Генерация музыкальных тонов на Arduino: полный спектр 88 клавиш пианино

Компоненты и материалы

Программное обеспечение

• Arduino IDE

О проекте

Проект демонстрирует генерацию квадратных волн для воспроизведения нот полноразмерного пианино (88 клавиш, ноты 1–88). В отличие от стандартной функции tone(), ограниченной 31 Гц, здесь используется программная генерация задержек на микросекундном уровне, что позволяет воспроизводить даже самые низкие ноты (A0 = 27.5 Гц).

Проблема стандартной tone()

Функция tone(pin, freq) использует таймеры и не работает ниже 31 Гц. Нижние 9 клавиш пианино (A0–F#1) имеют частоты 27.5–46.25 Гц — они недоступны для tone().

Решение: программная генерация

Период волны T = 1/f (в микросекундах). Полупериод (половина периода) задаёт задержку между переключениями пина HIGH/LOW. Для частоты 27.5 Гц период ≈ 36364 мкс, полупериод ≈ 18182 мкс — это превышает лимит delayMicroseconds() (16383 мкс).

Обход ограничения delayMicroseconds()

Используется цикл с накоплением задержек: если нужная задержка > 16000 мкс, выполняется несколько вызовов delayMicroseconds(16000) плюс остаток.

Алгоритм расчёта частоты

Номер клавиши n (1–88) → частота f = 440 * 2^((n-49)/12) Гц (A4 = 440 Гц, клавиша 49). Код вычисляет это в реальном времени без таблиц.

Схема подключения

Динамик подключен к GND и пину 12 через резистор 150–220 Ом (ограничение тока). Пин 12 переключается HIGH/LOW с рассчитанными задержками.

Код (компактная версия)

const int speakerPin = 12;
void playNote(int key) { // key = 1..88
  float freq = 440.0 * pow(2.0, (key - 49) / 12.0);
  long halfPeriod = 500000 / freq; // микросекунды
  int cycles = freq * 0.5; // играть 0.5 сек
  for (int i = 0; i < cycles; i++) {
    digitalWrite(speakerPin, HIGH);
    delayMicrosecondsClamped(halfPeriod);
    digitalWrite(speakerPin, LOW);
    delayMicrosecondsClamped(halfPeriod);
  }
}
void delayMicrosecondsClamped(unsigned long us) {
  while (us > 16000) { delayMicroseconds(16000); us -= 16000; }
  delayMicroseconds(us);
}
void setup() { pinMode(speakerPin, OUTPUT); }
void loop() {
  // Пример: гамма до мажор (клавиши 40..52)
  for (int k = 40; k <= 52; k++) { playNote(k); delay(100); }
  delay(2000);
}

Полный прокомментированный код доступен по ссылке в описании видео автора.

Особенности

• Код вмещается на одном экране (без комментариев).
• Работает на уровне микросекунд — высокая точность тона.
• Позволяет обучать основкам цифрового синтеза звука.