Aero Beat este un instrument muzical virtual care simulează o baterie reală folosind două bețe de tobă echipate cu senzori de mișcare. Fiecare bată conține un modul giroscop + accelerometru (GY-521 / MPU-6050) montat pe vârf, care detectează direcția și intensitatea loviturii în aer. În funcție de gestul efectuat, sistemul identifică una dintre cele 3 tobe virtuale asociate fiecărei bețe (stânga, mijloc, dreapta) și redă în timp real sunetul corespunzător printr-un amplificator de chitară. Simultan, un LED RGB se aprinde și o aplicație mobilă evidențiază vizual toba lovită sau chiar un visualiser.

Ce face: Cântărețul ține câte o bată în fiecare mână și efectuează lovituri în aer. Sistemul detectează lovitura, identifică toba vizată pe baza direcției de mișcare, redă sunetul corespunzător, aprinde LED-ul RGB și trimite informația către o aplicație mobilă care afișează vizual toba activată. Exista si un buton care schimba genul tobelor (metal, rock etc.) si unu care pune pauza.

Scopul proiectului: Crearea unui instrument de percuție virtual care să ofere experiența cântatului la tobe fără a necesita o baterie fizică, fără zgomot mecanic, fără spațiu ocupat și fără a deranja pe nimeni din jur.

Ideea de la care am pornit: Mereu mi-am dorit să cânt la tobe, însă locuiesc la apartament și am vecini cu copil mic. O baterie reală este scumpă, voluminoasă și, cel mai important, extrem de zgomotoasă. Mi-am propus să construiesc un sistem care să îmi ofere aceeași experiență fără să deranjez pe nimeni.

De ce este util:

• Pentru muzicieni începători sau avansați care vor să exerseze fără investiție majoră în echipament și fără probleme de zgomot
• Pentru persoanele care locuiesc la apartament sau în spații unde zgomotul este o problemă reală (copii mici, vecini, program de noapte)

Listă de piese:

• ATmega328P Xplained Mini — microcontroler principal
• 2 x GY-521 (MPU-6050) — senzori giroscop + accelerometru 3 axe, montați pe vârful betelor
• 2 x DFPlayer Mini + card SD — modul redare audio, fișiere .mp3 cu sunete de tobă
• Modul Bluetooth HC-05
• Display LCD1602 HD44780
• LED RGB (anod comun sau catod comun)
• Amplificator de chitară — output audio
• Modul jack 3.5mm + adaptor jack 3.5mm → 6.35mm — conectare la amplificator
• 2 x bețe de tobă (suport fizic pentru senzori)
• 2 x Modul de buton fara retinere
• Rezistoare, fire, breadboard, 2 carduri de memorie microSD

Schema electrica:

Descrierea Arhitecturii Hardware

Ne folosim de placa ATmega328P Xplained Mini ca microcontroller principal, aceasta e responsabilă cu procesarea semnalelor de la senzori, controlul redării audio, comunicația Bluetooth și afișarea pe ecran.

Detectarea loviturilor se realizează cu două module IMU MPU-6050 montate pe vârful bețelor, conectate pe același bus I2C (SDA/PC4, SCL/PC5). Diferențierea lor se face prin pinul AD0: senzorul bâtei stângi are AD0 la GND (adresă 0x68), cel al bâtei drepte la 3.3V (adresă 0x69). Pe același bus I2C este conectat și ecranul LCD 16×2 (adresă 0x27), care afișează stilul curent și ultima lovitură detectată.

Redarea sunetelor este asigurată de două module DFPlayer Mini cu card SD, câte unul per bâtă, permițând redarea simultană și independentă a sunetelor. Comunicația se face prin SoftwareSerial: DF1 pe PD4/PD5, DF2 pe PD6/PD7. Pe liniile TX ale microcontrolerului spre RX-ul DFPlayer-elor sunt plasate rezistoare de 1kΩ pentru protecția intrărilor de 3.3V față de logica de 5V a ATmega-ului. Ieșirile audio DAC_R și DAC_L ale ambelor module sunt mixate pasiv prin rezistoare de 1kΩ și dirijate spre jack-ul TRRS 3.5mm prin rezistoare de 100Ω.

Transmiterea datelor despre loviturile detectate spre aplicația mobilă se realizează prin modulul Bluetooth HC-05, conectat pe PD2/PD3. Linia RXD a modulului este protejată printr-un divizor de tensiune 1kΩ+2kΩ.

În cadrul testelor a fost identificată și rezolvată o problemă de ground loop audio: alimentarea ATmega-ului din laptopul conectat la priză, simultan cu amplificatorul de chitară, genera un zgomot continuu cauzat de diferența de potențial dintre cele două mase. Soluția aplicată a fost alimentarea plăcii din telefon sau power bank. GND-ul jack-ului audio este rutat direct la GND-ul DFPlayer-ului, izolând masa de semnal audio de restul circuitului.

Mediu de dezvoltare:

• PlatformIO (VS Code) cu framework Arduino pentru ATmega328P
• Board: ATmega328P Xplained Mini, upload via xplainedmini programmer
• Monitor serial la 57600 baud pentru debug în timp real

Librării folosite:

• Wire.h — comunicație I2C nativă cu MPU-6050 #1, #2 și LCD
• SoftwareSerial.h — emulare UART pe pini digitali pentru DFPlayer #1, DFPlayer #2 și HC-05 Bluetooth
• DFRobotDFPlayerMini — librărie 3rd-party pentru controlul modulelor MP3 prin protocolul serial DFPlayer (comenzi play, stop, loop, volume, EQ)
• LiquidCrystal_I2C — librărie 3rd-party pentru controlul ecranului LCD 16×2 prin interfața I2C

Algoritmi și structuri de date:

Detectarea loviturilor se bazează pe o mașină de stări cu trei stări per bâtă (READY → DETECTING → COOLING), implementată în funcția process(). La fiecare iterație de 5ms, microcontrolerul citește accelerația brută de la MPU-6050 și calculează magnitudinea vectorului de accelerație (|dx| + |dy| + |dz|). Dacă aceasta depășește pragul HIT_THRESHOLD (6000 LSB, corespunzând la aproximativ 1.5g în modul ±8g), starea trece în DETECTING. În fereastra de detecție (6 samples × 5ms = 30ms), firmware-ul urmărește peak-ul pozitiv și negativ pe axa Y. Direcția loviturii (STANGA, MIJLOC, DREAPTA) se determină prin compararea celor două peak-uri la finalul ferestrei. Starea COOLING previne detectarea multiplă a aceleiași lovituri, cu un timeout de 250ms sau 2 samples calme consecutive.

Fiecare bâtă este reprezentată printr-o structură Bat care grupează adresa I2C, un pointer la instanța DFPlayer corespunzătoare, offset-urile de calibrare, starea mașinii și valorile de peak.

Sunetele redate depind de stilul activ (ROCK sau METAL), calculat dinamic ca offset față de numărul de fișier de bază: stilul ROCK folosește fișierele 1-3 pe ambele carduri, stilul METAL folosește fișierele 4-6 pe DF1 și 5-7 pe DF2.

LED-ul RGB este controlat printr-un algoritm de fade non-blocant bazat pe funcția stepTo(), care interpolează liniar valorile curente spre valorile țintă cu 8 pași per iterație (aproximativ 160ms per tranziție completă).

Surse și funcții implementate:

• mpu_init(addr) — inițializează MPU-6050: dezactivare sleep, configurare ±8g, DLPF 44Hz
• calibrate(bat) — calculează offset-urile de repaus prin medierea a 200 de samples la pornire
• mpu_read(addr, ax, ay, az) — citește cei 6 bytes de accelerometru prin I2C
• process(bat) — rulează mașina de stări de detecție pentru o bâtă
• classify(bat) — determină direcția loviturii, redă sunetul corespunzător, actualizează LCD, trimite date pe Bluetooth și setează culoarea LED-ului
• setLedColor(r, g, b) / updateLed() — controlul non-blocant al LED-ului RGB cu fade smooth
• setup() — inițializare hardware: LED, butoane, I2C, LCD, ambele DFPlayer-e cu debug complet, Bluetooth, MPU-uri, calibrare
• loop() — buton pauză/resume cu melodie pe loop, buton schimbare stil, procesare senzori, actualizare LED

Proiectul funcționează. Lovești în aer cu două bețe și se aude ca și cum ai fi un toboșar, doar că nu ești, și nici nu ai fi fără acest sistem.

Concret:

• Ambele bâte detectează corect direcția loviturii (stânga, mijloc, dreapta) în timp real
• Sunetele celor două bâte se redau simultan fără interferențe
• Schimbarea stilului între ROCK și METAL funcționează instantaneu
• LED-ul RGB confirmă vizual fiecare lovitură cu tranziții de culoare smooth
• Aplicația Android afișează în timp real toba lovită și vizualizatorul audio reacționează la fiecare impact
• Ecranul LCD afișează stilul activ și ultima lovitură detectată
• Butonul de pauză oprește detecția și pornește o melodie pe loop, util când vrei să te prefaci că știi să cânți la chitară

Scheletul produsului final:

Proiectul demonstrează că un instrument muzical de percuție virtual poate fi construit cu componente accesibile și un microcontroler de clasă entry-level. ATmega328P s-a dovedit suficient pentru a gestiona simultan două magistrale I2C, trei instanțe SoftwareSerial și un algoritm de detecție în timp real, fără întârzieri perceptibile.

Principalele provocări tehnice întâlnite au fost gestionarea conflictelor dintre instanțele SoftwareSerial, eliminarea ground loop-ului audio și calibrarea pragurilor de detecție pentru a obține un echilibru între sensibilitate și rata de detecții false. Fiecare problemă a fost diagnosticată și rezolvată iterativ direct pe hardware.

Ca direcții de dezvoltare ulterioară, sistemul poate fi extins cu un al doilea canal Bluetooth dedicat transmisiei audio wireless, înlocuirea SoftwareSerial cu hardware UART pentru o comunicație mai robustă și adăugarea unui mod de înregistrare a secvențelor de lovituri.

În ansamblu, proiectul acoperă cu succes noțiunile din laboratoarele de GPIO, UART, Timere/PWM și I2C, integrându-le într-un sistem funcțional și, cel mai important, unul pe care îl poți folosi efectiv la o petrecere dacă oamenii sunt suficient de politicoși să nu comenteze.

O arhivă (sau mai multe dacă este cazul) cu fişierele obţinute în urma realizării proiectului: surse, scheme, etc. Un fişier README, un ChangeLog, un script de compilare şi copiere automată pe uC crează întotdeauna o impresie bună . Fişierele se încarcă pe wiki folosind facilitatea Add Images or other files. Namespace-ul în care se încarcă fişierele este de tipul :pm:prj20??:c? sau :pm:prj20??:c?:nume_student (dacă este cazul). Exemplu: Dumitru Alin, 331CC → :pm:prj2009:cc:dumitru_alin.

Link github: https://github.com/cclaryc/Aero_Beat.git

• Săptămâna 1: Alegerea componentelor, testare conectivitate I2C cu MPU-6050
• Săptămâna 2: Implementare algoritm de detecție lovitură, calibrare pe axa Y
• Săptămâna 4: Integrare DFPlayer Mini, LED RGB, aplicație mobilă
• Săptămâna 5: Integrare Ecran LED, buton pentru schimbarea genului tobelor.
• Last 100m : Buton pentru pause/start, muzica de fundal pause

Resurse Hardware:

• MPU-6050 Product Specification — InvenSense
• MPU-6050 Register Map and Descriptions — InvenSense (RM-MPU-6000A)
• ATmega328P Xplained Mini User Guide — Microchip (DS50002659B)
• ATmega328P Datasheet — Microchip
• DFPlayer Mini Datasheet — DFRobot
• GY-521 Module Schematic
• HC-05 Bluetooth Module AT Command Set
• LiquidCrystal I2C — HD44780 Controller Datasheet

Resurse Software:

• Arduino Wire Library Documentation — https://www.arduino.cc/en/reference/wire
• Arduino SoftwareSerial Library — https://www.arduino.cc/en/Reference/SoftwareSerial
• PlatformIO Documentation — https://docs.platformio.org
• DFRobotDFPlayerMini Library — https://github.com/DFRobot/DFRobotDFPlayerMini
• LiquidCrystal_I2C Library — https://github.com/johnrickman/LiquidCrystal_I2C
• Android Bluetooth SPP Development — https://developer.android.com/guide/topics/connectivity/bluetooth
• ATmega328P PWM and Timer Registers — https://www.arduino.cc/en/Reference/AnalogWrite

Export to PDF