• Sistemul propus este un player muzical controlat cu ajutorul unui ecran LCD si butoane fizice, capabil sa redea melodii in format WAV stocate pe un card microSD, utilizand o placa Arduino si un difuzor. Utilizatorul poate naviga intre melodii si moduri de iluminare prin intermediul a trei butoane: Start/Stop, Selectare melodie, Selectare mod iluminare. Melodiile sunt redate folosind biblioteca TMRpcm, iar sistemul utilizeaza pinul analogic A0 pentru a citi semnalul audio preluat direct din difuzor, printr-o punte realizata cu doua rezistente. Pe baza valorilor citite in timp real, este calculat un nivel audio, care este folosit pentru a actualiza banda de LED-uri WS2812B.
• Scopul principal este de a oferi o experienta multimedia interactiva si personalizabila, in care utilizatorul nu doar asculta muzica, ci si vizualizeaza efecte luminoase adaptate atat ritmului, cat si preferintelor sale de moment.
• Ideea de baza a pornit de la dorinta de a crea un sistem care sa combine muzica si luminile intr-un mod sincronizat, inspirat de sistemele moderne de redare muzicala cu efecte vizuale. Pentru a creste interactivitatea si personalizarea, am adaugat posibilitatea de a selecta diferite moduri de iluminare, astfel incat utilizatorul sa poata adapta atmosfera in functie de preferinte sau context.
• Utilitatea proiectului este data de experienta de divertisment personalizabila pe care o ofera, potrivita pentru petreceri, decoruri tematice sau relaxare. De asemenea, proiectul poate fi utilizat si in scopuri didactice, urmarind concepte de baza de electronica, Arduino si programare embedded si avand o posibilitate vasta de extindere. Pentru mine, proiectul este util atat din punct de vedere tehnic, intrucat am ocazia de a aplica o varietate de cunostinte pe care le-am dobandit de-a lungul facultatii, dar si din punct de vedere personal, pentru ca reprezinta o provocare creativa si tehnica.

Proiectul este un player muzical interactiv care reda fisiere audio WAV de pe un card microSD si sincronizeaza efecte luminoase cu ritmul muzicii. Utilizatorul controleaza redarea si modul de iluminare prin butoane, iar informatiile sunt afisate pe un ecran LCD.

Sistemul este organizat in jurul unui Arduino UNO, care coordoneaza toate modulele hardware si software. Semnalul audio este citit de pe un card microSD, procesat si trimis sub forma de semnal PWM catre un amplificator audio, care reda sunetul printr-un difuzor. In paralel, Arduino analizeaza semnalul pentru a extrage ritmul si controleaza un inel de LED-uri WS2812B, generand efecte luminoase sincronizate. Utilizatorul interactioneaza cu sistemul prin butoane pentru a selecta melodia si modul de iluminare, iar un ecran LCD afiseaza informatii relevante despre starea redarii. Toate modulele comunica direct cu Arduino, care gestioneaza logica si sincronizarea in timp real.

• Utilizatorul interactioneaza cu sistemul prin butoane pentru:
  • Selectare melodie
  • Alegere mod de iluminare
  • Pornire/Oprire redare

• Arduino UNO:
  • Citeste fisiere WAV de pe cardul microSD prin SPI
  • Trimite semnal PWM audio catre amplificatorul audio → difuzor reda sunetul
  • Analizeaza semnalul audio in timp real pentru a detecta ritmul muzicii
  • Controleaza LED-urile WS2812B in functie de beat-uri si modul de iluminare
  • Actualizeaza LCD-ul cu informatii despre melodia curenta si starea sistemului

• Amplificatorul (LM386) primeste semnal PWM si il reda ca sunet prin difuzor

• LED-urile WS2812B afiseaza efecte sincronizate cu ritmul muzicii si stilul ales

• LCD 16×2 afiseaza informatii utile pentru utilizator (melodie, mod, status)

Diagrama realizata in Cirkit Designer IDE

Schema electrica realizata in EasyEDA

Pentru a putea analiza semnalul audio generat in timpul redarii unei melodii si a aprinde LED-urile in functie de intensitatea acestuia, am realizat un divizor de tensiune format din doua rezistente de 10kΩ conectate in serie. Un capat al primului rezistor este conectat la pinul D9 al placii Arduino, pin utilizat pentru transmiterea semnalului audio catre intrarea amplificatorului LM386. Capatul celalalt al celui de-al doilea rezistor este conectat la GND, iar punctul comun dintre cei doi rezistori este conectat la pinul analogic A0. Aceasta configuratie permite preluarea unei versiuni atenuate a semnalului audio (prin divizorul de tensiune), astfel incat Arduino-ul sa poata citi nivelul semnalului cu ajutorul convertorului analog-digital (ADC) fara a-l suprasolicita electric. In acest mod, se poate monitoriza variatia semnalului in timp real si controla efectele luminoase generate de banda de LED-uri, sincronizandu-le cu ritmul muzicii.

Banda de LED-uri WS2812 este compusa din 12 LED-uri adresabile individual, fiecare LED avand trei componente de culoare (rosu, verde, albastru) care pot consuma pana la aproximativ 20 mA fiecare. Pentru a aprinde un LED in culoarea alba, toate cele trei componente se activeaza simultan la intensitate maxima, deci un singur LED poate consuma pana la circa 60 mA (20 mA × 3). Astfel, pentru 12 LED-uri aprinse simultan in alb, curentul total necesar este aproximativ 60 mA × 12 = 720 mA. Placa Arduino UNO, alimentata prin USB sau prin pinul de 5V, poate furniza un curent maxim mult mai mic, in jur de 500 mA in total pentru toata placa, iar porturile sale I/O nu sunt proiectate sa suporte curenti atat de mari. Prin urmare, alimentarea directa a tuturor celor 12 LED-uri WS2812 in culoarea alba simultan fara o sursa externa de curent dedicata nu este posibila, deoarece risca sa suprasolicite regulatorul de tensiune al placii si sa provoace resetari sau chiar deteriorarea componentelor. Din acest motiv, proiectul pe care l-am dezvoltat nu prevede aprinderea tuturor led-urilor simultan in alb, avand moduri de iluminare prestabilite.

Proiectul este implementat complet si contine toate modulele si componentele pe care le-am enumerat mai sus. Am utilizat o cutie, pe a carei parte frontala am lipit difuzorul, banda de leduri care il inconjoara, un mini breadboard pe care sunt conectate cele 3 butoane si ecranul LCD pentru care am decupat o portiune din cutie, intrucat nu putea fi lipit din cauza modulului I2C atasat pe spatele lui.

Imaginile de mai sus ilustreaza proiectul final in primul stadiu al functionarii: “Sistem Pornit”. Pentru a aprinde banda de leduri si a reda muzica, trebuie apasat butonul 1: “Start/Stop”. Am considerat adecvat sa lipesc 3 post-it-uri, numerotate de la 1 la 3, care sugereaza functionalitatea fiecarui buton de la stanga la dreapta.

Sistemul software este dezvoltat in ArduinoIDE, folosind limbajul C++ specific platformei Arduino, cu acces direct la registrele microcontroller-ului ATMega328P.

• LiquidCrystal_I2C – Permite controlul afisajului LCD 16×2 prin protocolul I2C, afisand informatii precum titlul melodiei, modul de iluminare sau starea sistemului. Economiseste pini GPIO prin utilizarea magistralei I2C.

• FastLED – Ofera control precis asupra benzii de LED-uri WS2812B. Permite generarea de efecte luminoase dinamice, sincronizate cu intensitatea semnalului audio, in functie de modul selectat (Energic, Unda, Disco).

• TMRpcm – Permite redarea fisierelor audio in format WAV direct de pe cardul microSD prin semnal PWM generat pe pinul 9 (OC1A). Nu necesita DAC extern si este compatibila cu ATmega328P.

• SD.h – Gestioneaza accesul la fisierele stocate pe cardul microSD folosind protocolul SPI. Asigura initializarea cardului si permite redarea fisierelor audio prin TMRpcm.

• SPI.h – Biblioteca nativa pentru comunicatia SPI. Este folosita de SD.h pentru a facilita schimbul de date intre Arduino si cardul SD (pinii MOSI, MISO, SCK, CS).

• Wire.h – Suporta comunicatia I2C cu dispozitive precum afisajul LCD 16×2. Este necesara pentru utilizarea bibliotecii LiquidCrystal_I2C.

Cardul SD utilizat este formatat in sistemul de fisiere FAT32, asigurand compatibilitatea si accesul rapid la fisierele audio prin biblioteca SD a Arduino.

Fisierele audio au fost pregatite cu urmatoarele proprietati pentru a fi compatibile cu modulul de redare:

• Format: WAV (Waveform Audio File Format)
• Canal audio: mono
• Rata de esantionare: 16.000 Hz
• Dimensiune esantion audio: 8 biti
• Rata de biti: 128 kbps
• Dimensiune maxima fisier: 4 MB

Aceste setari au fost aplicate folosind programul Audacity, pentru a asigura o redare optima si stabila pe platforma Arduino UNO.

De asemenea, fisierele audio sunt denumite cu nume scurte, fara spatii si cu extensia ”.wav” (exemplu: 001.wav), respectand cerintele sistemului de fisiere FAT32.

Sistemul propus aduce o abordare moderna si interactiva in redarea de continut audio prin sincronizarea sunetului cu efecte vizuale dinamice. Utilizatorul beneficiaza de o experienta personalizata prin controlul direct al melodiilor si al stilurilor de iluminare, intr-o interfata simpla si intuitiva. In plus, sistemul functioneaza autonom, fara nevoie de aplicatii externe sau dispozitive inteligente, fiind ideal pentru proiecte educationale, demonstratii vizuale sau ambient personalizat. Combinatia dintre redare audio si iluminare reactiva transforma interactiunea clasica cu sunetul intr-o experienta captivanta si vizuala.

Proiectul propus valorifica in mod direct conceptele studiate in mai multe laboratoare parcurse pe parcursul semestrului:

• Laboratorul 0: GPIO

Utilizat pentru citirea starii butoanelor care controleaza redarea melodiei, selectarea piesei si alegerea modului de iluminare.

• Laboratorul 3: Timere. PWM

Folosit pentru generarea semnalului PWM care transmite sunetul catre amplificatorul audio si pentru controlul LED-urilor WS2812B sincronizate cu ritmul muzicii.

• Laboratorul 5: SPI

Esential pentru comunicarea cu cardul microSD de pe care sunt citite fisierele WAV.

• Laboratorul 6: I2C

Utilizat pentru interfatarea cu ecranul LCD 16×2, care afiseaza informatii despre melodie, mod de iluminare si starea sistemului.

• initButtons() – Configureaza pinii PD2, PD3 si PD4 ca intrari digitale, activand rezistentele de pull-up pentru a detecta apasarea celor trei butoane (Play, Next, Mod).

void initButtons() {
  DDRD &= ~(BUTTON_PLAY_MASK | BUTTON_NEXT_MASK | BUTTON_MODE_MASK); 
  PORTD |= BUTTON_PLAY_MASK | BUTTON_NEXT_MASK | BUTTON_MODE_MASK; 
}

• lcd_init() – Initializeaza afisajul LCD I2C (16×2), porneste iluminarea de fundal si curata ecranul.

void lcd_init() {
  lcd.init();
  lcd.backlight();
  lcd.clear();
}

• lcd_set_cursor(uint8_t col, uint8_t row) – Pozitioneaza cursorul la coloana si randul specificate pe ecranul LCD.

• lcd_print(const char* str) – Afiseaza un text simplu pe LCD, incepand de la pozitia curenta a cursorului.

• setup() – Initializeaza comunicarile seriale, LCD-ul, butoanele, banda de LED-uri WS2812B, intrarea analogica pentru senzorul audio, magistrala SPI si cardul SD. Seteaza pinul audio si volumul pentru redare.

// Initializare SPI pentru cardul SD
DDRB |= (1 << PB3) | (1 << PB5); // MOSI (PB3), SCK (PB5) ca iesire
DDRB &= ~(1 << PB4);             // MISO (PB4) ca intrare
SPCR = (1 << SPE) | (1 << MSTR) | (1 << SPR0); // Activeaza SPI, modul master
 
if (!SD.begin(SD_CS)) {
  lcd.clear();
  lcd.print("Eroare SD card");
  while (true);
}

• playAudio() – Reda melodia curent selectata din array-ul `songs[]` folosind biblioteca TMRpcm. Actualizeaza ecranul LCD cu titlul melodiei si seteaza flag-ul `isPlaying` pe `true`.

• stopAudio() – Opreste redarea curenta a fisierului audio si reseteaza flag-ul `isPlaying` pe `false`.

• selectNextSong() – Opreste redarea curenta, selecteaza urmatoarea melodie din lista, iar apoi o porneste automat.

• updateLEDEffects() – Actualizeaza efectele de iluminare in functie de modul selectat (`currentMode`) si de nivelul semnalului audio analogic:

• Mod 0 (Energic): LED-urile sunt colorate in nuante vibrante (HSV) cu saturatie mare, generate aleator pentru fiecare ciclu de actualizare.

int audioLevel = analogRead(AUDIO_SENSE_PIN);
int intensity = map(audioLevel, 0, 1023, 0, 255);
intensity = constrain(intensity, 0, 200);
 
switch (currentMode) {
  case 0: {
    uint8_t hueBase = random(0, 255);
    for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
      leds[i] = CHSV(hueBase + i * 10, 240, intensity);
    }
    break;
  }
}
FastLED.show();

• Mod 1 (Unda): Creeaza o unda de lumina sinusoidala animata pe LED-uri, cu culori gradate si stralucire dependenta de intensitatea sunetului.

• Mod 2 (Disco): Ilumineaza aleator LED-uri cu culori intense si variabile la intervale scurte, imitand un efect disco dinamic.

• buttonPressed(uint8_t mask) – Verifica daca un buton conectat la un pin digital este apasat, returnand `true` daca starea este LOW.

bool buttonPressed(uint8_t mask) {
  return !(PIND & mask); // LOW inseamna apasat
}

• loop() – Verifica apasarile de butoane (Play, Next, Mod), executa actiunile corespunzatoare (redare, schimbare melodie, schimbare mod iluminare) si, daca o melodie este in redare, actualizeaza efectele LED-urilor in timp real.

Atat codul final, cat si codurile pentru verificarea functionarii modulelor se gasesc pe GitHub

Proiectul realizat permite redarea fisierelor audio WAV de pe un card microSD si controlul unei benzi de LED-uri WS2812B in functie de semnalul audio si modul selectat.

Videoclip demonstrativ

Urmatoarele functionalitati sunt complet implementate si prezentate in videoclipul demonstrativ:

• Navigarea intre modurile de redare prin apasarea butoanelor fizice

• Afisarea informatiilor pe un ecran LCD 16×2: numele melodiei curente si modul activ

• Redarea fisierelor audio

• Iluminare dinamica a LED-urilor in functie de semnalul audio (efecte sincronizate)

• Selectarea modurilor de iluminare

Aceste rezultate demonstreaza functionalitatea completa a sistemului audio-luminos proiectat si integrarea cu succes a componentelor hardware si software.

Ideea de la care a pornit acest proiect a fost una simpla: sa creez un player muzical care sa redea melodii si, in acelasi timp, sa ofere o experienta vizuala prin efecte de lumina sincronizate cu ritmul muzicii. La final, pot spune ca obiectivul a fost atins. Sistemul functioneaza corect, permite selectarea melodiei si a modului de iluminare, iar rezultatul este o experienta interactiva pentru utilizator. Proiectul poate fi imbunatatit in viitor prin adaugarea unei telecomenzi cu infrarosu, integrarea unui senzor de sunet pentru o reactie mai dinamica a luminilor sau chiar conectivitate Bluetooth pentru selectarea melodiilor direct de pe telefon. Sunt multumita de rezultatul obtinut si cred ca are potential sa evolueze in directii si mai creative.

• Arduino UNO R3 : Datasheet oficial

• WS2812B LED Ring : Datasheet WS2812B

• Micro SD Card Module : Modul SD Card + Pinout & Conectare

• LCD 16×2 cu interfață I2C : LCD1602 + I2C Datasheet

• Biblioteca SD : Arduino SD Library Reference

• Platforma Arduino IDE : Arduino IDE oficial

Export to PDF