В этом эксперименте мы имитируем действие музыкального инструмента терменвокс: изменяем высоту звучания бесконтактным путем, больше или меньше закрывая от света фоторезистор.

Оригинальный инструмент был изобретён ещё в 1920 году, Львом Сергеевичем Терменом, человеком с непростой и насыщенной судьбой. А сейчас мы имеем возможность воспроизвести изобретение с помощью нехитрой электроники.

Прочтите перед выполнением

• Пьезодинамик

Список деталей для эксперимента

• 1 плата Arduino Uno
• 1 беспаечная макетная плата
• 1 пьезопищалка
• 6 проводов «папа-папа»
• 1 резистор номиналом 10 кОм
• 1 фоторезистор

Принципиальная схема

Схема на макетке

Обратите внимание

• В данной схеме мы используем резистор нового номинала, посмотрите таблицу маркировки, чтобы найти резистор на 10 кОм или воспользуйтесь мультиметром
• Полярность фоторезистора, как и обычного резистора, не играет роли. Его можно устанавливать любой стороной
• В данном упражнении мы собираем простой вариант схемы включения пьезодинамика
• Полярность пьезопищалки роли не играет: вы можете подключать любую из ее ножек к земле, любую к порту микроконтроллера
• На Arduino Uno использование функции tone мешает использованию ШИМ на 3-м и 11-м портах. Зато можно подключить ее к одному из них
• Вспомните как устроен делитель напряжения: фоторезистор помещается в позицию R2 — между аналоговым входом и землей. Так мы получаем резистивный фотосенсор.

Скетч

p040_thermenvox.ino

// даём имена для пинов с пьезопищалкой (англ. buzzer) и фото-

// резистором (англ. Light Dependent Resistor или просто LDR)

#define BUZZER_PIN  3

#define LDR_PIN     A0

void setup()

{

  // пин с пьезопищалкой — выход...

  pinMode(BUZZER_PIN, OUTPUT);

  // ...а все остальные пины являются входами изначально,

  // всякий раз при подаче питания или сбросе микроконтроллера.

  // Поэтому, на самом деле, нам совершенно необязательно

  // настраивать LDR_PIN в режим входа: он и так им является

}

void loop()

{

  int val, frequency;

  // считываем уровень освещённости так же, как для

  // потенциометра: в виде значения от 0 до 1023.

  val = analogRead(LDR_PIN);

  // рассчитываем частоту звучания пищалки в герцах (ноту),

  // используя функцию проекции (англ. map). Она отображает

  // значение из одного диапазона на другой, строя пропорцию.

  // В нашем случае [0; 1023] -> [3500; 4500]. Так мы получим

  // частоту от 3,5 до 4,5 кГц.

  frequency = map(val, 0, 1023, 3500, 4500);

  // заставляем пин с пищалкой «вибрировать», т.е. звучать

  // (англ. tone) на заданной частоте 20 миллисекунд. При

  // cледующих проходах loop, tone будет вызван снова и снова,

  // и на деле мы услышим непрерывный звук тональностью, которая

  // зависит от количества света, попадающего на фоторезистор

  tone(BUZZER_PIN, frequency, 20);

}

Пояснения к коду

• Функция map(value, fromLow, fromHigh, toLow, toHigh) возвращает целочисленное значение из интервала [toLow, toHigh], которое является пропорциональным отображением содержимого value из интервала [fromLow, fromHigh]
• Верхние границы map не обязательно должны быть больше нижних и могут быть отрицательными. К примеру, значение из интервала [1, 10] можно отобразить в интервал [10,-5]
• Если при вычислении значения map образуется дробное значение, оно будет отброшено, а не округлено
• Функция mapне будет отбрасывать значения за пределами указанных диапазонов, а также масштабирует их по заданному правилу.
• Если вам нужно ограничить множество допустимых значений, используйте функцию constrain(value, from, to), которая вернет:
  • value, если это значение попадает в диапазон [from, to]
  • from, если value меньше него
  • to, если value больше него
• Функция tone(pin, frequency, duration) заставляет пьезопищалку, подключенную к порту pin, издавать звук высотой frequency герц на протяжении duration миллисекунд
• Параметр duration не является обязательным. Если его не передать, звук включится навсегда. Чтобы его выключить, вам понадобится функция noTone(pin). Ей нужно передать номер порта с пищалкой, которую нужно выключить
• Одновременно можно управлять только одной пищалкой. Если во время звучания вызвать tone для другого порта, ничего не произойдет.
• Вызов tone для уже звучащего порта обновит частоту и длительность звучания

Вопросы для проверки себя

1. Каким сопротивлением должен обладать фоторезистор, чтобы на аналоговый вход было подано напряжение 1 В?
2. Можем ли мы регулировать яркость светодиода, подключенного к 11-му порту, во время звучания пьезопищалки?
3. Что изменится в работе терменвокса, если заменить резистор на 10 кОм резистором на 100 кОм? Попробуйте ответить без эксперимента. Затем отключите питание, замените резистор и проверьте.
4. Каков будет результат вызова map(30,0,90,90,-90)?
5. Как будет работать вызов tone без указания длительности звучания?
6. Можно ли устроить полифоническое звучание с помощью функции tone?

Задания для самостоятельного решения

1. Уберите из программы чтение датчика освещенности и пропищите азбукой Морзе позывной SOS: три точки, три тире, три точки
2. Измените код программы так, чтобы с падением освещенности звук становился ниже (например, падал от 5 кГц до 2,5 кГц)
3. Измените код программы так, чтобы звук терменвокса раздавался не непрерывно, а 10 раз в секунду с различимыми паузами