Proiectul constă în realizarea unui instrument muzical fără contact fizic, inspirat din thereminul clasic inventat de Lev Termen în 1920. Utilizatorul controlează frecvența sunetului prin mișcarea mâinii deasupra unui senzor ultrasonic — cu cât mâna este mai aproape, cu atât nota muzicală este mai înaltă.

• Ce face: Generează note muzicale în timp real în funcție de distanța mâinii față de senzor, afișând nota curentă, frecvența și octava pe un display OLED.
• Scopul: Demonstrarea integrării mai multor periferice hardware (ADC, PWM, I2C, întreruperi, timere) într-un sistem embedded interactiv și funcțional.
• Ideea de pornire: Thereminul clasic este unul dintre primele instrumente muzicale electronice, controlat prin gesturi fără contact. Am dorit să recreez acest concept folosind componente accesibile și un microcontroller modern (ESP32).
• Utilitate: Proiectul este un instrument didactic excelent pentru înțelegerea interacțiunii între senzori, procesare digitală a semnalului și generare audio PWM. De asemenea, poate fi folosit ca instrument muzical recreativ.

Sistemul este construit în jurul microcontrollerului ESP32 DevKit V1 și funcționează astfel:

1. Senzorul ultrasonic HC-SR04 măsoară distanța față de mâna utilizatorului (2–400 cm). ESP32 trimite un puls de 10μs pe pinul TRIGGER, apoi măsoară durata pulsului primit pe ECHO folosind un timer intern. Deoarece HC-SR04 funcționează la 5V, iar GPIO-urile ESP32 sunt de 3.3V, pinul ECHO este conectat printr-un divizor rezistiv (10kΩ + 20kΩ) pentru a aduce semnalul la un nivel sigur.
2. Distanța este mapată la o frecvență muzicală corespunzătoare unei note din gama cromatică (Do, Re, Mi, Fa, Sol, La, Si). Frecvența rezultată este aplicată ca semnal PWM pe un buzzer pasiv piezoelectric (CPT-1775-3TH), care produce tonul audibil.
3. Un potențiometru de 10kΩ conectat la un canal ADC permite utilizatorului să selecteze octava activă (ex: octava 3 = 131–262 Hz, octava 5 = 523–1047 Hz), scalând întregul interval de frecvențe.
4. Un buton tactil conectat la un pin de întrerupere externă permite activarea/dezactivarea sunetului (funcția mute). Apăsarea butonului comută instantaneu starea, fără a depinde de bucla principală.
5. Display-ul OLED SSD1306 (128×64 pixeli), interfațat prin I2C, afișează în timp real: nota muzicală curentă (ex: „La”), frecvența exactă (ex: „440 Hz”) și octava selectată.
6. Prin UART, ESP32 transmite date de debug către un terminal PC (nota, frecvența, distanța, starea mute).

Fluxul de date: HC-SR04 → Timer (măsurare ecou) → Calcul distanță → Mapare frecvență × octavă (ADC) → PWM buzzer + I2C OLED + UART debug.

Divizor rezistiv pentru ECHO (5V → 3.3V):

HC-SR04 ECHO ──┬── [R1 = 10kΩ] ──┬── GPIO18 (ESP32)
               │                  │
               └──────────────────┴── [R2 = 20kΩ] ── GND

Vout = 5V × 20k / (10k + 20k) = 3.33V

• Mediu de dezvoltare: Arduino IDE 2.x cu board support ESP32 (Espressif Arduino Core)
• Librării 3rd-party:
  • Adafruit SSD1306 — driver pentru display-ul OLED prin I2C
  • Adafruit GFX — funcții grafice (text, forme) pentru OLED
  • NewPing (opțional) — librărie pentru senzori ultrasonici (alternativă la implementare manuală cu pulseIn)

• Măsurare distanță: Triggerul trimite puls de 10μs, apoi se măsoară durata ecou-ului. Distanța = (durată × 0.034) / 2 cm.
• Mapare distanță → frecvență: Intervalul util (ex: 2–30 cm) este mapat liniar la frecvențele notelor muzicale din octava selectată. Frecvențele notelor urmează scala temperată egală: f = 440 × 2^((n-69)/12), unde n este indexul MIDI al notei.
• Selectare octavă: Valoarea ADC (0–4095 pe ESP32) de la potențiometru este împărțită în intervale discrete corespunzătoare octavelor 2–7.
• Generare ton PWM: Funcția ledcWriteTone(channel, frequency) a ESP32 generează semnal PWM la frecvența calculată pe pinul buzzerului.
• Debounce buton mute: ISR-ul setează un flag, iar bucla principală verifică flag-ul cu debounce software (ex: 200ms între comutări).
• Refresh OLED: Display-ul este actualizat la fiecare ~100ms cu nota curentă, frecvența și octava, evitând flickering.

Demo video al proiectului funcțional:

Demo Video - Theremin Digital (YouTube)

În urma realizării proiectului, am aprofundat concepte de programare cu microprocesoare, în special lucrul cu PWM, ADC, I2C și întreruperi, aplicate într-un context practic. Principala dificultate a fost instabilitatea citirilor senzorului ultrasonic, rezolvată prin implementarea unui filtru de medie mobilă, și calitatea tonului generat de buzzer, îmbunătățită prin creșterea rezoluției PWM de la 8 la 12 biți.

A fost un proiect interesant de realizat și m-a ajutat să înțeleg mai bine cum se integrează mai multe periferice într-un sistem funcțional, nu doar individual ca în laborator. Pe viitor, proiectul ar putea fi extins cu un al doilea senzor pentru controlul volumului sau cu conectivitate Bluetooth pentru o aplicație mobilă.

Codul sursă complet al proiectului este disponibil pe GitHub:

PM Fair - Theremin Digital (GitHub Repository)

• Săptămâna 1 (28 apr – 4 mai): Alegerea temei, documentare, comandă componente.
• Săptămâna 2 (5 mai – 11 mai): Completare documentație inițială pe OCW.

Resurse Hardware:

• HC-SR04 Ultrasonic Sensor Datasheet
• SSD1306 OLED Display — Datasheet & Pinout
• Same Sky (CUI Devices) — CPT Series Piezo Transducers
• Espressif ESP32 — Specificații oficiale

Resurse Software:

• Adafruit SSD1306 Library (GitHub)
• Adafruit GFX Library (GitHub)
• ESP32 Arduino Core — Documentație oficială

Export to PDF