zu drücken. Die untere rechte LED an der Jacke sollte sich ein- und ausschalten.

Schritt 6: Letzter Schliff

Der Code- und Pure-Data-Patch

Wenn Sie zufrieden sind, dass die Jacke drahtlos funktioniert, laden Sie die untenstehende 'MegaCode'-Skizze auf das Arduino Mega und die 'LilyPadCode'-Skizze auf das LilyPad hoch. Öffnen Sie das Pure Data-Patch und stellen Sie sicher, dass DSP eingeschaltet ist und der Audioeingang auf das eingebaute Mikrofon Ihres Computers eingestellt ist. Versuchen Sie, Musik abzuspielen und den Schalter zu bewegen. Möglicherweise müssen Sie die Schwellenwerte in Pure Data leicht anpassen, je nachdem, wie stark oder wenig die LEDs auf das Audio reagieren.

Hinzufügen eines neuen Futters

Um die Jacke ästhetisch ansprechender und angenehmer zu machen, kann schließlich noch ein weiteres Futter auf der Innenseite der Jacke hinzugefügt werden, um die Nähte und die Komponenten abzudecken. Dies sollte mit Klettverschluss erfolgen, um einen einfachen Zugang zur Schaltung zu ermöglichen, falls Änderungen vorgenommen werden müssen.

Nähen Sie zunächst die „Loop“-Streifen (der weichere Teil) an der Innenseite der Jacke, oben und unten auf beiden Seiten. Es ist eine gute Idee, den Boden frei zu lassen, damit Luft an die Komponenten gelangen kann. Schneiden Sie dann ein Stück Stoff der gleichen Größe zu und nähen Sie die Hakenstreifen des Klettverschlusses oben und unten an beiden Seiten an. Nähen Sie außerdem auf der Seite des Klettverschlusses und an der günstigsten Stelle eine Tasche an, in der der Akku Platz findet. Beispiele finden Sie in den Abbildungen oben.

Schritt 7: Fertig

Ihre kabellose Light Show Jacket sollte nun vollständig sein und erfolgreich auf Audio reagieren! Eine Einstellung sollte einen Effekt wie ein Amplitudenbalken erzeugen und die andere sollten einzelne LEDs mit ihren Farben je nach Tonhöhe zur Musik blinken lassen. Siehe oben für Videobeispiele. Falls Sie sich fragen, sind Farbe und Tonhöhe über den Rosenkreuzerorden verbunden, der auf reiner Intonation basiert. Ich hoffe, Ihnen hat dieses Projekt gefallen!