Vocal Coach

Vocal Coach

Ciprian-Marian Munteanu, 332CB

Introducere

Vocal Coach este un dispozitiv embedded care ajuta utilizatorul sa exerseze intonatia vocala. Dispozitivul reda o nota muzicala de referinta folosind un buzzer pasiv, capteaza vocea utilizatorului printr-un microfon analogic cu amplificare, analizeaza semnalul audio folosind algoritmul Goertzel si ofera feedback in timp real: nota cantata este prea joasa (LOW), corecta (OK) sau prea inalta (HIGH).

Ideea a pornit de la nevoia unui instrument simplu si accesibil pentru incepatorii in muzica, care sa permita exersarea intonatiei fara a depinde de un smartphone sau conexiune la internet. Spre deosebire de aplicatiile generale de tuning, acest dispozitiv este construit special pentru antrenament vocal pe un set restrans de note (A2-A3), ceea ce il face fezabil pe hardware cu resurse limitate.

Repository GitHub: https://github.com/ciprianmunteanu1/vocal-coach

Descriere generala

Sistemul este organizat in urmatoarele module:

Module hardware:

Intrare audio — microfon MAX4466 capteaza vocea utilizatorului, iesirea analogica conectata la ADC-ul Arduino
Iesire audio — buzzer pasiv reda nota de referinta prin PWM
Feedback vizual — modul LED semafor (rosu/galben/verde)
Afisaj — OLED 128×64 I2C afiseaza starea sistemului, nota tinta si rezultatul
Intrare utilizator — 3 butoane (START/NEXT/BACK) si potentiometru pentru selectarea notei tinta

Module software:

Masina de stari — IDLE → PLAY_NOTE → LISTEN_ANALYZE → RESULT
Esantionare ADC — citire microfon pe ADC0 si potentiometru pe ADC1
Motor Goertzel contextual — compara nota tinta cu vecinii sai inferior si superior
Validare semnal — detectie amplitudine prea mica si clipping
Logica feedback — decide LOW, OK, HIGH, NO SIG sau LOUD

Interactiunea modulelor: Utilizatorul selecteaza nota tinta cu potentiometrul. La apasarea START, Arduino reda nota pe buzzer, apoi intra intr-o fereastra de ascultare in care ADC-ul esantioneaza microfonul. Algoritmul Goertzel contextual proceseaza semnalul in mod streaming si compara energia pentru nota tinta, nota inferioara si nota superioara. Rezultatul este afisat pe OLED si prin modulul LED.

Hardware Design

Lista de componente

Componenta	Cantitate	Rol
Arduino Nano ATmega328P + CH340	1	Microcontroller principal
Modul microfon MAX4466 ajustabil	1	Intrare audio
Afisaj OLED 128×64 I2C SSD1306	1	Afisare informatii
Buzzer pasiv 5V	1	Redare nota de referinta
Modul LED semafor 3.3-5V	1	Feedback vizual
Buton tactil 6x6x5mm	3	Intrare utilizator
Potentiometru 10K WH148	1	Selectare nota tinta
Tranzistor NPN 2N2222 / BC337	1	Driver pentru buzzer
Rezistor 1K ohm	1	Limitare curent baza tranzistor
Rezistor 220 ohm	5	Limitare curent LED-uri / rezerve
Condensator electrolitic 10uF	2	Filtrare alimentare
Condensator ceramic 100nF	1	Decuplare locala microfon, optional
Breadboard 830 puncte	1	Platforma de prototipare
Fire Dupont tata-tata / mama-tata	40+40	Interconectare
Cablu USB	1	Alimentare si programare

Schema electrica

Schema electrica prezinta conexiunile dintre Arduino Nano si modulele externe. Microfonul MAX4466 este conectat la intrarea analogica A0, potentiometrul la A1, OLED-ul foloseste magistrala I2C prin pinii A4/SDA si A5/SCL, iar buzzerul pasiv este controlat de pe pinul D9.

In varianta finala, buzzerul este comandat printr-un tranzistor NPN pentru a evita solicitarea directa a pinului microcontrollerului. Pentru primele teste, buzzerul poate fi conectat temporar direct intre D9 si GND, dar varianta cu tranzistor este preferata pentru montajul final.

Butoanele sunt conectate intre pini digitali si GND, urmand sa fie citite in software folosind rezistentele interne de pull-up ale microcontrollerului. Modulul LED semafor este controlat prin trei pini digitali separati, cate unul pentru fiecare culoare.

Tabel conexiuni

Semnal / Componenta	Pin componenta	Pin Arduino Nano	Observatii
MAX4466	VCC	5V	Alimentare modul microfon
MAX4466	GND	GND	Masa comuna
MAX4466	OUT	A0	Semnal audio analogic catre ADC
Potentiometru 10K	pin lateral 1	5V	Capat divizor de tensiune
Potentiometru 10K	pin mijloc	A1	Valoare analogica pentru selectarea notei
Potentiometru 10K	pin lateral 2	GND	Masa
OLED SSD1306	VCC	5V	Alimentare display, daca modulul este compatibil 3V-5V
OLED SSD1306	GND	GND	Masa comuna
OLED SSD1306	SDA	A4 / SDA	Magistrala I2C
OLED SSD1306	SCL	A5 / SCL	Magistrala I2C
Buzzer pasiv	+	5V	Alimentare buzzer in varianta cu tranzistor
Buzzer pasiv	-	Colector tranzistor NPN	Comandat prin tranzistor
Tranzistor NPN	Baza	D9 prin rezistor 1K	Semnal BUZZER_DRV
Tranzistor NPN	Colector	Buzzer -	Comutare buzzer catre GND
Tranzistor NPN	Emitor	GND	Masa comuna
LED semafor	R	D4	LED rosu, feedback LOW
LED semafor	Y	D5	LED galben, redare nota / feedback HIGH
LED semafor	G	D6	LED verde, feedback OK
LED semafor	GND	GND	Masa comuna
Buton START	pin 1	D2	Configurat INPUT_PULLUP
Buton START	pin 2	GND	Apasat = LOW
Buton NEXT	pin 1	D3	Configurat INPUT_PULLUP
Buton NEXT	pin 2	GND	Apasat = LOW
Buton BACK	pin 1	D7	Configurat INPUT_PULLUP
Buton BACK	pin 2	GND	Apasat = LOW
Condensator 10uF	+	5V	Filtrare alimentare
Condensator 10uF	-	GND	Atentie la polaritate
Condensator 100nF	intre VCC si GND	langa MAX4466	Optional, decuplare locala

Alimentare

Dispozitivul este alimentat prin portul USB al placii Arduino Nano, de la laptop sau de la un power bank de 5V. Alimentarea prin USB este suficienta pentru versiunea curenta a proiectului, deoarece modulele folosite au consum redus: microfonul MAX4466, OLED-ul, buzzerul pasiv si modulul LED semafor.

Toate modulele folosesc masa comuna (GND). Alimentarea de 5V este distribuita catre microfon, OLED, potentiometru, modul LED si buzzer.

Pentru reducerea zgomotului pe alimentare, se folosesc condensatori de filtrare intre 5V si GND. Condensatorul electrolitic de 10uF ajuta la stabilizarea alimentarii, iar un condensator ceramic de 100nF poate fi adaugat langa microfon pentru decuplare locala.

Software Design

Implementarea finala este realizata in PlatformIO, in C bare-metal pentru Arduino Nano cu ATmega328P la 16 MHz. Proiectul nu foloseste framework-ul Arduino sau biblioteci externe pentru OLED/I2C, ci acceseaza direct registrele microcontrollerului.

Codul este impartit modular:

Fisier	Rol
main.c	Initializare module, masina de stari, ecrane OLED si feedback LED
gpio.c/h	Configurare butoane si LED-uri
adc.c/h	Citire microfon pe ADC0 si potentiometru pe ADC1
timer.c/h	Tick de 1 ms pentru temporizari si debounce
buzzer.c/h	Generare nota pe buzzer folosind Timer1 si OC1A / D9
goertzel.c/h	Analiza audio si feedback LOW / OK / HIGH
twi.c/h	Comunicare I2C/TWI cu OLED-ul
ssd1306.c/h	Afisare text pe OLED SSD1306
uart.c/h	Debug prin USART0

Masina de stari

Aplicatia foloseste patru stari:

Stare	Descriere
IDLE	Utilizatorul selecteaza nota tinta cu potentiometrul.
PLAY_NOTE	Buzzerul reda nota de referinta timp de aproximativ 900 ms.
LISTEN_ANALYZE	Microfonul este citit, iar semnalul este analizat.
RESULT	Rezultatul este afisat pe OLED si prin LED-uri.

Butoanele controleaza aplicatia astfel:

START porneste testul pentru nota selectata.
NEXT alege o nota aleatoare diferita.
BACK revine la nota redata anterior.

Periferice folosite

GPIO: butoane si LED-uri prin DDRD, PORTD si PIND.
ADC: microfon pe ADC0 / A0 si potentiometru pe ADC1 / A1.
Timer0: tick de 1 ms pentru temporizari.
Timer1: semnal pentru buzzer pe D9 / PB1 / OC1A.
USART0: mesaje de debug.
TWI/I2C: comunicare cu OLED-ul SSD1306 pe A4/SDA si A5/SCL.

Algoritmul Goertzel contextual

Pentru analiza audio se foloseste algoritmul Goertzel contextual. Pentru fiecare nota tinta sunt comparate doar trei frecvente:

nota inferioara — LOW
nota tinta — OK
nota superioara — HIGH

Gama folosita este A2-A3, adaptata pentru bass-bariton:

A2, B2, C3, D3, E3, F3, G3, A3

Aceasta abordare este mai simpla decat o detectie completa de pitch si este potrivita pentru resursele limitate ale ATmega328P. Semnalul este analizat pe mai multe ferestre, iar rezultatul final este ales prin vot.

Afisare OLED

OLED-ul SSD1306 este controlat printr-un driver text-only propriu. Nu se foloseste un framebuffer complet, pentru a economisi SRAM. OLED-ul afiseaza starea curenta, nota tinta si rezultatul, iar detaliile de debug sunt trimise prin USART.

Rezultate Obtinute

Proiectul final este functional pe Arduino Nano cu ATmega328P, fara framework-ul Arduino. Au fost integrate butoanele, potentiometrul, microfonul MAX4466, buzzerul, LED-urile si OLED-ul SSD1306.

Dispozitivul permite selectarea unei note tinta din gama A2-A3, reda nota de referinta si apoi analizeaza semnalul captat de microfon. Feedback-ul este afisat pe OLED si prin LED-uri: LOW, OK, HIGH, NO SIG sau LOUD.

Proiectul a fost testat treptat: GPIO, ADC, buzzer, Goertzel, OLED si integrarea finala. Testarea finala a fost facuta cu voce.

Utilizarea finala de resurse raportata de PlatformIO este:

Resursa	Utilizat	Total	Procent
Flash	9964 bytes	30720 bytes	32.4%
SRAM	856 bytes	2048 bytes	41.8%

Concluzii

Proiectul demonstreaza realizarea unui sistem embedded de antrenament vocal pe Arduino Nano, folosind programare bare-metal pentru ATmega328P.

Algoritmul Goertzel contextual permite detectarea relatiei dintre nota cantata si nota tinta: LOW, OK sau HIGH. Driverul OLED text-only si procesarea streaming au ajutat la mentinerea unui consum redus de memorie.

Sistemul nu este un tuner vocal general, ci un antrenor pentru o gama restransa de note. Pentru scopul proiectului, aceasta solutie este suficienta si eficienta.

Download