【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目（14）---水杯水瓶灯- Makelog(造物记)

偶然心血来潮，想要做一个声音可视化的系列专题。这个专题的难度有点高，涉及面也比较广泛，相关的FFT和FHT等算法也相当复杂，不过还是打算从最简单的开始，实际动手做做试验，耐心尝试一下各种方案，逐步积累些有用的音乐频谱可视化的资料，也会争取成型一些实用好玩的音乐可视器项目。

今天开始尝试使用最普通的水杯，还有矿泉水瓶子，来实现简单的音乐可视化的效果。

声音模块，使用性价比更高的MAX4466声音传感器。

MAX4466
是微功率运算放大器，经过优化，可用作麦克风前置放大器。它们提供了优化的增益带宽产品与电源电流的理想组合，以及超小型封装中实现低电压工件环境。 MAX4466具有增益稳定特性，仅需24μA的电源电流即可提供200kHz的增益带宽。经过解压缩，可实现+5V/V的最小稳定增益，并提供600KHZ增益带宽。此外这些放大器具有轨到轨输出，高 AVOL ，以及出色的电源抑制和共模抑制比，适合在嘈杂环境中工作。广泛应用于蜂窝电话、数字复读装置、耳机、助听器、麦克风前置放大器、便携计算机和语音识别系统中。

主要特性
1、+2.4V 至 +5.5V 电源电压运行版本，
2、可提供 5nA 完全关断(MAX4467/MAX4468)
3、出色的电源抑制比：112dB
4、出色的共模抑制比：126dB
5、高 AVOL：125dB (RL= 100kΩ)
6、轨到轨输出
7、低 24μA 静态电源
8、电流增益带宽积：
200kHz (MAX4465/MAX4467/MAX4469)
600kHz AV≥5 (MAX4466/MAX4468)
9、采用节省空间的封装
5-Pin SC70 (MAX4465/MAX4466)
8 引脚 SOT23 (MAX4467/MAX4468/MAX4469)

MAX4466功能框图

附件：MAX4466相关技术资料链接（英文，来自MAXIM美信公司官网）
https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX4465-MAX4469.pdf

附注：MAXIM
是美信公司（Maxim Integrated Products）的英文缩写，全球最好的模拟信号和混合信号半导体公司。Maxim Integrated Products成立于1983年，总部位于美国加利福尼亚的Sunnyvale，公司拥有9300多名员工，是世界范围内模拟和混合信号集成产品的设计、开发与生产领域的领导者之一。通过对温度、压力、声音等现实世界的各种信号进行检测、放大，并将其转换成计算机处理所需要的数字信号, Maxim的电路把现实世界与数字世界“连接”在一起。Maxim是全球模拟、混合信号、高频及数字电路设计、研发、制造的领导者，所提供的产品能够实现上述数字内核与周边系统的连接。它们在世界范围内拥有大约35,000个大型客户。
MAXIM官网：https://www.maximintegrated.com/cn.html

MAX4466模块特点
电源电压：+2.4V至+5.5V（可直接接STM/ARDUNIO/树莓派等开发板）
电源抑制比：112dB
共模抑制比：126dB
AVOL：125dB（RL = 100kΩ) 轨到轨输出
静态电源电流：24μA
增益带宽：600kHz
尺寸：20.8mm x 13.8mm x 7.5mm/0.8 x 0.5 x 0.3inch

该模块在 Vcc 和接地引线上都包含铁氧体，以最大限度地减少电源噪声。如果与 MCU 一起使用，最好使用 2.4V – 5.5V 范围内可用的最安静的电源。在 Arduino 上，这通常是 3.3V 电源。

输出是直流耦合的。当输出信号处于静止状态时，它将位于 Vcc/2。如果 Vcc 为 5V，则输出将为 2.5V。如果输出需要交流耦合，可以在输出引脚和它驱动的电路的输入之间增加一个100uF的电容。

背面的小型单圈电位器可让您将增益从 25x 调整到 125x。逆时针旋转电位器会增加增益，而逆时针旋转会降低增益。

灯环开发板采用12位WS2812智能全彩圆盘LED模块

WS2812B
是一种将控制电路和rgb芯片集成在一起的智能控制led光源。5050组件的包装。内部包括智能数字端口数据锁存和信号整形放大驱动电路。还包括精密内部振荡器和12V电压可编程恒流控制部分，有效保证了像素点光色高度一致。数据传输协议采用单NZR通信方式。像素上电复位后，DIN端口接收数据来自控制器，第一个像素收集初始24位数据，然后发送到内部数据锁存器，其他数据由内部信号整形放大电路通过DO端口发送到下一个级联像素进行整形。后对于每个像素的传输，信号要减少24位。像素采用自动整形传输技术，使像素级联数不受信号传输的限制，只取决于信号传输的速度。复位时间>280μs，中断时不会造成误复位，支持较低频率，价格低廉单片机。刷新频率更新到2kHz，画面频率低，高清摄像机无闪烁，提高出色的展示效果。LED具有驱动电压低、环保节能、亮度高、散射角大、一致性好、功率低、寿命长等优点。集成在led上的控制芯片越来越多电路简单，体积小，安装方便。

实验场景图

【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目（14）---水杯水瓶灯

项目程序之一：FastLED音乐反应灯

模块接线：WS2812B接D6

MAX4466 UNO

VCC 5V

GND GND

OUT D7

代码

/*
  【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目（14）---水杯水瓶灯
  项目程序之一：FastLED音乐反应灯
  模块接线：WS2812B接D6
  MAX4466      UNO
  VCC          5V
  GND         GND
  OUT          D7
*/

#include<FastLED.h>
#define LED_PIN 6
#define NUM_LEDS 12

CRGB leds[NUM_LEDS];
uint8_t hue = 0;
int soundsensor = 7;

void setup() {
  delay(2000);
  FastLED.setBrightness(60);
  pinMode(soundsensor, INPUT);
  FastLED.addLeds<WS2812B, LED_PIN, GRB>(leds, NUM_LEDS);
}

void loop() {
  int sensval = digitalRead(soundsensor);

  if (sensval == 1) {
    Serial.println("ON");
    leds[0] = CRGB :: Red;
    fill_solid(leds, NUM_LEDS, CRGB :: Blue);
    rainbow_moving();
    FastLED.show();
    delay(10);
  }
  else {
    leds[0] = CRGB :: Black;
    fill_solid(leds, NUM_LEDS, CRGB :: Black);
    FastLED.show();
    delay(10);
  }
}

void rainbow_moving() {
  for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
    leds[i] = CHSV(hue + (i * 10), 255, 255);
  }
  EVERY_N_MILLISECONDS(10) {
    hue++;
  }
}

实验场景图动态图

实验的视频记录（1分06秒）

https://v.youku.com/v_show/id_XNTg5MjA0NjYwOA==.html?spm=a2hcb.playlsit.page.3

实验的视频记录之二（4分40秒）

https://v.youku.com/v_show/id_XNTg5MzMzMzk1Mg==.html?spm=a2hcb.playlsit.page.1

矿泉水瓶实验场景图

实验的视频记录之三（1分21秒）

https://v.youku.com/v_show/id_XNTg5MjA0ODM3Mg==.html?spm=a2hcb.playlsit.page.3

实验的视频记录之四（4分25秒）

https://v.youku.com/v_show/id_XNTg5MzMzNDM0OA==.html?spm=a2hcb.playlsit.page.1

【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目（14）---水杯水瓶灯

项目程序之二：多彩动态音乐反应灯

模块接线：WS2812B接D6

MAX4466 UNO

VCC 5V

GND GND

OUT D7

代码

/*
  【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目（14）---水杯水瓶灯
  项目程序之二：多彩动态音乐反应灯
  模块接线：WS2812B接D6
  MAX4466      UNO
  VCC          5V
  GND         GND
  OUT          D7
*/

#define FASTLED_INTERRUPT_RETRY_COUNT 0
#include <FastLED.h>
#define NUM_LEDS 12
CRGB leds[NUM_LEDS];

const int ledPin = 6;
int sensorPin = 7;
boolean val = 0;

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
  pinMode(sensorPin, INPUT);
  FastLED.setBrightness(60);
  FastLED.addLeds<WS2812B, ledPin, RGB>(leds, NUM_LEDS);
}

void loop () {
  val = digitalRead(sensorPin);
  Serial.println (val);
  if (val == HIGH) {
    leds[0] = CRGB(180, 0, 0);
    FastLED.show();
    delay(3);
    leds[1] = CRGB(0, 180, 0);
    FastLED.show();
    delay(3);
    leds[2] = CRGB(0, 0, 240);
    FastLED.show();
    delay(3);
    leds[3] = CRGB(150, 0, 240);
    FastLED.show();
    delay(5);
    leds[4] = CRGB(180, 200, 20);
    FastLED.show();
    delay(5);
    leds[5] = CRGB(85, 60, 180);
    FastLED.show();
    delay(10);
    leds[6] = CRGB(50, 220, 20);
    FastLED.show();
    delay(5);
    FastLED.show();
    leds[7] = CRGB(0, 0, 250);
    FastLED.show();
    delay(5);
    FastLED.show();
    leds[8] = CRGB(240, 0, 0);
    FastLED.show();
    delay(10);
    leds[9] = CRGB(0, 250, 0);
    FastLED.show();
    delay(10);
    leds[10] = CRGB(0, 0, 255);
    FastLED.show();
    delay(10);
    leds[11] = CRGB(220, 200, 20);
    FastLED.show();
    delay(10);
  }
  else {
    leds[12] = CRGB(150, 0, 255);
    FastLED.show();
  }
  FastLED.clear();
}

实验场景图动态图

实验的视频记录之五（1分39秒）

https://v.youku.com/v_show/id_XNTg5MzM1MTI3Ng==.html?spm=a2hcb.playlsit.page.1

【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目（14）---水杯水瓶灯
项目程序之三：Adafruit_NeoPixel音乐可视化水灯

代码

/*
  【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目（14）---水杯水瓶灯
  项目程序之三：Adafruit_NeoPixel音乐可视化水灯
*/

#include <Adafruit_NeoPixel.h>
#define MIC A0 
#define LED_PIN 6
#define N_PIXELS 12 
#define N 100 
#define fadeDelay 10 
#define noiseLevel 10 
Adafruit_NeoPixel strip = Adafruit_NeoPixel(N_PIXELS, LED_PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
int samples[N]; 
int periodFactor = 0; 
int t1 = -1;
int T;
int slope;
byte periodChanged = 0;

void setup() {
  strip.begin();
  ledsOff();
  delay(500);
  displayColor(Wheel(100));
  strip.show();
  delay(500);
}

void loop() {
  Samples();
}

void Samples() {
  for (int i = 0; i < N; i++) {
    samples[i] = analogRead(0);
    if (i > 0) {
      slope = samples[i] - samples[i - 1];
    }
    else {
      slope = samples[i] - samples[N - 1];
    }

    if (abs(slope) > noiseLevel) {
      if (slope < 0) {
        calculatePeriod(i);
        if (periodChanged == 1) {
          displayColor(getColor(T));
        }
      }
    }
    else {
      ledsOff();
    }
    periodFactor += 1;
    delay(1);
  }
}

void calculatePeriod(int i) {
  if (t1 == -1) {

    t1 = i;
  }
  else {

    int period = periodFactor * (i - t1);
    periodChanged = T == period ? 0 : 1;
    T = period;

    t1 = i;
    periodFactor = 0;
  }
}

uint32_t getColor(int period) {
  if (period == -1)
    return Wheel(0);
  else if (period > 400)
    return Wheel(5);
  else
    return Wheel(map(-1 * period, -400, -1, 50, 255));
}

void fadeOut(){
  for (int i = 0; i < 5; i++) {
    strip.setBrightness(110 - i * 20);
    strip.show(); // Update strip
    delay(fadeDelay);
    periodFactor += fadeDelay;
  }
}

void fadeIn() {
  strip.setBrightness(100);
  strip.show();

  for (int i = 0; i < 5; i++) {
    delay(fadeDelay);
    periodFactor += fadeDelay;
  }
}

void ledsOff() {
  fadeOut();
  for (int i = 0; i < N_PIXELS; i++) {
    strip.setPixelColor(i, 0, 0, 0);
  }
}

void displayColor(uint32_t color) {
  for (int i = 0; i < N_PIXELS; i++) {
    strip.setPixelColor(i, color);
  }
  fadeIn();
}

uint32_t Wheel(byte WheelPos) {
  if (WheelPos < 85) {

    return strip.Color(WheelPos * 3, 255 - WheelPos * 3, 0);
  }
  else if (WheelPos < 170) {
    WheelPos -= 85;
    return strip.Color(255 - WheelPos * 3, 0, WheelPos * 3);
  }
  else {
    WheelPos -= 170;
    return strip.Color(0, WheelPos * 3, 255 - WheelPos * 3);
  }
}

实验的视频记录（1分39秒）

https://v.youku.com/v_show/id_XNTg5MjE3MTgxNg==.html?spm=a2hcb.playlsit.page.3

找到一个其他家用电器上的塑料盒子。

准备用它来做十位120颗LED彩色音乐节奏灯的底座。

为打这个孔，特意收了几个大规格扩孔器........

没想到效果比预料的好

实验场景图动态图（水杯+水瓶）

实验的视频记录（1分13秒）

https://v.youku.com/v_show/id_XNTg5MjQ2OTEyMA==.html?spm=a2hcb.playlsit.page.1

定制的十片灯环，终于到了

水瓶灯座初步成型了

没想到，安装灯环就用了大半天功夫........

简单测试十个灯环120颗LED

【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目（14）---水杯水瓶灯

项目程序之四：十位水杯音乐反应灯

模块接线：WS2812B接D7

MAX4466 UNO

VCC 5V

GND GND

OUT A0

代码

/*
  【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目（14）---水杯水瓶灯
  项目程序之四：十位水杯音乐反应灯
  模块接线：WS2812B接D7
  MAX4466      UNO
  VCC          5V
  GND         GND
  OUT          A0
*/

#include<FastLED.h>
#define LED_PIN 7
#define NUM_LEDS 120

CRGB leds[NUM_LEDS];
uint8_t hue = 0;
int soundsensor = A0;

void setup() {
  delay(2000);
  FastLED.setBrightness(130);
  pinMode(soundsensor, INPUT);
  FastLED.addLeds<WS2812B, LED_PIN, GRB>(leds, NUM_LEDS);
}

void loop() {
  int sensval = digitalRead(soundsensor);

  if (sensval == 1) {
    Serial.println("ON");
    leds[0] = CRGB :: Red;
    fill_solid(leds, NUM_LEDS, CRGB :: Blue);
    rainbow_moving();
    FastLED.show();
    delay(10);
  }
  else {
    leds[0] = CRGB :: Black;
    fill_solid(leds, NUM_LEDS, CRGB :: Black);
    FastLED.show();
    delay(10);
  }
}

void rainbow_moving() {
  for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
    leds[i] = CHSV(hue + (i * 10), 255, 255);
  }
  EVERY_N_MILLISECONDS(10) {
    hue++;
  }
}

实验场景图动态图

实验的视频记录(3分58秒)

https://v.youku.com/v_show/id_XNTg5MzM5NTUyNA==.html?spm=a2hcb.playlsit.page.1

【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目（14）---水杯水瓶灯
项目之四：MegunoLink柱状音乐灯

代码

/*
【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目（14）---水杯水瓶灯
  项目之四：MegunoLink柱状音乐灯
*/

#include<FastLED.h>
#include<MegunoLink.h>
#include<Filter.h>

#define N_PIXELS  120
#define MIC_PIN   A0
#define LED_PIN   6
#define NOISE 10
#define TOP   (N_PIXELS+2)
#define LED_TYPE  WS2811
#define BRIGHTNESS  22
#define COLOR_ORDER GRB

CRGB leds[N_PIXELS];
int lvl = 0, minLvl = 0, maxLvl = 10;

ExponentialFilter<long> ADCFilter(5, 0);

void setup() {
  FastLED.addLeds<LED_TYPE, LED_PIN, COLOR_ORDER>(leds, N_PIXELS).setCorrection(TypicalLEDStrip);
  FastLED.setBrightness(BRIGHTNESS);
}

void loop() {
  int n, height;
  n = analogRead(MIC_PIN);
  n = abs(1023 - n);
  n = (n <= NOISE) ? 0 : abs(n - NOISE);
  ADCFilter.Filter(n);
  lvl = ADCFilter.Current();
  //  Serial.print(n);
  //  Serial.print(" ");
  //  Serial.println(lvl);
  height = TOP * (lvl - minLvl) / (long)(maxLvl - minLvl);
  if (height < 0L) height = 0;
  else if (height > TOP) height = TOP;
  for (uint8_t i = 0; i < N_PIXELS; i++) {
    if (i >= height) leds[i] = CRGB(0, 0, 0);
    else leds[i] = Wheel( map( i, 0, N_PIXELS - 1, 30, 150 ) );
  }
  FastLED.show();
}

CRGB Wheel(byte WheelPos) {
  if (WheelPos < 85)
    return CRGB(WheelPos * 3, 255 - WheelPos * 3, 0);
  else if (WheelPos < 170) {
    WheelPos -= 85;
    return CRGB(255 - WheelPos * 3, 0, WheelPos * 3);
  } else {
    WheelPos -= 170;
    return CRGB(0, WheelPos * 3, 255 - WheelPos * 3);
  }
}

实验场景图动态图

实验的视频记录（1分08秒）

https://v.youku.com/v_show/id_XNTg5MzQ5OTUxNg==.html?spm=a2hcb.playlsit.page.1

【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目（14）---水杯水瓶灯
项目之五：Arduino 和 FastLED多彩音乐节拍灯

代码

/*
 【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目（14）---水杯水瓶灯
  项目之五：Arduino 和 FastLED多彩音乐节拍灯
*/

#include <FastLED.h>
#define SAMPLEPERIODUS 200
#define MIC_PIN A0
#define LED_DT 6
#define COLOR_ORDER GRB
#define LED_TYPE WS2812
#define NUM_LEDS 120
uint8_t max_bright = 33;
struct CRGB leds[NUM_LEDS];
CRGBPalette16 currentPalette = RainbowColors_p;
CRGBPalette16 targetPalette;

void setup() {
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
  LEDS.addLeds<LED_TYPE, LED_DT, COLOR_ORDER>(leds, NUM_LEDS);
  FastLED.setBrightness(max_bright);
}

float bassFilter(float sample) {
  static float xv[3] = {0, 0, 0}, yv[3] = {0, 0, 0};
  xv[0] = xv[1]; xv[1] = xv[2];
  xv[2] = sample / 9.1f;
  yv[0] = yv[1]; yv[1] = yv[2];
  yv[2] = (xv[2] - xv[0]) + (-0.7960060012f * yv[0]) + (1.7903124146f * yv[1]);
  return yv[2];
}

float envelopeFilter(float sample) {
  static float xv[2] = {0, 0}, yv[2] = {0, 0};
  xv[0] = xv[1];
  xv[1] = sample / 160.f;
  yv[0] = yv[1];
  yv[1] = (xv[0] + xv[1]) + (0.9875119299f * yv[0]);
  return yv[1];
}

float beatFilter(float sample) {
  static float xv[3] = {0, 0, 0}, yv[3] = {0, 0, 0};
  xv[0] = xv[1]; xv[1] = xv[2];
  xv[2] = sample / 7.015f;
  yv[0] = yv[1]; yv[1] = yv[2];
  yv[2] = (xv[2] - xv[0]) + (-0.7169861741f * yv[0]) + (1.4453653501f * yv[1]);
  return yv[2];
}

void loop() {
  unsigned long time = micros();
  float sample, value, envelope, beat, thresh, micLev;
  for (uint8_t i = 0; ; ++i) {
    sample = (float)analogRead(MIC_PIN);
    micLev = ((micLev * 67) + sample) / 68;
    sample -= micLev;
    value = bassFilter(sample);
    value = abs(value);
    envelope = envelopeFilter(value);
    if (i == 200) {
      beat = beatFilter(envelope);
      thresh = 0.02f * 75.;

      if (beat > thresh) {
        digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);

        int strt = random8(NUM_LEDS / 2);
        int ende = strt + random8(NUM_LEDS / 2);
        for (int i = strt; i < ende; i++) {
          uint8_t index = inoise8(i * 30, millis() + i * 30);
          leds[i] = ColorFromPalette(currentPalette, index, 255, LINEARBLEND);
        }
      } else {
        digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
      }
      i = 0;
    }

    EVERY_N_SECONDS(5) {
      uint8_t baseC = random8();
      targetPalette = CRGBPalette16(CHSV(baseC + random8(32), 255, random8(128, 255)),
                                    CHSV(baseC + random8(64), 255, random8(128, 255)),
                                    CHSV(baseC + random8(64), 192, random8(128, 255)),
                                    CHSV(baseC + random8(),   255, random8(128, 255)));
    }

    EVERY_N_MILLISECONDS(50) {
      uint8_t maxChanges = 24;
      nblendPaletteTowardPalette(currentPalette, targetPalette, maxChanges);
    }

    EVERY_N_MILLIS(50) {
      fadeToBlackBy(leds, NUM_LEDS, 64);
      FastLED.show();
    }

    for (unsigned long up = time + SAMPLEPERIODUS; time > 20 && time < up; time = micros()) {  }

  } // for i
} // loop()

实验的视频记录（3分59秒）

https://v.youku.com/v_show/id_XNTg5NDg4MjcwNA==.html?spm=a2hcb.playlsit.page.5

实验的视频记录之二（3分51秒）

https://v.youku.com/v_show/id_XNTg5NDg4MjkyOA==.html?spm=a2hcb.playlsit.page.1

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