Elektroniikka ja ohjelmointi

Johdanto

Tehtävä: rakenna valoon reagoiva soitin ja keksi hyvä tapa soittaa sitä

Luvun 3 teemana on havaitseminen - ja tätä onkin oikeastaan jo harjoiteltu aiemmissa tehtävissä, joissa olet käyttänyt arkiympäristön esineitä ja materiaaleja hyväksi. Nyt tutustutaan siihen, kuinka Arduinolla havainnoidaan ympäristön tapahtumia - antureiden avulla!

Tällä viikolla tehdään elektroninen soitin, jota soitetaan valolla ja varjolla. Samalla harjoitellaan anturien kytkemistä ja ohjelmointia, selvitellään mitä ovat muuttujat ja kuinka Arduinosta saadaan ääntä ulos. 

Kun soitin toimii, jatketaan vielä havainnoinnin parissa.  Millaiset ilmiöt ympäristössäsi tuottavat soittimen soitteluun sopivia varjoja? Millaiset valon ja varjon vaihtelut tuottavat kiinnostavaa ääntä?

Huom: Tässä tehtävässä voit itse päättää, haluatko painottaa ratkaisussasi ohjelmointia, rakentelua vai molempia. Hyödynnä soittimen viimeistelyssä sitä osa-aluetta joka sinua kiinnostaa eniten! 

Tältä theremin kuulostaa:

Tarvikkeet

Arduino UNOn / Mehackit Maker boardin, kytkentälevyn, kytkentäjohtojen ja USB-johdon lisäksi tarvitset:

Osa	Kuva	Selitys
Piezo-kaiutin		Piezoa käytetään äänten tuottamiseen. Jotkut piezot voivat myös toimia mikrofonina. Huom: Mehackit Maker Kitin piezo on harmaa pyörylä.
Vastus 10 kΩ		Vastus vastustaa sähköenergian virtausta virtapiirissä. Vastuksen arvo eli sähkövastus mitataan ohmeissa (Ω) ja ilmoitetaan komponentissa eri värisinä raitoina. 10 kilo-ohmin vastuksessa on ruskea, musta, oranssi ja kullanvärinen raita
LDR eli valovastus		LDR (Light-dependent resistor) eli valovastus vastustaa virran kulkua sitä enemmän, mitä pimeämpää on.
		Joissain kiteissä on LDR:n sijaan komponentti nimeltä fototransistori (phototransistor). Tämä komponentti toimii harjoituksessa yhtä hyvin kuin LDR! Fototransistorissa on pitkä jalka ja lyhyt jalka: pitkä kytketään kohti 5V jännitettä ja lyhyt kohti maata eli GND-porttia.

Kytkentä

• Portit A0-A5 ovat antureille tarkoitettuja portteja, joiden kautta luetaan anturien välittämää tietoa ympäristöstä.
•  Valovastuksen resistanssi on iso kun on pimeää, ja pieni kun on valoisaa. Arduino mittaa portista A0, kuinka virtapiirin jännite vaihtelee valon mukaan.
• Portti 5V syöttää koko ajan 5 voltin jännitettä virtapiiriin: anturin täytyy saada jännitettä, jotta se toimii.
• Myös piezo tarvitsee jännitettä, jotta se toimii. Piezon tarvitsema jännite otetaan portista 9, jota voi laittaa ohjelmoimalla päälle ja pois.

Tältä kytkentä näyttää piikkijalkaisen piezon kanssa:

Ohjelmointi 1/4

Lataa ohjelma Arduinolle ja tutki, millaisia lukemia sarjamonitoriin ilmestyy kun liikutat kättä LDR:n edessä tai kohdistat LDR:ään kirkasta valoa.
Sarjamonitorin saa auki suurennuslasista ikkunan oikeassa yläkulmassa:

Mitä uutta ohjelmassa on?

• int valo; 
  Tässä luodaan *muuttuja, *jonka nimeksi on annettu valo. Muuttujat ovat varastoja, joihin talletetaan tietoa kuten numeroita. Int tarkoittaa muuttujan *tyyppiä - *tämä muuttuja on integer (int) eli kokonaisluku. Arduinolla muuttujat luodaan usein heti ohjelman alussa, jolloin niitä voi käyttää ihan missä kohtaa ohjelmaa vain. Voit itse päättää muuttujan nimen, mutta jotenkin kuvaava nimi on fiksu. Muuttujaa tarvitaan, jotta valoanturin lukemaa on helppo käsitellä eri kohdissa ohjelmaa.
• Serial.begin(9600); Komento käynnistää sarjaliikenteen Arduinon ja tietokoneen välillä. Tämä tehdään vain kerran, eli komennon paikka on setup-osassa. Nyt tietokoneella voidaan tarkastella Arduinosta saatavaa tietoa. Tällä kertaa halutaan tutkia valovastuksen arvoja. 
• valo = analogRead(A0);  analogRead-komennolla luetaan anturidataa. Käytännössä Arduino mittaa portista A0 jännitteen vaihtelua. Arduino esittää anturidatan numerolla, joka voi saada arvoja välillä 0-1023. 
• Serial.println(valo);Tällä komennolla muuttujan valo arvo tulostetaan sarjamonitoriin, jotta sitä voi tarkastella tietokoneella. Lukemia tulee koko ajan lisää. Tämä johtuu siitä, että komento on loop-osassa, jota suoritetaan tosi nopeasti uudelleen ja uudelleen. 

Ohjelmointi 2/4

Lataa ohjelma Arduinolle ja tutki, kuinka valo vaikuttaa äänenkorkeuteen.

Mitä uutta ohjelmassa on?

• int aani; 
  Soittimen sävelkorkeudelle luodaan kokonaislukumuuttuja ohjelman alussa.
• pinMode(9, OUTPUT); Määritellään portti 9 ulostuloksi setup-osassa.
• aani = valo-100; Annetaan aani-muuttujalle arvo, joka riippuu valon määrästä. valo-muuttujan arvosta vähennetään 100, jotta ääni olisi vähän matalampi.
• tone(9, aani);
  Tone-komentoa käytetään, kun Arduinolla halutaan soittaa ääntä piezo-kaiuttimesta. Komennossa kerrotaan, mikä portti on käytössä sekä kuinka korkea ääni soitetaan. 
  Jos aani-muuttujan arvo on vaikkapa 440, Arduino laittaa portin 9 päälle ja pois 440 kertaa sekunnissa. Tällöin piezo-kaiutin värähtelee 440 hertsin (Hz) taajuudella ja tuottaa kuultavan äänen. Ihmisen kuuloalue on oikein hyväkuuloisella n. 20-20 000 Hz.
  Lue halutessasi lisää tone-komennon toiminnasta Arduino Referencestä

Kokeile seuraavia juttuja:

• Liikuttele kättäsi LDR:n edessä, kohdista kirkasta valoa LDR:ään.
• Muuttele aani-muuttujaa -  vaihda kohtaan valo-100 esimerkiksi jokin seuraavista laskukaavoista:
  valo+500
valo
valo*0.1
valo*2
valo/4
  Kun muutat aani-muuttujaa, muista ladata ohjelma uudelleen Arduinolle, jotta muutos tulee voimaan! Huom. Jos vähennät valosta kovin ison luvun, saatat saada ohjelman jumiin. Arvaatko miksi? Saa kokeilla! 
• Nykäise piezon johto tai USB-johto irti kun ääni alkaa ärsyttää :)

Ohjelmointi 3/4

Lataa ohjelma Arduinolle ja tutki, kuinka soitin toimii nyt.

Mitä uutta ohjelmassa on?

• if (valo < 600)If-lauseessa määritellään kynnysarvo: ääntä kuuluu vain, kun valoa on alle 600. Arduino suorittaa if-lauseen sisällä (eli { ja } merkkien välissä) olevia, ääntä tuottavia komentoja niin kauan kuin ehto pitää paikkansa. Huom: Katso sarjamonitorista, millaisia valolukemia juuri sinun ympäristössäsi tulee ja muuta kynnysarvoa sopivaksi! 
• noTone(9);Tämä käsky vaientaa Arduinon portin 9. Se on laitettu kahteen paikkaan: sitä käytetään taukojen tekemiseen kun soitinta soitellaan varjoilla, ja koko soittimen vaientamiseen silloin kun valoa on kynnysarvoa enemmän (eli ohjelman else-osassa).
• delay(50);
  Delay aiheuttaa ohjelman suoritukseen viivettä, ja sitä voi käyttää nuottien keston ja nuottien välisten taukojen määrittelyyn. Delayn arvot ovat millisekunteja. 

Kokeile seuraavia juttuja:

• Muuttele delay-arvoja, varjosta ja valaise LDR:ää.
  Kokeile esim. miltä kuulostaa kun molemmat delay-arvot ovat alle 10, toinen on 1000 ja toinen alle 10 - yritä saada aikaan oikein nopeita sekä hitaampia rytmejä!
• Muuta if-lauseen kynnysarvoa tarvittaessa. Ehkä haluat kääntää ehdon päinvastoin: valo > 600?
• Muista ladata ohjelma Arduinolle, kun olet muuttanut koodia, jotta kuulet muutokset äänessä.

Extra (kokeile jos haluat):

• Saatko muutettua myös delay-arvoja niin, että ne riippuvat valon määrästä? 

Ohjelmointi 4/4

Lataa ohjelma Arduinolle ja testaa kuinka se toimii nyt.

Mitä uutta ohjelmassa on?

• map(valo, 0, 1023, 50, 3000); Map-komennolla muutetaan jokin arvo yhdeltä lukuasteikolta toiselle.  Tässä anturilukema muutetaan väliltä 0-1023 välille 50-3000 hertsiä. Komento tarvitsee 5 lukemaa, jotta se toimii:
  • arvon joka skaalataan (valo-muuttuja),
  • pienimmän arvon joka valo-muuttujalla voi olla,
  • suurimman arvon joka valo-muuttujalla voi olla,
  • pienimmän hertsiluvun, joka äänelle halutaan antaa sekä
  • suurimman hertsiluvun, joka äänelle halutaan antaa.

Kokeile:

• Muuta äänenkorkeuksien ylä- ja alarajaa.
  Jos haluat että soitin soi matalammalta, kokeile esim:
  map(valo, 0, 1023, 30, 800); // 30 - 800 hertsin ääni
• Anturit eivät välttämättä tuota ihan kaikkia arvoja välillä 0-1023. Katso sarjamonitorista, mitkä näyttäisivät olevan  valon pienin ja suurin arvo, noin suurin piirtein.  Jos et esim. saa anturista pienempiä lukemia kuin 100 tai suurempia kuin 900, kannattaa kirjoittaa
  map(valo, 100, 900, 50, 2000);
• Voit myös kääntää skaalan toisin päin - isoista anturilukemista skaalataan pieniä hertsilukuja ja päin vastoin:
  map(valo, 100, 900, 2000, 50);

Soittotekniikka haltuun!

Look Mum No Computer käyttää samaa LDR-komponenttia omassa syntetisaattorissaan, ja soittaa sitä fidget spinnerillä (spinner toimii muuten Arduino-soittimen kanssa myös!):

Mitä voi kokeilla:

• isot valon vaihtelut: jos näet selvästi soittimeen osuvat varjot, vaihtelua on helpompi ennakoida ja aiheuttaa. Kokeile kohdevaloa!
• voiko soitinta soittaa luonnonilmiöillä - paistaako aurinko, heiluuko oksa tuulessa sopivasti?
• Valoa tuottavat laitteet - kuinka soitin toimii jos sen vie lähelle telkkaria? Entä kännykkää? LED-kynttilää? Huom: jos haluat, että soitin soi kirkkaassa valossa eikä varjossa, käännä if-lauseen ehto: valo 600. Tarkista myös sarjamonitorista, millaisia lukemia kirkas valo tuottaa ja muuta kynnysarvoa tarvittaessa.
• Jos kytket Arduinoon 9V pariston, voit liikutella soitinta paikasta toiseen helpommin! Ehkä soitin voisikin olla kiinni repussa tai polkupyörässä?

Huom: Tässä tehtävässä voit valita, satsaatko ohjelman hienosäätöön vai rakenteluun ja materiaaleilla värkkäykseen - kunhan kokeilet muutamia vaihtoehtoisia soittelutekniikoita.  

Lisätietoa

Vieläkö haluaisit kehitellä soitinta? Lisää potentiometri ja muuttele sillä vaikkapa delay-arvoja!

Jos taas piipitys ottaa pannuun, kytke potentiometri piezon ja portin 9 väliin. Potentiometrin resistanssi muuttuu nuppia kääntämällä, ja sillä saa vaimennettua piezon ääntä ihan ilman ohjelmointia.

Vinkkejä syventävää materiaalia kaipaaville

Voit tutustua Mehackitin kurssimateriaalin Arduino-projekteja Maker kitillä haastavampiin tehtäviin. Mm. seuraavat tehtävät  laajentavat viikkotehtävän aihepiiriä:

Luku 4: Koko maailman aistiminen

• Hämäräkytkin
• Sähkönjohtavuustesti
• Etäisyyteen reagoiva soitin
• Kädellä ja kosketuksella ohjattava valo

Jos et koe olevasi valmis hyppäämään suoraan näihin tehtäviin, voit käydä pohjustukseksi läpi myös luvun 3 materiaaleja.

Ongelmanratkaisu

Eikö Arduino toimi niin kuin halusit? Ei hätää - tämä on ihan tavallista myös kokeneille Arduino-värkkääjille. Käy läpi seuraava tarkistuslista, yleensä vika on jokin näistä!