Ciprian-Marian Munteanu, 332CB

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

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.

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.

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.

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:

Aplicatia foloseste patru stari:

Butoanele controleaza aplicatia astfel:

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

• 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.

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.

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.

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:

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.

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

Resurse Hardware:

• ATmega328P Datasheet — Microchip
• MAX4465-MAX4469 Datasheet — Analog Devices / Maxim Integrated
• SSD1306 Datasheet — Solomon Systech
• Arduino Nano Hardware Documentation — Arduino

Resurse Software:

• Goertzel Algorithm