Arduino Nano 33 BLE geluidsspectrumvisualisator: Real-time audioweergave

Onderdelen en benodigdheden

Apps en online diensten

• Arduino IDE

Over dit project

Inleiding

Zie hoe een staafdiagram reageert op muziek en geluid op een kleine OLED-display. Laagste frequenties linkshandig, hoogste frequenties rechtshandig.

Opbouw

Aansluitingen

• Microfoon GAIN-pin: VCC → 40dB (lage gevoeligheid), GND → 50dB (medium), loslaten → 60dB (hoge gevoeligheid).
• Analoge pin A0 → microfoonversterker OUT.
• 3.3V, GND, SDA (A4), SCL (A5) → I2C SSD1306 display.
• 470 µF condensator tussen VCC en GND op voedingsrail.

Laagfrequente ruis? Elektronische apparaten in de buurt veroorzaken 50/60 Hz netruis. Oplossing: Faraday-kolf (metalen doos geaard om de schakeling).

De Arduino Nano 33 BLE haalt met analogRead() ongeveer 35.000 samples/seconde. Nyquist limiet → max 17.5 kHz. Met wachttijden in de meetlus nemen we een veilige bovengrens van 8 kHz. Een eenvoudig RC-laagdoorlaatfilter filtert hogere frequenties uit.

Ruw berekening maximum sample rate

Standaard analogRead() is te traag voor audio. Testprogramma toont ~35.000 samples/seconde. We gebruiken een bemonsteringsfrequentie van 24 kHz (effectief ~12 kHz max frequentie) en een lus met micros() voor timing.

// Monsters nemen
for (int i = 0; i < SAMPLES; i++) {
  unsigned long newTime = micros();
  int value = analogRead(ANALOG_PIN);
  vReal[i] = value;
  vImag[i] = 0;
  while (micros() < (newTime + sampling_period_us)) {
    yield();
  }
}

Gebruikersinterface

Het scherm is verdeeld in 11 frequentie-zones op logaritmische schaal (vergelijkbaar met menselijk gehoor). Mensen horen ~20 Hz – 20 kHz (volwassenen vaak 15-17 kHz). We gebruiken zones 3 tot 13.

Elke staaf toont: maximumwaarde in de band (gestippelde lijnen) en gemiddelde waarde (gevulde rechthoek). Waarden in decibels (dB) ten opzichte van een heuristisch referentieniveau.

Hoe het werkt

1. Audiomonsters worden omgezet naar frequentiespectrum via Fast Fourier Transform (FFT).
2. Spectrum wordt verdeeld in 14 zones, 11 zones worden in dB weergegeven.

Over de microfoonmodule (MAX9814)

Electret microfoon: Quasi-permanent geladen dielectrum. Geluidsdruk beweegt membrane → capaciteitsverandering → spanningsverandering (via ingebouwde FET-versterker). Klein, hoge gevoeligheid, brede frequentierespons, lage kost.

MAX9814 versterker: Automatische versterkingsregeling (AGC), lage ruis, microfoonbias 1.25V, 2Vpp uitgang. Drie versterkingsstanden (40/50/60 dB) via GAIN-pin. Aanvals/valverhouding instelbaar (standaard 1:4000). Voor line-in: blokkeercondensator (>1µF, bijv. 33-100µF) nodig om DC-component te blokkeren. Voeding: 2.7V-5.5V.

Gevoeligheid: Verhouding uitgangsspanning tot ingangsdruk. Standaard referentie: 1 kHz, 94 dB SPL (1 Pa). Hogere gevoeligheid = hogere uitgang bij vaste ingang. Eenheid: dBV (referentie 1.0 V RMS).

Frequentierespons: Uitgangsniveau over frequentiebereik. -3dB punten ten opzichte van referentie op 1 kHz (genormaliseerd naar 0 dB).

0.91 inch OLED I2C Display 128x32

Klein display (~1" diagonaal), 128x32 witte OLED-pixels, geen achtergrondverlichting nodig → laag stroomverbruik. 4 pinnen, I2C-communicatie. Geen RESET-pin. Aansluiting: SDA (A4), SCL (A5). Bibliotheken: Adafruit_SSD1306.h en Adafruit_GFX.h.

Volgende stappen

Arduino Nano 33 BLE kan betere analoge reads leveren. Volgende versie: geoptimaliseerde FFT en analoge invoer voor de nRF52840-chip.

Code

Volledige sketch: Sound Spectrum Visualizer for Arduino Nano 33 BLE

• Gebruikt arduinoFFT
• Gebruikt Adafruit_GFX
• Gebruikt Adafruit_SSD1306

/* Sound Spectrum Visualizer for Arduino Nano 33 BLE
 * @author Enrique Albertos
 * Hardware: Arduino Nano 33 BLE, SSD1306 OLED 128x32 I2C, MAX9814 microfoonversterker
 * Libraries: arduinoFFT, Adafruit_GFX, Adafruit_SSD1306
 * Licentie: GPL v3
 */
#include "arduinoFFT.h"
#include 
#include 

#define SAMPLES 1024
#define SAMPLING_FREQ 24000
#define AMPLITUDE 100
#define FREQUENCY_BANDS 14
#define SCREEN_WIDTH 128
#define SCREEN_HEIGHT 32
#define BARWIDTH 11
#define BARS 11
#define ANALOG_PIN A0
#define OLED_RESET -1

Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, OLED_RESET);
double vImag[SAMPLES];
double vReal[SAMPLES];
unsigned long sampling_period_us;
arduinoFFT fft = arduinoFFT(vReal, vImag, SAMPLES, SAMPLING_FREQ);
float reference = log10(50.0);
double coutoffFrequencies[FREQUENCY_BANDS];

void setup() {
  if (!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)) { for(;;); }
  display.clearDisplay(); display.display();
  display.setRotation(0); display.invertDisplay(false);
  sampling_period_us = (1.0 / SAMPLING_FREQ) * 1000000.0;
  double basePot = pow(SAMPLING_FREQ / 2.0, 1.0 / FREQUENCY_BANDS);
  coutoffFrequencies[0] = basePot;
  for (int i = 1; i < FREQUENCY_BANDS; i++) coutoffFrequencies[i] = basePot * coutoffFrequencies[i-1];
  for (int i = 0; i < BARS-1; i++) {
    for (int j = 0; j < SCREEN_HEIGHT; j += 4) {
      display.writePixel((i+1)*BARWIDTH+2, j, SSD1306_WHITE);
    }
  }
  display.drawRect(0,0,SCREEN_WIDTH,SCREEN_HEIGHT,SSD1306_WHITE);
}

int oldHeight[20]; int oldMax[20]; double maxInFreq;

void loop() {
  for (int i = 0; i < SAMPLES; i++) {
    unsigned long newTime = micros();
    int value = analogRead(ANALOG_PIN);
    vReal[i] = value; vImag[i] = 0;
    while (micros() < (newTime + sampling_period_us)) yield();
  }
  fft.DCRemoval();
  fft.Windowing(FFT_WIN_TYP_HAMMING, FFT_FORWARD);
  fft.Compute(FFT_FORWARD);
  fft.ComplexToMagnitude();

  double median[20]; double max[20];
  int index = 0; double hzPerSample = (1.0 * SAMPLING_FREQ) / SAMPLES;
  double hz = 0; double maxinband = 0; double sum = 0; int count = 0;
  for (int i = 2; i < SAMPLES/2; i++) {
    count++; sum += vReal[i];
    if (vReal[i] > max[index]) max[index] = vReal[i];
    if (hz > coutoffFrequencies[index]) {
      median[index] = sum / count; sum = 0; count = 0;
      index++; max[index] = 0; median[index] = 0;
    }
    hz += hzPerSample;
  }
  if (sum > 0) { median[index] = sum / count; if (median[index] > maxinband) maxinband = median[index]; }

  int bar = 0;
  for (int i = FREQUENCY_BANDS-1; i >= 3; i--) {
    int newHeight = 0, newMax = 0;
    if (median[i] > 0 && max[i] > 0) {
      newHeight = 20.0 * (log10(median[i]) - reference);
      newMax = 20.0 * (log10(max[i]) - reference);
    }
    if (newHeight < 0 || newMax < 0) { newHeight = 1; newMax = 1; }
    if (newHeight >= SCREEN_HEIGHT-2) newHeight = SCREEN_HEIGHT-3;
    if (newMax >= SCREEN_HEIGHT-2) newMax = SCREEN_HEIGHT-3;
    int barX = bar * BARWIDTH + 5;
    if (oldHeight[i] > newHeight) display.fillRect(barX, newHeight+1, 7, oldHeight[i], SSD1306_BLACK);
    if (oldMax[i] > newHeight) {
      for (int j = oldMax[i]; j > newHeight; j -= 2) display.drawFastHLine(barX, j, 7, SSD1306_BLACK);
    }
    for (int j = newMax; j > newHeight; j -= 2) display.drawFastHLine(barX, j, 7, SSD1306_WHITE);
    display.fillRect(barX, 1, 7, newHeight, SSD1306_WHITE);
    oldMax[i] = newMax; oldHeight[i] = newHeight;
    bar++;
  }
  display.drawFastHLine(0, SCREEN_HEIGHT-1, SCREEN_WIDTH, SSD1306_WHITE);
  display.display();
}

Schema