可编程音乐盒的构建

描述

动机

我一直很喜欢玩八音盒，实际上在家里也有收藏。能够按下一个按钮，或者转动几圈曲柄，然后突然在你的手中播放音乐，这真是太新奇了！这个可编程音乐盒是仿照一个更“传统”的音乐盒（以这个为例）。当您购买传统的可编程音乐盒时，您会得到一个基于曲柄的音乐盒、特殊纸张和用于在该纸张上打孔的特殊打孔器。你在纸上打孔的地方“抓住”每根弦，因为它穿过音乐盒，这就是你发出声音的方式。

但是，问题在于这些可能有点贵。而且，除此之外，你还需要特殊的纸，一旦你用完了那张纸，你就得买更多。我想做一些你可以在家里用便宜的零件建造的东西，而且你不需要特殊的纸！

概述

如上所述，这个音乐盒的运作机制与上面的音乐盒类似；您可以通过在纸上打孔然后将其送入盒子来选择播放的音符。但是，有几个主要区别：

1.这里不是使用手动曲柄送纸，而是通过连续旋转伺服来完成，可以通过按下按钮来打开和关闭！这种变化主要是因为我真的想在这个项目中使用伺服。

2.每个孔的检测方式如下。首先，将 2 根电线焊接到铜板的每一端，以便将其接地。然后，将7根线放在铜板的顶部；这些线连接到 PocketBeagle 上它们自己的模拟输入引脚（每个音符一个：A、B、C、D、E、F、G）。打孔纸穿过铜板的顶部，以及这些电线的下方；当铜板和这些导线之间有纸时，模拟输入引脚读取的值会随机上下浮动。当有孔时，电线将暂时与接地铜板接触，因此模拟输入引脚将读取 0（或接近该值的某个位置）。

因此，您所要做的就是将纸放在铜板上，按下按钮开始，然后观看音乐开始播放！

初步图表和规划

在开始把这个项目放在一起之前，我首先列出了我希望音乐盒具有哪些功能：

1.多个扬声器一次播放多个声音

2.一个开/关按钮

3.伺服驱动纸张

4. LCD 显示八音盒状态

这些都在下面的框图中进行了可视化：

请注意，只有 6 根线连接到模拟输入引脚，而之前提到了 7 个引脚（AG 之间的每个音符一个）。不幸的是，由于 PocketBeagle 只有 6 个 AIN 1.8V 引脚，因此必须省略其中一个注释。

所有这些组件的实际接线可以在下面的 Fritzing 示意图中看到：

构建说明：硬件组件

扬声器

音乐盒包括 3 个扬声器，这意味着音乐盒最多可以同时播放 3 个音符。如下图所示：

每个扬声器的一端接地，而另一端连接到 PWM 输出。特别是，我使用了 PocketBeagle 上的 PWM0-A、PWM1-A 和 PWM2-B 引脚。这很好，除了一个小问题：由于某种原因，我的 PocketBeagle 上的 PWM0-A 引脚无法以 400 Hz 以外的频率输出信号。上网查了一下，这似乎是一个非常罕见的问题，没有明确的解决方案。鉴于此，我决定离开第三位演讲者，希望尝试这个项目的任何其他人都不太可能遇到同样的问题。

另请注意，我们只有 3 个扬声器，这意味着一次只能播放 3 个音符。如果八音盒读取的音符超过 3 个（即连续打孔过多），代码设置为随机选择 3。

4位7段显示器

4 位 7 段显示器的目的是让用户可以知道设备是打开还是关闭。音乐盒关闭时显示屏将显示“off”，如果音乐盒打开则显示“go”（选择“go”而不是“on”，因为 7 段显示屏无法显示“n”）。在我的设置中，该显示器连接到 PocketBeagle 上的 I2C1 引脚，并为 SDA 和 SCL 线路配备了适当的上拉电阻，并根据需要连接了电源和接地：

按钮

如上所述，使用了一个按钮来允许用户打开和关闭音乐盒：

按钮的一个端子连接到上拉电阻以及 PocketBeagle 上的 GPIO 59，在下面的代码中已将其配置为 GPIO_IN 引脚。另一端接地。因此，未按下按钮时，GPIO 引脚将读取“1”，按下按钮时将读取“0”。因此，代码可以简单地检测“0”以查看按钮是否被按下。

连续旋转伺服

如上所述，连续旋转伺服用作移动纸张通过页面的“曲柄”。这是典型的接线方式，伺服系统的“信号”引脚连接到 PocketBeagle 上的 PWM0-B 引脚。旋转速率固定为 400Hz，占空比为 25。

除了硬件组件之外，伺服系统还用橡皮筋包裹着，以确保它可以在旋转时真正“抓住”并移动纸张。这显示在下面：

标头引脚

整个设置中最重要的部分是检测音符的实际电线！这些线中的每一条都连接到不同的模拟输入引脚；特别是，使用的引脚为 P1_19、P1_21、P1_23、P1_25、P1_27、P2_36。这些电线连接到插头引脚，以便它们可以轻松固定到位。如下图所示：

（请注意，图片中有 7 根电线，而实际上只有 6 根连接到 PocketBeagle —— 第 7 根额外的电线主要是为了保持间距而留下的）。

如前所述，由于这些电线大部分时间都没有连接到任何东西，所以只是浮动。但是，当它们与接地铜板接触时，它们所连接的 Analog-in 将显示为 0！

铜版

最后的组件只是一个接地的铜板。使用的铜板与您可能会发现用于 PCB 轧机的铜板相同。我将一根电线焊接到铜板的每一侧，然后将每根电线插入 PocketBeagle 上的接地：

八音盒的物理组装

连接所有电气元件后，就可以将所有东西组装到实际的音乐盒中了！

首先，取铜板，用强力胶粘两块硬纸板，形成音乐盒的侧面，足够近，以便插头销可以牢固地楔入：

然后，将连续旋转伺服系统强力胶粘到音乐盒的一侧，高度准确，使伺服“臂”几乎不接触铜板：

就是这样，我们完成了！

代码设置

1. 使用来自 BeagleBoard.org 的最新 PocketBeagle 映像

2. 从这个 repo下载这个 project_01 文件夹，解压，然后移动到你自己的 PocketBeagle 上的 Cloud9 IDE

3. 确保您在本地安装了 Python 以及 Python AdaFruit_BBIO 包。如果没有，执行的步骤是：

sudo apt-get install build-essential python-dev python-setuptools python-pip python-smbus-y
sudo apt-get install python-pip
sudo apt-get install python3-pip
sudo pip install Adafruit_BBIO

4.导航到project_01文件夹，并更改运行脚本的权限

chmod 755 run

5. 使用 Chron 以便程序在以下步骤中自动启动时运行

• 导航到您的本地 cloud9 文件夹
• 键入“mkdir 日志”
• 输入“sudo crontab -e”
• 添加到文件末尾：

@reboot sleep 30 && sh 'run' script> > /var/lib/cloud9/logs/cronlog2>&1

6.重启PocketBeagle，等待30秒后代码会自动运行！

操作说明

1.打孔纸获得想要的歌曲

2. 将纸张送入八音盒，足够远，使其部分位于连续旋转伺服下方

3.打开PocketBeagle，等待30秒让程序自动启动

4.按下按钮开机，享受音乐！

。

。

 

• 有时，大头针在孔上停留的时间过长，这会记录为多个音符
• 当多个音符注册在一起太快时，这会在积压中为扬声器创建一个缓冲区，这会在音乐盒和正在播放的实际声音之间产生延迟

这些将是该项目需要的两个主要修复。我想为这个项目做的其他改变，继续前进，是：

• 为设备创建更坚固的外壳（使用激光切割机或 3D 打印机）
• 减少音乐盒检测到孔的时间和扬声器播放时间之间的延迟
• 找到一种合并更多音符的方法（即包括带有临时记号的音符）
• 添加音量控制
• 添加一种控制连续旋转伺服速度的方法

致谢

最后，特别感谢 Erik Welsh 教授 ( https://www.hackster.io/welsh ) 为使这个项目成为可能提供的所有帮助！