Урок 20. Пианино из света: играем на фоторезисторах

В наборе пять фоторезисторов — и это не случайность. Сегодня они станут пятью клавишами, к которым не нужно прикасаться: достаточно поднести палец и заслонить свет. Такое пианино есть в брошюре набора, и оно того стоит — эффект почти волшебный.

Урок собирает вместе всё, что мы умеем: делитель напряжения из пятнадцатого урока, массивы из шестого, свои пороги и команду tone из прошлого урока.

Как клавиша без клавиши

Каждая клавиша — это уже знакомая пара: фоторезистор и обычный резистор, соединённые последовательно. Плата смотрит на точку между ними. Светло — число большое; заслонили фоторезистор пальцем — сопротивление выросло, и число упало.

Собираем схему

Схема большая, но однообразная: пять одинаковых цепочек плюс зуммер. Собирайте по одной клавише и проверяйте каждую — так вы точно не запутаетесь.

Шаг 1. Сначала цифры, потом музыка

Не спешите играть. Сперва посмотрим, что вообще видит плата на пяти входах: без этих чисел подобрать порог невозможно.

const int KEYS[5] = {A1, A2, A3, A4, A5};

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // Печатаем пять чисел в строку — по одному на каждую клавишу.
  for (int i = 0; i < 5; i++) {
    Serial.print(analogRead(KEYS[i]));
    Serial.print("   ");
  }
  Serial.println();

  delay(300);
}

Откройте монитор порта. Должно быть пять чисел в строке. Поводите ладонью над клавишами по очереди и запишите два значения: сколько показывает освещённая клавиша и сколько — закрытая пальцем. Числа будут разные для каждой клавиши, и это нормально.

Шаг 2. Порог: где кончается «светло»

Клавиша нажата или нет — решает одно число, порог. Всё, что ниже, считаем нажатием.

const int BUZZER = 12;
const int KEY = A1;
const int LEVEL = 400;  // ниже этого числа считаем, что клавишу закрыли

void setup() {
  pinMode(BUZZER, OUTPUT);
}

void loop() {
  if (analogRead(KEY) < LEVEL) {
    tone(BUZZER, 262);  // нота «до»
  } else {
    noTone(BUZZER);
  }
}

Одна клавиша, одна нота. Поставьте в LEVEL своё число (то самое, что записали на прошлом шаге) и проверьте: подносите палец — звучит «до», убираете — тишина. Если нота не замолкает или, наоборот, не появляется, порог подобран неверно.

Шаг 3. Все пять клавиш

Копировать if пять раз мы не будем — вместо этого возьмём два массива, как в уроке про бегущий огонёк: в одном входы, в другом ноты.

const int BUZZER = 12;

// Клавиши и закреплённые за ними ноты: до, ре, ми, фа, соль.
const int KEYS[5] = {A1, A2, A3, A4, A5};
const int NOTES[5] = {262, 294, 330, 349, 392};

const int LEVEL = 400;

void setup() {
  pinMode(BUZZER, OUTPUT);
}

void loop() {
  int playing = -1;  // номер нажатой клавиши; -1 — ни одной

  for (int i = 0; i < 5; i++) {
    if (analogRead(KEYS[i]) < LEVEL) {
      playing = i;
    }
  }

  if (playing >= 0) {
    tone(BUZZER, NOTES[playing]);
  } else {
    noTone(BUZZER);
  }
}

Переменная playing хранит номер нажатой клавиши, а -1 означает «ни одной». Это частый приём: одним числом мы описываем и «что выбрано», и «ничего не выбрано».

Обратите внимание, что цикл не прерывается на первой найденной клавише. Если закрыть сразу две, победит та, что правее: её номер запишется в playing последним. Зуммер всё равно умеет только одну ноту за раз, так что выбрать кого-то придётся.

Шаг 4. Пусть пианино настроит себя само

Одно и то же число-порог для всех пяти клавиш работает плохо: у одной фоторезистор смотрит в окно, у другой — в тень от платы. Да и вечером в комнате всё меняется. Поэтому попросим программу измерить освещённость при включении и подобрать порог каждой клавише отдельно.

const int BUZZER = 12;

const int KEYS[5] = {A1, A2, A3, A4, A5};
const int NOTES[5] = {262, 294, 330, 349, 392};

int level[5];  // свой порог для каждой клавиши

void setup() {
  pinMode(BUZZER, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);

  // Замеряем, сколько света на каждой клавише сейчас,
  // и берём 70 % от этого числа как порог.
  for (int i = 0; i < 5; i++) {
    int light = analogRead(KEYS[i]);
    level[i] = light * 7 / 10;

    Serial.print("клавиша ");
    Serial.print(i + 1);
    Serial.print(": светло ");
    Serial.print(light);
    Serial.print(", порог ");
    Serial.println(level[i]);
  }
}

void loop() {
  int playing = -1;

  for (int i = 0; i < 5; i++) {
    if (analogRead(KEYS[i]) < level[i]) {
      playing = i;
    }
  }

  if (playing >= 0) {
    tone(BUZZER, NOTES[playing]);
  } else {
    noTone(BUZZER);
  }
}

Приём тот же, что в уроке про датчик света: в setup замеряем «тишину» и считаем от неё. Семьдесят процентов — хорошая отправная точка: тень от пальца роняет число куда сильнее.

Шаг 5. Терменвокс: играем ладонью

Клавиши — это ступеньки. Но фоторезистор умеет и плавно: чем ближе ладонь, тем ниже число. Свяжем его напрямую с частотой — и получится инструмент, на котором звук «плывёт».

const int BUZZER = 12;
const int SENSOR = A1;

void setup() {
  pinMode(BUZZER, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int light = analogRead(SENSOR);

  // Числа 60 и 600 подставьте свои — те, что увидели в мониторе порта.
  int freq = map(light, 60, 600, 200, 1600);
  freq = constrain(freq, 200, 1600);

  tone(BUZZER, freq);

  Serial.print(light);
  Serial.print(" -> ");
  Serial.print(freq);
  Serial.println(" Гц");

  delay(40);
}

Числа 60 и 600 в map — это «совсем закрыто» и «полностью открыто» у вашего фоторезистора. Возьмите свои из монитора порта: чем точнее диапазон, тем послушнее инструмент. constrain нужен на случай, если свет окажется ярче ожидаемого — без него частота может уехать за пределы разумного.

Не работает? Разбираемся

• Одна нота звучит не переставая. Порог этой клавиши выше, чем её обычное освещённое значение. Посмотрите числа в мониторе и опустите порог.
• Клавиша не срабатывает совсем. Наоборот: порог слишком низкий, тень до него не дотягивает. Или клавиша светит прямо в лампу — попробуйте прикрыть её ладонью полностью.
• Соседние клавиши срабатывают вместе. Они стоят слишком близко, и тень накрывает обе. Разнесите фоторезисторы шире — в схеме между ними по четыре свободных столбика как раз для этого.
• Играет всегда одна и та же нота. Скорее всего, перепутаны провода на входах: проверьте, что столбик 4 идёт на A1, 9 — на A2 и так далее. Цвета проводов на схеме для этого и разные.
• Вечером всё сбилось. Это нормально: света стало меньше. Используйте программу из четвёртого шага — она подстраивается сама при каждом включении.

Задания для тренировки

• РазминкаПеренастройте пианино на другие ноты — например, на первые пять нот знакомой мелодии. Частоты возьмите из таблицы нот.
• ПосложнееДобавьте «октаву»: если закрыть сразу две крайние клавиши, все ноты становятся вдвое выше. Подсказка: частоту достаточно умножить на 2.
• Со звёздочкой ⭐Научите пианино запоминать сыгранное и повторять его, если три секунды никто не играет. Разбор ниже.

const int BUZZER = 12;

const int KEYS[5] = {A1, A2, A3, A4, A5};
const int NOTES[5] = {262, 294, 330, 349, 392};
const int LEVEL = 400;

const unsigned long SILENCE_MS = 3000;  // столько тишины — и играем записанное

int song[24];               // номера сыгранных нот
unsigned long lengths[24];  // сколько каждая звучала
int count = 0;

int last = -1;              // что звучало на прошлом проходе
unsigned long changed = 0;  // когда это началось

// Какая клавиша закрыта прямо сейчас; -1 — ни одной.
int pressedKey() {
  for (int i = 0; i < 5; i++) {
    if (analogRead(KEYS[i]) < LEVEL) {
      return i;
    }
  }
  return -1;
}

void playSong() {
  Serial.println("играю записанное");

  for (int i = 0; i < count; i++) {
    tone(BUZZER, NOTES[song[i]]);
    delay(lengths[i]);
    noTone(BUZZER);
    delay(60);
  }

  count = 0;  // запись очищена, можно играть заново
}

void setup() {
  pinMode(BUZZER, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
  changed = millis();
}

void loop() {
  int key = pressedKey();

  if (key != last) {
    // Что-то изменилось — значит, прошлая нота только что закончилась.
    if (last >= 0 && count < 24) {
      song[count] = last;
      lengths[count] = millis() - changed;
      count++;
    }

    last = key;
    changed = millis();

    if (key >= 0) {
      tone(BUZZER, NOTES[key]);
    } else {
      noTone(BUZZER);
    }
  }

  // Долго тихо, а записанное есть — повторяем мелодию.
  if (last == -1 && count > 0 && millis() - changed > SILENCE_MS) {
    playSong();
    changed = millis();
  }
}

Что мы узнали

• Датчик может работать как кнопка: достаточно решить, ниже какого числа считать «нажато».
• Пять одинаковых узлов — это не пять копий кода, а два массива и один цикл.
• Число -1 удобно использовать как «ничего не выбрано».
• Пороги лучше не вписывать вручную, а измерять при включении: свет в комнате меняется, а устройство должно работать.
• Тот же фоторезистор умеет управлять звуком не ступеньками, а плавно — получается терменвокс.

В следующем уроке зуммер, светодиод и кнопка соберутся в настоящую игру — на скорость реакции. И заодно мы научим плату бросать жребий.

Частые вопросы

← Все уроки курса