一、项目简介

 

该产品是一件电子乐器，主控芯片采用的是ESP32，外观模仿了中国古代乐器“埙”的造型，共有六个按键，模拟乐器的六个指孔，可演奏13个音。通过蓝牙MIDI协议，连接手机“自乐班”APP，在手机上发出声音~

 

Bilibili视频演示： https://www.bilibili.com/video/BV1RT411u7S9

 

图1-1 制作好的Totoro实物

 

二、工作原理

 

要制作一款电子吹奏的乐器，首先要有检测吹气气流的装置，通过气流控制控制演奏的音量。然后要有发声单元，输出我们演奏的音符。吹奏乐器通常是手和嘴巴的配合，所以还要有指法检测装置。最后作为一款电子乐器，要突出其电子特征，一定要有灯光效果。所以，整个产品可以分为四个模块，分别如下图所示：

 

图2-1 Totoro乐器四个模块图示

 

气流检测部分采用的核心元器件是麦克风，演奏的时候对着麦克风吹气，会在麦克风两端产生电压，然后用运算放大器将电压信号放大，再通过单片机的ADC采集电压信号，就能够检测演奏时吹气气流的大小了。

 

图2-2 麦克风位置展示

 

指法检测部分采用了六个机械键盘的按键，这六个按键分别连在单片机的六个GPIO上，不同的按键组合表示不同的音符，目前的设计一共可以演奏13个音，具体的指法如下图所示：

 

图2-3 Totoro 乐器指法表

 

声音输出部分采用的是蓝牙MIDI连接手机，配合手机上的“自乐班”APP，在手机上发出声音。Andriod和iOS系统均可使用，在应用市场搜索“自乐班”安装即可。

 

图2-4  自乐班下载指南

 

灯光效果方面，该乐器前面板上嵌入了7颗WS2812灯珠，可实现蓝牙连接状态指示，演奏气流强度指示，甚至音乐氛围等功能。

 

整个系统的结构如下图所示：

 

图2-5 Totoro乐器系统框架图

 

在硬件结构上采用了上下两层的形式，中间使用4个M3铜柱连接起来，铜柱也是4个电极，用于沟通上下两块板。

 

图2-6 Totoro PCB渲染图

 

 

图2-7   焊接好的设备展示

 

图2-8 设备上底板焊接好的PCB实物及铜柱

 

图2-9 设备下底板焊接好的PCB实物

 

板子的尺寸控制在了10*10以内，可以再嘉立创免费打样哦~~~

 

三、关键电路介绍

 

3.1 气流检测电路

 

图3-1  气流检测部分原理图

 

气流检测部分的原理图如图3-1 所示，采用的核心元器件是电容式麦克风和LM358运算放大器，首先用过麦克风将气流信号转换成微弱的电压信号，第一个运算放大器用作电压跟随，改变线路的输出阻抗，经电容耦合后传输到第二个运算放大器的输入端，第二个运算放大器将信号放大10倍后，传输给单片机的ADC。

 

3.2 锂电池充电电路

 

图3-2  锂电池充电电路

 

锂电池充电电路如图3-2所示，采用的充电芯片是TP4055，体积非常小的一颗芯片，充电的时候红色的指示灯亮，充满之后红色的指示灯灭。PROG引脚的接地电阻用来控制充电电流，电阻越小充电电流越大，最小不得低于1.66K，建议使用2K的接地电阻，此时充电电流约100mA。

 

3.3 USB转串口电路

 

图2-3  USB转串口电路

 

修改后的电路图中采用的Type-C接口的USB，串口芯片采用的是CH340N。Type-C接口的CC1和CC2引脚上一定要分别加上5.1K的下拉电阻，不然Type-C 2 Type-C的USB主机不会为其供电。CH340N芯片可以使用5V或者3.3V供电，使用3.3V时电压抖动会影响USB工作的稳定性，所以建议使用5V供电。使用5V供电时记的在V3引脚上加上0.1uF的对地电容。

 

 

四、焊接指导

 

在制作的过程中为了不断调试优化设备，所以预留了一些最终没有用到的焊盘。另外音频输出功能也暂时没有实现，所以这部分是不需要焊接的，需要焊接的部分如下图所示：

 

图4-1 设备上底板上所需焊接的元器件及其参数

 

图4-2 设备下底板上所需焊接的元器件及其参数

 

 

五、软件源码

 

软件采用C语言编写，需使用乐鑫的ESP-IDF编译，开源地址：https://github.com/ospanic/Totoro

 

 

如果你没有相关的编程知识也没关系，附件中提供了编译好的固件，按照下图方式，使用flash_download_tools 烧录到设备中即可：

 

图5-1  固件烧录配置页面

 

 

六、使用方法

 

第一步，在手机上安装“自乐班”APP

 

在应用市场搜索“自乐班”，并下载安装

 

 

 

 

第二步，设置设备模式

 

Andriod 和 iOS版本的软件发音方式不一样，所以需要 根据自己的手机类型，调整设备的模式。

 

将设备的开关拨动到“开”，启动设备，启动瞬间第1357号灯会闪烁一次，然后第7颗灯闪烁蓝光，说明设备正常启动。

 

设备默认为iOS模式，如果你的手机是iOS系统，则不需要调节，直接跳转到第三步。

 

如果你的手机是Andriod版本，需按照下列步骤调节：

 

 

设备启动后，按住“Flash键“ 不放，然后按一下“手机模式切换键”，设备将切换模式，如果第3颗灯亮蓝色，表示切换为Android模式，如果第3颗灯亮绿色，表示切换成iOS模式。

 

设备模式设置具有保存功能，设置好以后下次无需重复设置。上电时第1357号灯亮绿色表示当前是iOS模式，亮蓝色便是当前是Andriod模式。

 

第三步，手机连接设备

 

设备上电后，第7颗灯闪络蓝色，说明进入等待连接状态。

 

此时打开手机上的 “自乐班” APP，点击“演奏”，然后点击右上角的连接标志。

 

注意：1. 连接设备是在“自乐班”APP里面完成的，不是在手机设置设置里面完成的。

           2. 要将蓝牙及定位的权限开放给“自乐班”APP后，才能正确搜索设备。

 

 

 

再打开的页面中，可看到当前可连接的设备，点击链接即可。

 

 

注意：iOS手机需要在上述页面先点击“蓝牙MIDI设备”，才能看到可连接设备列表。

 

第四步，选择音色并演奏

 

调大手机音量，在演奏页面选择“本地”，创建一个曲目，点击进入，然后根据提示添加音色，选择音色进行演奏即可：

 

 

目前设备中提供了多种音色可供选择，读者可自行探索。

 

升降调操作

 

设备默认为C调，可通过如下不走实现升降调操作：

 

 

设备正常启动后，按住Flash键，轻触升调按键，设备将上升半音，同时第6颗LED亮红色。

 

按住Flash键，轻触降调按键，设备将下降半音，同时第1颗LED亮红色。

 

上述设置均可断电保存！

 

七、参考资料

 

【1】【低功耗蓝牙】④ 蓝牙MIDI协议_我是鹏老师的博客-CSDN博客_midi协议

【2】最全midi常用表 - 豆丁网 (docin.com)

【3】MIDI over BLE - v2.13 - Bluetooth API Documentation Silicon Labs (silabs.com)