Musik mit Mikrocontrollern

Elektronisches Glockenspiel und Midi-File Parser

Inspiriert von unzähligen ähnlichen Projekten, die im Netz zu finden sind, entstand die Idee ein eigenes, mikrocontroller-gesteuertes Glockenspiel zu bauen.

Maßgeblich entscheidend bei Design und Planung waren die ziehenden Elektromagnete, die ich zuvor als Restposten in größerer Anzahl zu einem Spottpreis in einem Internetshop ergattern konnte. Die Magnete ziehen die Holzschlägel, die drehend auf einer Stahlwelle gelagert sind, auf die Klangplatten des Glockenspiels. Eine Feder um den Dorn des Zugmagnetes sorgt dafür, dass der Schlägel wieder nach oben gedrückt wird.
Auf dem Foto seht ihr einen provisorischen Aufbau um die Mechanik zu testen:

Dann geht es an den Aufbau! Das fertige Gerät soll aus zwei identischen, offenen “Kisten” bestehen, in denen jeweils ein Glockenspiel untergebracht ist. Die beiden Hälften werden dann mit Scharnieren verbunden, so dass sie wie ein Koffer zusammengeklappt werden können.
Zunächst wird das Glockenspiel auf ein passendes Holzgestell montiert:

Die Zugmagnete werden seitlich, durch eine parallele Holzleiste, neben dem Glockenspiel eingeklemmt. Eine dünne Holzleiste, rechts unter den Magneten, verhindert, dass diese herausfallen.
Da die Magnete leider zu breit sind, um neben zwei benachbarten Klangplatten montiert zu werden, habe ich mich entschieden, die Schlägel abwechselnd auf beiden Seiten des Glockenspiels zu montieren.

Der außenliegende Holzrahmen hält alles zusammen. Sämtliche Verbindungen werden mit Holzdübeln und Leim zusammengehalten.
Über die Zugmagnete kommt dann noch eine dünne Abdeckung aus 4mm Multiplex mit passenden Löchern für die Metallstifte.

Die Leimverbindung wird zusammengepresst
Ansicht von unten: Unter Glockenspiel und Magneten bleibt genug Platz für Elektronik und Verkabelung

Elektronik

Die Steuerung übernimmt ein Attiny2313. Die Magnete werden jeder über einen eigenen Mosfet (FDN 5630) geschaltet. Zur Spannungsversorgung setze ich einen LM 1086 IT-5.0 ein. Dieser stört sich nicht an der hohen Eingangsspannung von 24V, die für die Zugmagnete benötigt wird.
Die Steuersignale kommen später über die serielle Schnittstelle. Um hier eine Baudrate von 115200 zu erreichen, setze ich einen Quarz mit 9,2160 Mhz ein.

Die Platinen habe ich gefräst:

Und so sieht das ganze dann eingebaut aus. In der Außenwand sind eine Stromversorgungsbuchse und eine USB-Buchse eingeklebt. Ein USB-UART-Controller sorgt für die Anbindung zum Computer.

Schlägel

Die Schlägel werden mittels eines Kunststoffhalters auf eine Stahlwelle geschoben. Das Kunststoffteil stammt aus dem 3D-Drucker.
Die Welle wird anschließend neben dem Glockenspiel montiert. Die Zugmagnete werden mit Hilfe eines einfachen Drahtes an den jeweiligen Schlägeln montiert.

Wie Eingangs erwähnt, besteht die Kiste aus zwei, weitestgehend identisch aufgebauten Hälften. Hier seht ihr nun beide zusammen.
Auf jedem Glockenspiel werden 10 Töne angeschlagen. Zusammen ergibt sich so eine chromatische Reihe von C4-G5.

Hier die Ansicht von unten. Die Elektronik ist weitestgehend identisch. Stromversorgung und das TX-Signal des USB-Controllers werden von der linken zur rechten Seite durchgeschleift. Die entsprechenden Buchse sind daher nur in der linken Hälfte verbaut.
Durch die angebrachten Scharniere lässt sich das Ganze zusammenklappen. Hier mit bereits montierten Bodenplatten

Zuletzt kommen dann noch Leisten über die Schlägel, die als Anschlag nach oben dienen. Wie sich bei ersten Tests zeigte, ist dies nötig, da die Schlägel sich sonst beim Hochspringen verklemmen bzw. der Abstand sonst zu groß ist, um ein schnelles Spiel zu ermöglichen. Unter den Holzleisten sind Filzstreifen aufgeklebt, um ein lautes Anschlagen zu verhindern.

Software

Die Firmware der verbauten Mikrocontroller ist sehr einfach gehalten. Sie lauschen auf den RX-Pin der UART-Schnittstelle und spielen die Töne an, die vom Computer übertragen werden. Die unteren 5 Bits jedes gesendeten Bytes codieren eine entsprechende Note. Mittels der oberen Bits wird die Stärke des Anschlages bestimmt. Hiervon abhängig ist die Länge, bzw. die Intensität des PWM-Signals, die der entsprechende Elektromagnet bekommt.
Zur Steuerung vom Computer aus, habe ich dann noch ein kleines QT-Programm geschrieben. Hier gibt es für jede verbaute Klangplatte einen Button, über den diese angeschlagen werden kann.
Darüber Hinaus habe ich einen kleinen Midi-Parser geschrieben. So ist es möglich, midi-Dateien zu öffnen und auf dem Glockenspiel wiederzugeben. (Nur das erste Instrument (1.Track) wird abgespielt.) So lassen sich sehr einfach mit gängigen Programmen Musikstücke für das Glockenspiel komponieren.

Screenshot der Desktopanwendung

Fertig!

Und so sieht das ganze dann in Aktion aus:

Video

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