Micro:bit Theremin

Micro:bit Theremin on soitin, joka soittaa micro:bittiin koodattuja ääniä ultraäänisensorien ja käsien liikkeiden avulla. Äänimaailma on melkoisen pörisevä ja suriseva. Micro:bit Theremin mukailee Theremin-soitinta, joka on maailman vanhin elektroninen soitin. Äänimaailma on kuitenkin hyvin erilainen. Aidosta Thereministä lähtee kaunis uliseva sointi, mutta sellaista ääntä en onnistunut Micro:bit Thereminillä luomaan. Monenlaisia hauskoja ääniä sillä kuitenkin saa aikaan.

Projektin pystyy toteuttamaan myös yksinkertaisempana versiona ilman toista ultraäänietäisyysanturia ja breakout boardia. Englanninkielinen sivusto projektista, joka antoi paljon vinkkejä työn etenemiseen.

Toinen projekti, joka toimi inspiraation lähteenä, oli ultraäänisensoreilla ja Arduinolla toteutettu Theremino.

Micro:bit Theremin with two ultrasonic sensors. Inspired by Theremino and Ultrasonic distance sensor micro:bit theremin.

1. Micro:bit v2 ja paristopidin (2xAA)
2. SparkFun BreakOut Board
3. 6.3mm mono runkoliitin (Ei välttämätön, ellei halua kytkeä Thereminiä kitaravahvistimeen. Äänen saa kuuluviin myös pelkillä kuulokkeilla.)
4. Ultraäänietäisyysanturi HC-SR04 2kpl
5. Breadboard
6. Patterinpidike (3xAAA)
7. Hyppynaru uros-uros
8. Hyppynaru naaras-naaras 4kpl
9. Hyppynaru uros-naaras 6kpl
10. Hauenleukajohto 2kpl

Tutustutaan Micro:bittiin ja MakeCode editoriin tutoriaalien avulla. Niiden käyttö on melko helppoa, ja käyttöön totutellessa pääsee tutustamaan Micro:bitin erilaisiin ominaisuuksiin. Kokeile myös luoda erilaisia ääniä!

Kokeilujen jälkeen aletaan rakentaa koeversiota Thereministä. Theremin perustuu kahden ultraäänianturin ja käsien liikkeeseen. Ultraäänianturit tunnistavat, kuinka kaukana kädet ovat. Toinen anturi vaikuttaa äänenkorkeuteen ja toinen äänenvoimakkuuteen. Koeversiossa kytkemme vain äänenkorkeuteen vaikuttavan ultraääniaanturin ja etsimme koodaamalla kiinnostavia ääniä.

MakeCoden valikosta avataan "Advanced"-valikko (kuva 1) ja sieltä "Extensions", josta löytyy micro:bittiin liitettävät lisäosat. Sieltä löytyy ultraäänianturi eli "sonar"-niminen lisäosa (kuva 2). Sitä painamalla Sonar ilmestyy ohjelman valikkoon. Kuvan 3 avulla saa ultraäänianturin toimimaan. Kuvassa lisäohjeita ja kommentteja.

Neljännessä kuvassa kytkentäkaavio. Kytkennän voi toteuttaa myös ilman breadboardia, josta hauenleukasekasotkuinen esimerkki kuvassa viisi.

Kun olet tyytyväinen koodiisi, ota tarvikkeet esiin ja ala kytkemään!

I practiced with one ultrasonic sensor.

Kokeilujen jälkeen siirrytään tekemään lopullisia kytkentöjä kahdella ultraäänianturilla ja breakout boardilla (kuva 1). Breakout boardin avulla pinssejä on käytössä 22. GND, 0, 1 ja 2 kytketään samaan tapaan, kuin kokeilukerralla. Toisen ultraäänianturin Echo ja Trig laitetaan pinsseihin 15 ja 16.

Mieti ja kokeile, kuinka toisen ultraäänianturin saa reagoimaan äänenvoimakkuuten (ratkaisu kuvassa 2).

Kun olet saanut koko systeemin toimimaan, muokkaa ääniominaisuuksia mielesi mukaan. Kokeile esimerkiksi mitä tapahtuu, jos määritätkin soivalle äänelle tahdin (kuva 3) tai jos laitatkin micro:bitin soittamaan melodioita.

Oma Theremini on suunniteltu seisomaan mikrofonitelineessä, mutta koska micro:bitti tunnistaa liikkeen, voi sen ohjelmoida soittamaan eri nuotteja tai ääniä eri asennoissa (kuva 4). Ehkä teetkin Thereministäsi liikuteltavan!

Then I added another sensor.

Kun kytkennöt toimivat, ja olet päättänyt ainakin pääpiirtein Thereminisi toiminnoista, voit siirtyä prototyypin rakentamiseen. Koodia voi vielä palata muokkamaan ja parantamaan projektin missä vaiheessa tahansa, jos tarve vaatii.

Minkälaisen säilytyslaatikon, kuoren, koristelun, pidikkeen, ulkonäön haluat soittimellesi? Vain mielikuvitus on rajana! Onko valintasi kuusikulmainen boksi, kuten esimerkkiprojektissa? Boksi voi olla myös viisikulmainen tai nelikulmainen. Miksei tehdä kaksiulotteista figuuria, jonka takana kytkennöt on piilossa?! Kuuntele soittimesi ääntä, inspiroiko se johonkin tiettyyn suuntaan?

Piirrä suunnitelma ja rakenna prototyyppi!

I built a prototype from a box of oatmeal.

Halusin saada Therminini kiinnitettyä mikrofonitelineeseen, joten otin telineen pidikkeestä mitat ja mallinsin vastakappaleen Tinkercad-ohjelmalla.

Mihin haluat kiinnittää soittimesi? Vai seisooko se pöydällä? Vai haluatko tulostaa jotain muita osia, pidikkeitä pitämään hyppylankojasi kurissa yms.? Tai ehkä tulostat soittimeesi jonkin pienen koristeen, jos se ei pidikettä kaipaa?

Jos Tinkercadin käyttö ei ole tuttua, katso ohjeet täältä.

Kun mallinnuksesi on mieleinen, paina oikean ylänurkan nappi "Export". Tiedosto tallennetaan STL-muotoon. Tämän jälkeen tiedosto avataan Ultimaker Cura-ohjelmassa, jossa valitaan oikeanlainen 3D-tulostin, tarkistetaan oman työn mitat ja tulostuksen kesto. Tallenna tiedosto muistitikulle ja siirry 3D-tulostimelle. Laita tulostin päälle, muistitikku tulostimeen, valitse oma tiedostosi ja paina "Print".

Tulostusta kannattaa seurata lähimailla, jos jotain odottamatonta tapahtuu.

I 3D printed a holder that goes with my microphone stand.

Ulkokuoret voi mahdollisuuksien mukaan leikata vaikka laserleikkurilla, mutta käsityövälineet ajavat myös asian. Jos teet kevyen laatikon ohuesta vanerista, sormiliitokset ovat hyvä tapa pitää boksi kasassa. Jos teet kuoret liimalevystä, tappiliitokset on helppo toteuttaa. Lehtisahalla voit leikata puukappaleesi muotoon, jos olet päättänyt tehdä figuurin.

Mieti itsellesi sopivin materiaali ja toteutustapa.

Omaan Theremin-laatikkooni käytin pyörösahaa seiniin, lehtisahaa ja nauhahiomakonetta kanteen ja pohjaan, japaninsahaa, talttaa ja kuminuijaa sormiliitoksiin. Elektroniikkaosien upotuksiin käytin pylväsporakonetta ja lehtisahaa.

Työ kannattaa suunnitella ja mitata tarkasti, jotta sitä ei tarvitse tehdä kahdesti. Elektroniikkaosat pitää myös mitata tarkasti, jotta upotuksista tulee oikean kokoiset. Muutama milliä upotuksissa kannattaa olla ylimääräistä, jottei aukot ole liian tiukkoja.

Ja töihin!

I built a hexagonal box from plywood.

Thereminin koristelut tein Roland tarraleikkurilla, jolla saa hyvinkin pikkutarkkaa jälkeä. Mustan tarran ja puun kontrasti on näyttävä ja hieno. Puun voi toki maalatakin ennen tarrojen asettamista, jos niin haluaa.

Piirrä haluamasi koristelut joko paperille tai suoraan koneelle (tässä vaiheessa voi käyttää mitä vaan ohjelmaa Paintistä Inscapeen). Kun suunnitelmasi on valmis, tuo se Incskape-ohjelmaan (Tiedosto --> Avaa --> Etsi tiedostoista oma kuvasi). Paina kuvasi aktiiviseksi ja valitse ylävalikosta Polku --> Jäljitä bittikartta (Shift+Alt+B).

Lisää ohjeita kuvassa 2.

Nyt kuvasi on vektoroitu. Kun siirrät kuvaa työpöydällä, huomaat alkuperäisen kuvan vektoroidun alla. Sen saa poistaa. Vektoroitua kuvaa pystyy vielä tässä vaiheessa muokkamaan halutunlaiseksi. Kun olet tyytyväinen, tallenna kuva nimellä ja varmista, että tiedostomuoto on SVG. Siirrä muistitikulle ja siirry Roland vinyylileikkurille.

Aseta teippirulla Rolandiin ja käynnistä leikkuri. Laita muistitikku tietokoneesee ja avaa kuvasi Incskapessa. Lähetä kuva CutStudio ohjelmaan. Varmista, että mitat ovat oikein. Paina ylävalikon "Cutting"-painiketta. Leikkuri alkaa leikkaamaan kuvaasi ja se pysähtyy valmistuessaan. Paina "Enter" ja leikkaa työsi mattopuukolla uraa pitkin irti.

Sitten teippaamaan.

Varmista, että vaneri-/puuosasi ovat puhtaat pölystä yms. liasta. Suunnittele, kuinka liimaat tarrat työhösi. Leikkaa saksilla tarroista oikean kokoiset, ellei Roland tehnyt sitä puolestasi. Liima tarrat huolellisesti painaen. Mahdolliset ilmakuplat voi puhkaista neulalla. Neula on myös kätevä apuri, jos tarrat eivät tunnu irtoavan arkista.

Oma koristelukuvioni oli niin pikkutarkka, että tarrojen irroittaminen yhdellä kertaa oli mahdotonta. Päätin liimailla tarroja pala kerrallaan - lopputuloksesta tuli hienompi kuin alkuperäinen suunnitelmani, joten kuvion hankaluus olikin lopulta onnekas vahinko!

Happy little accidents with the sticker decoration.

Mieti, missä järjestyksessä kokoaminen on kannaltasi paras.

Itse kiinnitin elektroniikkaosat seiniin ennen liimausta, mutta kytkin ne toisiinsa vasta kun liimaus oli kuivunut. Käytin seinissä 3mm vaneria, joten osa ruuveista olisi tullut seinästä läpi, ellen olisi laittanut pahvia väliin. Väliin olisi yhtä hyvin, tai ehkä paremminkin, voinut laittaa pieniä vanerinpalasia.

Muista antaa liiman kuivua hyvin!

Nyt kaikki alkaa olla valmista, joten tarkista, että koodisi toimii ja on mieleinen.

Kuvissa oma lopullinen koodini.

Then I put it all together.

Sitten soittamaan!

And this is what it sounds like.

Projektin kokonaiskestoksi on arvioitu 20h.

1.Koodaus ja suunnittelu 4h

Materiaalit: Micro:bittejä paristonpidikkeillä, micro USB-kaapeleita, hauenleukajohtoja, hyppynaruja, breadboardeja, kuulokkeita/kaiuttimia

Micro:bittiin ja MakeCodeen tutustumiseen on varattu 4h. Micro:bitissä on paljon hauskoja ominaisuuksia, ja tutoriaalien teko imaisee mukaansa.

Harjoituksia voi tehdä yksin tai pareittain.

2.Theremin kahdella ultraäänianturilla 2h

Materiaalit: Katso kohta Supplies

Koodia on mahdollista tehdä vaikka ja kuinka paljon, joten siitä innostuneita oppilaita voi kannustaa tekemään koodia myös kotona.

Theremin-projektin voi toteuttaa tarvittaessa myös yksinkertaisempana yhdellä ultraäänianturilla. Jos hyppylangat ei ollenkaan pysy oppilaan hyppysissä, projekti voi olla hyvä toteuttaa ilman ultraääniantureita. Micro:bittiin saa paljon muitakin musiikillisia ominaisuuksia. Esimerkiksi soitin, joka soittaa eri nuotteja eri asennossa, voi olla hauska projekti.

Tällä tunnilla olisi tärkeä saada kytkennät valmiiksi, jotta seuraavan tunnin prototyypin valmistaminen voi jouhevasti alkaa.

Thereminin kytkeminen kitaravahvistimeen ei ole pakollista, mutta antaa kyllä äänimaailmalle paljon lisäpotkua.

3.Prototyypin rakentaminen 2h

Materiaalit: Pahvia (jämä-/kierrätyspahvi käy hyvin), maalarinteippiä, paperia, kyniä, saksia, viivottimia

Prototyypin rakentamisessa oppilaan mielikuvitus saa lentää. Kannattaa kuitenkin pysyä jossain aisoissa, sillä varsinaisen työn rakentamiseen on varattu vain 4h.

Jos oppilas haluaa tehdä laatikon sormiliitoksilla, olisi hyvä, että hänellä on siitä aikaisempaa kokemusta.

Jos puutyöt eivät ole oppilaan vahvuus, kaksiulotteisen figuurin ja sen pystyssä pitävän telineen tekeminen voi olla hyvä vaihtoehto.

4.3D-tulostus 2h

Materiaalit: Muistitikkuja, viivottimia

Kaikki oppilaat eivät ehdi tällä tunnilla tulostamaan, joten seuraavilla tunneilla on pidettävä huoli, että tulostin olisi tuntien aikana käytössä.

Jos oppilas ei tarvitse työhönsä pidikettä, voi hän tulostaa työhönsä koristeen yms.

5.Ulkokuoret 4h

Materiaalit: Vaneria, puutavaraa, liimaa, teknisen työn tilat työvälineineen

Ulkokuorien tekoon varattu aika on melko lyhyt. Kannattaa ennen tuntia varmistaa, että oppilailla on suunnitelmat selkeät, jotta työskentely on mahdollisimman tehokasta.

6.Tarrakoristelu 2h

Materiaalit: Tarrarulla, mattopuukko, saksia, neuloja

Myös tällä tunnilla on tärkeää, että oppilailla on koristeistaan suunnitelmat valmiina. Kaikki toki eivät pysty vinyylileikkuria samaan aikaan käyttämään, joten myös tunnilla piirtäminen/suunnitteleminen onnistuu.

Jos vain mahdollista, tätä tuntia kannattaa limittää ulkokuorien teon ja kokoamisen ja viimeistelyn kanssa.

Oppilaat voivat tulostaa pienryhmissä, jolloin myös materiaalin käyttö saadaan mahdollisimman tehokkaaksi.

7.Kokoaminen ja viimeistely 2h

Tässä vaiheessa kaikilla on toivottavasti työ loppusuoralla.

8.Työn ihailu ja Micro:bit Thereminin soittaminen 2h

Viimeisetkin viimeistely valmiiksi.

Thereminien valmistuttua itsearviointi on paikallaan.

Myös suriseva konsertti olisi upea - huoneen täydeltä onnistuneen projektin pörinää!

Notes for teachers.