Музыкальная подсветка: микрофон и спектр на ленте

Гирлянда из первого урока раздела уже висела над столом, эффекты шли своим чередом, и оставалось последнее чудо — чтобы лента дышала вместе с музыкой. Я воткнул микрофонный модуль MAX4466 в A0, написал десять строк с analogRead и получил идеально ровную подсветку, которая не реагировала ни на голос, ни на колонку на полной громкости. Монитор порта показывал почти неизменное число около 512. Полчаса я подозревал брак модуля, потом провод, потом себя, пока не вспомнил физику: выход MAX4466 всегда сидит на середине питания — при 5 В это примерно 2,5 В, что после АЦП и есть 512, — а звук лишь качает это напряжение вверх и вниз. Мой код смотрел на среднюю точку и делал вывод «тишина», потому что размах между качаниями он не считал вообще. В этом уроке разбираем модуль, огибающую громкости, VU-метр на ленте и честно говорим про спектр: что из звука Uno вытаскивает, а что — нет.

MAX4466 — это электретный микрофон и усилитель на одноимённой микросхеме, собранные на готовой платке с тремя пинами: питание, земля, выход. Питание — от 2,4 до 5,5 В, сам модуль ест смешные 24 мкА, искажения — 0,05 %, то есть для Arduino он идеальный сосед. Главный орган — синий подстроечник на плате: им задаётся усиление, до 125 раз. Вывернете в минимум — лента не увидит даже крик; вывернете в максимум — сигнал упрётся в потолок 0 и 1023 при каждом слове, и размах потеряется так же, как при слабом сигнале. Настраиваю я его так: открываю Serial Plotter, говорю обычным голосом вполоборота и кручу отвёрткой, пока волны не займут треть-две трети экрана высоты. Пять минут — и модуль видит разговор с другого конца комнаты, но не спотыкается от хлопка ладонью в полуметре.

Второе, что нужно знать про выход: постоянная составляющая. В тишине на пине лежит половина питания, звук — это переменные качания вокруг неё. Значит, работать надо не с самим значением analogRead, а с его отклонением от 512. Отсюда и выросла моя первая цветомузыка: размах сигнала за короткое окно — это громкость, а громкость уже превращается в пиксели.

Как считается огибающая. За окно времени — 25–50 мс — набираем минимум и максимум всех выборок analogRead, размах vmax − vmin и есть уровень. Одно чтение АЦП на Uno занимает около 112 мкс (делитель 128 при 16 МГц), значит за окно 50 мс успевает около 440 выборок — с запасом на любую музыку. Чтобы столбик не дрожал как заячий хвост, добавляю пик-холд: если новый уровень больше старого — беру его сразу, если меньше — старый сам спадает на несколько процентов за кадр, и падение получается живым, как у стрелочного индикатора. Честная оговорка про частоту: при 9 килогерцах выборок Найквист — 4,5 кГц, поэтому басы и середина слышны отлично, а тарелки и шипящие живут выше — их Uno с голым analogRead не достанет, нужен FFT.

Гашение хвоста столбика я не пишу циклом — за меня это делает fadeToBlackBy, про которую мы подробно говорили в уроке про затухание. И вообще почти вся каркасная работа уже сделана в прошлых уроках: кадры рисуются по таймеру millis() из каркаса без delay, цвет выбирается по колесу оттенков. Нового здесь ровно одна идея — превратить переменное напряжение в число.

Две карты в этом скетче — его характер. Первая растягивает уровень в число горящих пикселей: диапазон 10–400 подобран под размах голоса при среднем усилении, тише 10 — молчим, громче 400 — горит вся лента. Вторая красит горящие пиксели от зелёного (оттенок 120) к красному (0) по мере роста уровня — глаз ловит цвет быстрее, чем длину столбика, и по одному взгляду видно, что стало громче. Диапазоны уровней у каждого свои: поменяйте усиление подстроечником — перепроверьте и 400, иначе столбик либо не доползает до конца, либо живёт в красной зоне.

Про спектр. Библиотека arduinoFFT ставится из Менеджера библиотек и превращает 64 выборки в 32 частотных бина; на Uno такое преобразование занимает единицы миллисекунд — при кадре 20–30 мс это заметная, но посильная доля. Дальше бины группируются в три полосы — низ, середина, верх — и каждая красит свой участок ленты: получается классическая «светомузыка из нулевых». В движок симулятора этого курса FFT не входит, поэтому в симуляторе ниже живёт огибающая — но логика уровней, пик-холда и раскраски там ровно та же, что в коде выше.

И про шум. Аналоговый вход чувствителен к тому, что творится на макетке: линия данных ленты гонит 800-килогерцовый поток бит и фонит, когда провода идут в одном жгуте с микрофоном. Я развёл их по разным сторонам макетки — наводки ушли. Земля у модуля должна быть общей с землёй ленты и платы, а конденсатор 1000 мкФ у питания ленты из урока про питание WS2812 полезен вдвойне: он не только спасает первый пиксель, но и сглаживает пульсации, которые иначе лезут в микрофонный вход. Если после этого в тишине столбик всё же подёргивается на единицы — это нормальный шум АЦП, порог 10 в map его полностью отрезает.