Arduino-basierter MIDI-Schrittmotor-Synthesizer

Komponenten und Zubehör

Komponente	Menge	Hinweis
Arduino UNO	1	Andere Arduino-Boards mit mehr I/O möglich
A4988 Schrittmotortreiber	4
Arduino CNC Shield V3	1	Optional, erleichtert Verdrahtung der A4988
12V 6A Netzteil	1	Für die Schrittmotoren
NEMA 17 Schrittmotor (OpenBuilds)	4

Benötigte Werkzeuge & Maschinen

• 3D-Drucker (optional, für Halterungen)

Projektbeschreibung

Inspiriert von Floppy-Drive-Musik, bei der Schrittmotoren Töne erzeugen, wurde ein eigener MIDI-Schrittmotor-Synthesizer entwickelt. Ziel war ein einfacher, erweiterbarer Code, der MIDI-Daten in Motorbewegungen umsetzt.

Gesamtprozess

Kernaufgabe: MIDI-Daten empfangen, in Schrittfrequenzen umrechnen und mehrere Motoren simultan ansteuern.

MIDI-Daten extrahieren

Die Arduino MIDI-Bibliothek interpretiert eingehende MIDI-Nachrichten (Note On/Off, Kanal) und leitet sie an die Steuerfunktion weiter.

Schrittmotoren steuern

Die A4988-Treiber benötigen nur STEP und DIR. Da die Drehrichtung den Ton nicht beeinflusst, wird DIR fest auf LOW (oder GND) gelegt. Ein digitalWrite auf STEP erzeugt einen Schritt. Mikroschritt-Auflösung beeinflusst die Laufruhe, nicht die Tonhöhe.

Herausforderung: Gleichzeitige Ansteuerung

delay() blockiert und verhindert paralleles Spielen. Stattdessen wird micros() genutzt, um für jeden Motor individuell den nächsten Schrittzeitpunkt zu berechnen. Geschwindigkeiten werden in Arrays gespeichert (Index = Motornummer = MIDI-Kanal). So lassen sich beliebig viele Motoren durch Vergrößerung der Arrays hinzufügen.

Geschwindigkeitsberechnung

Ein Test mit 440 Hz (A4) auf dem STEP-Pin erzeugte den passenden Ton. Da die Steuergröße die Periodendauer in Mikrosekunden ist, wurden die MIDI-Notenfrequenzen in Perioden umgerechnet und in einem Array pitchValues abgelegt (Index = MIDI-Notennummer). Wert 0 bedeutet Stopp.

Array statt Formel erlaubt volle Kontrolle über den spielbaren Tonumfang und Korrektur von Resonanzen. Beim Autor lag die Resonanz bei ca. F3; die Noten E3, F3, F#3 wurden um eine Oktave verschoben. (Test mit „Tune Stepper.ino“).

USB-MIDI-Gerät erstellen

Damit der Arduino als USB-MIDI-Gerät erkannt wird, kann die Firmware des onboard AVR-Chips (ATmega16U2/8U2) geflasht werden: HIDUINO oder mocuLUFA. mocuLUFA bietet Dual-Boot: Per Jumper auf dem ICSP-Header zwischen USB-MIDI und USB-Serial (für Sketch-Upload) umschaltbar.

Code & Installation

Der vollständige Code inkl. Konfigurationsanleitung befindet sich auf GitHub:

https://github.com/jzkmath/Arduino-MIDI-Stepper-Motor-Instrument

Gehäuse & Anbauteile (3D-Druck)

• Halterung für die vier Schrittmotoren
• „Finger“ für die Motorwellen (rein ästhetisch)

Schaltpläne