Glas Xylophon

Bild vom Glas-Xylophon

Inspiriert durch den Hackaday Artikel Arduino plays the glasses habe ich beschlossen, in der Vorweihnachtszeit ebenfalls ein Glas-Xylophon zu bauen. Ich verwende insgesamt 12 Weingläser und die Schlägel sind Holzperlen an Metallstäben, die von einfachen Modellbau-Servos angetrieben werden. Das Herzstück ist ein Sparkfun Pro Micro mit einem Atmel MEGA32u4 Microcontroller. Der MEGA32u4 hat einen integrierten USB2.0-Controller, so dass der Mikrocontroller von einem Betriebssystem als USB MIDI-Gerät erkannt werden kann. Alles ist auf einer 80 x 30 cm Regalbodenplatte angeordnet. Für einen zusätzlichen visuellen Effekt können die einzelnen Gläser von unten mit jeweils einer programmierbaren RGB-LED (WS2812b) angesteuert werden.

Platine mit Miktrocontroller für das Glas-Xylophon

Die Pro Micro Microcontroller haben sich beim Programmieren jedoch als etwas "zickig" herausgestellt. Das Programmieren über die USB-Schnittstelle aus der Arduino IDE heraus war sehr unzuverlässig. Am Ende habe ich die AVR ISP-Schnittstelle verwendet und als Programmiergerät kam einfach ein Arduino Uno zum Einsatz, auf den ich vorher die ArduinoISP Firmware aufgespielt habe. Eine gute Beschreibung dazu findet man hier auf der Arduino-Webseite. Trotzdem blieb ein Problem: Mein Programm auf den Microcontroller scheint nicht allein zu starten. Ich muss erst eine serielle Verbindung vom Computer zum Mikrocontroller aufbauen, dann läuft es los. Warum das so ist, verstehe ich nicht. [Update 2021/12/23: Kein Wunder, wenn man hinter dem Serial.begin() ein while(!Serial) stehen hat ...].

Der Quellcode für das Glas-Xylophon befindet sich hier auf meiner Github-Seite.

Die Schlägel des Glas-Xylophons sind Metallstäbe mit Holzkugeln als Köpfe, die von Servos angetrieben werden.

Mit der USB-MIDI Arduino-Bibliothek ist der Pro Micro im Handumdrehen in ein USB MIDI-Gerät (MIDI: Musical Instrument Digital Interface) verwandelt, welches MIDI-Kommandos (bspw. zum Spielen bestimmter Noten) empfangen kann. Die von den Servos angetriebenen Schlägel sind in der Software des Pro Micro einfach bestimmten Noten zugeordnet. Jedes MIDI NoteOn-Kommando für einen bestimmten Notenbereich (12 Noten, so viele wie Gläser bzw. Servos) triggert, dass das jeweilige Servo den Schlägel an das Glas schlägt und anschließend wieder in die Ausgangsposition zurückfährt. Ich habe die kleinen, schwachen 9g Modellbauservos genommen, die sehr günstig zu bekommen, nicht sehr laut und auch nicht zu kräftig sind, um das Glas zerstören zu können. Der Schlägel ist ein flexibler, leichter Draht mit einer Holzperle, um ebenfalls eine Beschädigung des Glases zu verhindern. 12 Servos würden eine Menge PWM-fähige IO-Leitungen am Pro Micro benötigen. Deshalb habe ich ein separates 16-Kanal PWM-Modul PCA9685 verwendet. Dieses Modul und der Pro Micro kommunizieren über I2C und das Modul hat ausreichend Ausgänge für alle Servos.

Die WS2812b LEDs waren kein besonderes Problem. Ich hatte noch ausreichend Einzelmodule herumliegen. Die einzelnen LEDs werden zusammen in Reihe an eine Datenleitung und dann an einen Pin vom Mikrocontroller angeschlossen. Über die Arduino FastLED Bibliothek ist die Programmierung der LEDs ein Kinderspiel.

Schaltbild zum Glas-Xylophon.

Auf meinem Computer habe ich den MIDI Sequencer Rosegarden installiert. MIDI Files bekannter Weihnachtslieder gibt es bspw. hier. Bei polyphonen MIDI-Files muss man sich natürlich zuerst den richtigen Track heraussuchen. Anschließend habe ich die Noten in der Matrix-Ansicht in den richtigen Notenbereich verschoben. Die Zwölf Gläser habe ich willkürlich den Noten C4 (c') bis B4 (h') zugeordnet. Viele Lieder hatten allerdings eine größere Noten-Dynamik als mir Töne auf meinem Glas-Xylophon zur Verfügung standen. Dann habe ich einfach einzelne Noten verschoben, um es "passig" zu machen. Die Schöpfer dieser Werke und alle Musikliebhaber mögen mir verzeihen ...

Am Ende müssen natürlich noch die Gläser gestimmt werden. Ich habe 12 identische Weingläser vom Discounter verwendet, die aber durch geringfügige Produktionsunterschiede unterschiedliche Eigenfrequenzen haben. Das habe ich ausgenutzt und die Gläser bereits vorsortiert. Die Gläser lassen sich jetzt durch Einfüllen von Wasser stimmen - je mehr Wasser, desto tiefer der Ton. Am besten eignen sich "bauchige" Rotweingläser. Ich habe festgestellt, dass die Wassermenge bis zu der Höhe, wo das Glas am breitesten ist, nicht wirklich hörbar zum Stimmen beiträgt. Nur das Wasser darüber im konischen Teil des Glases verändert die Eigenfrequenz hörbar. Ich hatte von Anfang an nur 12 Gläser und das letzte Glas mit dem tiefsten Ton war am Ende gut gefüllt. Füllt man das Glas zu stark, erhält man nicht einen satten, tiefen Ton sondern das Glas klingt nur "stumpf". Abgesehen davon, dass ich - wie gesagt - nicht mehr Gläser hatte oder auf dem Brett hätte unterbringen können, hätte ich wegen der beschränkten Füllmenge auch nicht wirklich viel mehr Töne realisieren können. Das Stimmen habe ich rein "nach Gehör" gemacht, also ohne Stimmgerät oder ähnliches.

Mit dem Endergebnis bin ich ganz zufrieden, auch wenn es sicherlich noch einiges zu verbessern gibt. Ich habe sogar noch ein 13. Servos vorgesehen, welches kleine Glöckchen bewegen kann und als Percussion geplant war. Dadurch geht mir aber das Timing kaputt. Ich habe schon eine Idee, wie ich das lösen könnte, allerdings ist das eine etwas umfangreichere Änderung der Software auf dem Pro Micro, für die ich vor Weihnachten keine Zeit mehr habe. Mich nervt auch der Workaround mit dem Starten des Terminal-Programms, bevor das Programm auf dem Mikrocontroller startet. Da ich den Pro Micro ja nun über die AVR ISP-Schnittstelle und nicht über USB prorammiere, benötige ich vermutlich den Bootloader von Sparkfun nicht mehr, den ich im verdacht habe. Aber auch das teste ich später mal. [Update 2021/12/23: Lösung, siehe oben im Text.]

Frohe Festtage und einen guten Start ins neue Jahr!