• Nume si prenume: Dichiseanu Mihnea
• Grupa: 334AB

Proiectul constă într-un sistem interactiv bazat pe Arduino, capabil să analizeze și să afișeze spectrul frecvențelor audio în timp real pe o matrice de LED-uri (8×32). Sistemul captează semnalul acustic prin intermediul unui microfon analogic și extrage componentele de frecvență utilizând transformata Fourier rapidă (FFT). Datele procesate sunt transmise către display prin interfața SPI, garantând un refresh rate optim pentru fluiditatea animației.

Când nu este folosit pentru muzică, dispozitivul poate fi trecut într-un mod de așteptare (Standby), unde funcționează ca un ceas digital și termometru, oferind informații despre mediul ambiant. Comutarea între funcția de analiză audio și cea ambientală se face simplu, prin acționarea unui buton fizic (declanșând o întrerupere sau o schimbare de stare).

Dispozitivul are trei moduri de functionare intre care utilizatorul comuta cu un singur buton:

1. Mod IDLE - matricea afiseaza ora curenta (citita de la RTC-ul DS1302) si temperatura (de la DHT11). Util cand nu se asculta muzica.
2. Mod Spectru Audio - microfonul preia semnalul ambiental, iar un FFT in 64 de puncte ii descompune continutul in benzi de frecventa care sunt apoi mapate pe cele 32 de coloane ale matricei LED.
3. Mod Ecran Interactiv - utilizatorul poate scrie orice cuvant sau propozitie si sa apara pe ecran.

Comutarea intre moduri se face printr-o singura apasare de buton, secvential. La pornire dispozitivul intra implicit in modul IDLE.

Mai jos sunt detaliate toate conexiunile dintre Arduino UNO si modulele externe. Toate componentele sunt alimentate la 5V si impart aceeasi masa (GND) cu placa Arduino.

• arduinoFFT.h - analiza spectrului prin transformata Fourier rapida
• DHT.h - citire temperatura de la senzorul DHT11
• RtcDS1302.h + ThreeWire.h - comunicare cu RTC-ul DS1302
• MD_MAX72xx.h - control pe coloana al matricei LED (necesar pentru spectru)
• MD_Parola.h - afisare text si animatii pe matrice (pentru ora si temperatura)
• SPI.h - magistrala SPI catre driverul MAX7219

Pentru modul Spectru Audio am avut nevoie de control fin pe fiecare coloana a matricei LED, motiv pentru care am ales MD_MAX72xx. Ea permite scrierea directa a unui byte per coloana, ceea ce este exact ce iti trebuie atunci cand vrei sa desenezi bare verticale dinamice: fiecare coloana corespunde unei benzi de frecventa, iar inaltimea ei se obtine in urma analizei FFT.

Pentru analiza propriu-zisa a semnalului am folosit arduinoFFT. Aceasta primeste 64 de esantioane preluate pe pinul A0, le aplica o fereastra de tip Hamming pentru reducerea artefactelor de margine si calculeaza apoi transformata Fourier. Modulul fiecarei componente complexe rezultate da amplitudinea benzii respective de frecventa.

In modurile IDLE (ceas + temperatura), unde am nevoie sa afisez text si nu mai trebuie control la nivel de coloana, am folosit MD_Parola, care este construita peste MD_MAX72xx si simplifica mult afisarea de mesaje, fonturi si animatii.

Pentru a evita reconstruirea fiecarei bare la fiecare frame, am declarat un vector spectralHeight[] care contine cele 9 valori binare posibile (de la 0 la 8 LED-uri aprinse pe coloana). Astfel, dupa ce stiu inaltimea unei bare, scriu direct byte-ul corespunzator pe coloana respectiva.

• citire semnal audio analogic pe A0
• eliminare DC offset (medie pe fereastra) inainte de FFT
• aplicare fereastra Hamming pentru reducerea leakage-ului spectral
• FFT pe 64 de puncte
• conversie complex → magnitudine
• eliminarea bin-urilor reziduale (DC si quasi-DC) care produc bare false
• mapare a primelor 32 de bin-uri pe cele 32 de coloane ale matricei
• gestionare moduri prin buton: la fiecare apasare se incrementeaza indexul modului

double sum = 0;
for (int i = 0; i < 64; i++) {
  realComponent[i] = analogRead(A0) / sensitivity;
  imagComponent[i] = 0;
  sum += realComponent[i];
}
 
// Scad media (DC offset-ul microfonului) pentru a evita
// artefactele de la primele bin-uri ale FFT-ului.
double avg = sum / 64.0;
for (int i = 0; i < 64; i++) {
  realComponent[i] -= avg;
}

Microfonul LM386 are pe iesire un semnal centrat pe ~Vcc/2, deci ADC-ul vede o valoare medie in jur de 512 (la 10 biti). Daca lasi acel offset, FFT-ul il “vede” ca pe o componenta de frecventa 0 foarte mare si bin-ul 0 (si partial 1) devine permanent saturat. Scaderea mediei rezolva exact aceasta problema.

FFT.windowing(realComponent, 64, FFT_WIN_TYP_HAMMING, FFT_FORWARD);
FFT.compute(realComponent, imagComponent, 64, FFT_FORWARD);
FFT.complexToMagnitude(realComponent, imagComponent, 64);
 
// Forteaza la zero bin-urile DC si quasi-DC, pentru siguranta.
realComponent[0] = 0;
realComponent[1] = 0;

• windowing aplica fereastra Hamming peste cele 64 de esantioane (reduce artefactele de margine).
• compute face FFT-ul propriu-zis.
• complexToMagnitude calculeaza sqrt(Re^2 + Im^2) pentru fiecare bin, deci amplitudinea acelei frecvente.
• fortarea la 0 a primelor doua bin-uri este o plasa de siguranta: chiar daca DC offset-ul nu este perfect eliminat numeric, primele doua coloane raman stinse cand nu exista sunet real.

for (int i = 0; i < 32; i++) {
  realComponent[i] = constrain(realComponent[i], 0, 80);
  realComponent[i] = map(realComponent[i], 0, 80, 0, 8);
  disp.setColumn(31 - i, spectralHeight[(int)realComponent[i]]);
}

• FFT-ul produce 64 de valori, dar pentru un semnal real doar primele 32 sunt utile (cealalta jumatate este oglinda).
• constrain taie valori excesive (orice peste 80 e zgomot puternic si oricum satureaza vizual).
• map aduce amplitudinea in domeniul 0..8, adica exact numarul de LED-uri pe care le pot aprinde pe o coloana.
• setColumn(31 - i, …) deseneaza bara: indicele este inversat fiindca matricea este oglindita fizic fata de directia de citire a FFT-ului.
• spectralHeight[k] este un cod binar pre-calculat (de exemplu 0b11111100 aprinde 6 LED-uri din 8 de jos in sus).

• Memorie utilizata: aproximativ 89%.
• Achizitia esantioanelor si FFT-ul ruleaza in bucla principala, cat mai des posibil, fara timer dedicat - pentru spectru vizual este suficient.

Proiectul functioneaza conform asteptarilor in ambele moduri. Matricea reactioneaza vizibil la muzica si voce, iar in modul IDLE ceasul si temperatura sunt afisate clar.

Initial am avut o problema vizibila in care primele doua coloane din matrice ramaneau aprinse chiar si in liniste totala (vezi imaginea de mai jos). Cauza era DC offset-ul ramas in semnalul ADC, care apare in FFT exact pe bin-urile 0 si 1. Dupa ce am scazut media semnalului inainte de FFT si am fortat la zero acele doua bin-uri, problema a disparut.

Pasul urmator este montarea finala intr-o carcasa care sa ascunda firele si sa dea proiectului un aspect mai prezentabil.

Per total, proiectul a fost in egala masura provocator si placut. Cea mai mare parte din timp a mers pe documentare - voiam sa fiu sigur ca nu ard ceva inainte de a alimenta vreun modul - dar in schimb partea efectiva de montaj a fost mai rapida decat mi-am imaginat.

Surpriza placuta a fost ca, desi am stat ore intregi cu firele si cu codul, mi-a placut procesul: de la debugging la rearanjarea cablurilor si la cititul de datasheet-uri. Pana acum credeam ca ma intereseaza doar partea de software, dar acum stiu ca imi place si latura de hardware a facultatii.

Posibile imbunatatiri pentru o versiune viitoare:

• inlocuirea DS1302 cu un DS3231 (mult mai precis si cu compensare termica)
• carcasa printata 3D pentru un look curat
• un microfon cu sensibilitate reglabila electronic
• mai multe moduri vizuale (animatii alternative, scheme de culori daca s-ar trece la matrici RGB)

Proiectul ramane o baza buna pe care pot construi mai departe, iar acum cand am toata partea hardware si software stabila, iterarile viitoare vor fi mult mai rapide.

Ceas_Multifunctional.zip

Hardware:

• MAX7219 Datasheet
• DS1302 RTC Datasheet
• Core Electronics - tutoriale module Arduino
• Tutorial 32-band Audio Spectrum Visualizer

Software:

• arduinoFFT library
• DHT Sensor Library
• RTClib
• Explicatie FFT pe Arduino