描述

介紹

Music and Lights Workbench (MLWB) 旨在通過提供一系列允許構(gòu)建樂譜/曲調(diào)和/或燈光效果。通過使用這些命令及其應(yīng)用程序，用戶將開始深入了解什么是編程，并有望激發(fā)他們的進(jìn)一步興趣。

然而，它同樣適用于那些更有經(jīng)驗(yàn)的人，他們可能喜歡探索在 Arduino 上編寫音樂和組合燈光效果。

所采用的方法是提供一組簡單易用且邏輯應(yīng)用的命令（功能），通過演奏音符和/或點(diǎn)亮 LED（燈）將計(jì)算機(jī)與外界聯(lián)系起來。

MLWB 命令在很大程度上彼此獨(dú)立，可用于僅播放音樂、僅點(diǎn)亮燈光或兩者的組合。

MLWB 不需要使用任何其他編程功能、技術(shù)或邏輯，只需要簡單的命令語句。雖然 if/then、do/while、for 循環(huán)等條件結(jié)構(gòu)可以用于更高級(jí)的用途，但在適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)下，它們并不是從 MLWB 中立即獲得結(jié)果所必需的。

任何試圖掌握一門新學(xué)科的人，這里是基本的計(jì)算機(jī)編程，都可以從精通該學(xué)科的人的指導(dǎo)中受益。MLWB 也不例外，它的使用和應(yīng)用最好是通過導(dǎo)師對學(xué)生的指導(dǎo)和指導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)。

動(dòng)機(jī)

MLWB 是為作者的孫輩設(shè)計(jì)的，旨在為他們提供一些機(jī)會(huì)來了解如何輕松創(chuàng)建計(jì)算機(jī)程序以在現(xiàn)實(shí)世界中產(chǎn)生效果。希望通過思考播放簡單音樂和/或打開和關(guān)閉燈 (LED) 所需的邏輯步驟，這將達(dá)到頂峰并激發(fā)他們更深入探索編程潛力的愿望。

好的，在這一點(diǎn)上，一些引述：

告訴我，我會(huì)忘記；教我，我可能會(huì)記得；讓我參與，我就會(huì)學(xué)習(xí)。- 本杰明·富蘭克林

教育不是灌滿鍋，而是點(diǎn)燃火。— WB 葉芝

教育是通向未來的通行證，因?yàn)槊魈鞂儆诮裉鞛橹龊脺?zhǔn)備的人。– 馬爾科姆 X

高尚的智慧，當(dāng)然，但它們確實(shí)說明了我試圖很好地表達(dá)的觀點(diǎn)。

先決條件

“讓鴨子排好隊(duì)”，或者讓事情井然有序和移動(dòng)所需的東西：

目標(biāo)受眾——愿意探索計(jì)算機(jī)程序如何快速、輕松和有趣地做某事的學(xué)生，無論年齡大小，

主管 -導(dǎo)師，擔(dān)任 MLWB 的教育者 - 導(dǎo)師和老師。導(dǎo)師應(yīng)該有一定的Arduino和IDE及其編程經(jīng)驗(yàn)，但這可以是初級(jí)水平，

如果要探索/使用 MLWB 的音樂元素，那么對導(dǎo)師和學(xué)生都有一些音樂知識(shí)是有幫助的，但是，同樣，這可能處于初級(jí)水平——了解音符名稱、音階、音符間隔將非常有益，

硬件配置如下，

安裝在 Windows PC 上的 ARDUINO IDE，

在學(xué)生使用之前，導(dǎo)師通過探索其命令和內(nèi)置示例來徹底熟悉 MLWB。下載嬰兒床單作為指南和回憶錄以備不時(shí)之需，

最后，針對導(dǎo)師將向?qū)W生介紹的內(nèi)容制定計(jì)劃，逐節(jié)進(jìn)行。包含的示例可以構(gòu)成許多練習(xí)的基礎(chǔ)。

關(guān)于索引引用、術(shù)語和數(shù)據(jù)輸入的說明

索引參考和術(shù)語

年輕人和那些剛接觸任何與計(jì)算相關(guān)的人通常會(huì)發(fā)現(xiàn)很難理解與計(jì)算相關(guān)的術(shù)語，并且引用可以從 0（零）開始。因此，為了讓學(xué)生輕松進(jìn)入計(jì)算世界，MLWB 的設(shè)計(jì)如下：

1. 避免使用技術(shù)計(jì)算術(shù)語，例如不使用術(shù)語 LED，而是使用“光”，

2. 引用從 1 開始，而不是 0。例如，在 MLWB 中，將 LED 0 稱為“l(fā)ight1”，將 LED 1 稱為“l(fā)ight2”，依此類推。

數(shù)據(jù)輸入

為了讓學(xué)生盡可能容易地輸入鍵盤數(shù)據(jù)，MLWB 使用小寫字母。下載草圖后，可以看到所有命令和音樂音高常數(shù)都大部分以小寫字母定義。通常可用的“pitches.h”文件包含 MLWB 中包含的所有相同音高定義，但這些都是大寫的。因此，每個(gè)間距定義都已重新定義，以減少任何大寫要求。例如，'note_C4'，而不是'NOTE_C4'，等等。這里的例外情況，如將立即發(fā)現(xiàn)的那樣，是保留為大寫以提高閱讀能力的注釋名稱。

MLWB 命令

MLWB 命令集主要分為兩組——執(zhí)行音樂指令的組和執(zhí)行燈光動(dòng)作的組。然而，有一個(gè)命令可以連接兩個(gè)“陣營”。這是重載函數(shù)的播放命令。它可以用于：

1. 在給定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)播放給定的音符，或

2. 與 1. 一樣，但有一個(gè)額外的參數(shù)指定在播放音符時(shí)要點(diǎn)亮的燈號(hào) (LED)。它是一個(gè)重載函數(shù)，可以以任何一種方式使用。

音樂指令

play - 將在給定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)播放給定的音符，例如 play(note_C4, minim), play(note_FS2, crot + quav) 等。

play - 命令的重載版本，該命令允許在給定音符播放時(shí)指定燈 (LED) 用于照明，例如 play(note_C4, minim, light5), play(note_FS2, crot + quav, light1),等等

休息- 在給定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)休息，在此期間保持沉默，例如休息（quav），休息（0.5）等

set_tempo - 以每分鐘節(jié)拍為單位設(shè)置音樂作品的速度（速度），例如 set_tempo(allegro)、set_tempo(144) 等。四分音符的值計(jì)算為 60/tempo。然后根據(jù)該計(jì)算值確定所有其他音符持續(xù)時(shí)間。

燈光指令

light_on - 打開給定的燈 (LED)。例如 light_on(light1)、light_on(7) 等。

light_off - 關(guān)閉給定的燈 (LED)，例如 light_off(light1)、light_off(7) 等。

all_lights_on - 打開所有八個(gè)燈。例如 all_lights_on()。

all_lights_off - 關(guān)閉所有八盞燈。例如 all_lights_off()。

flash_light - 在給定的閃光間隔內(nèi)閃爍給定的燈，直到燈被另一個(gè)命令重新定義，例如 flash_light(light3, 0.5)，閃光頻率為 1 秒 - 0.5 秒亮，0.5 秒關(guān)。該命令由微控制器的定時(shí)器 1 通過中斷服務(wù)程序 (ISR) 控制。這樣，即使在 flash_light 命令之后可能會(huì)執(zhí)行其他命令，閃光序列也會(huì)繼續(xù)運(yùn)行。閃爍一直持續(xù)到對同一燈 (LED) 執(zhí)行另一個(gè)命令為止。

strobe_all_lights - 此命令將在給定的周期內(nèi)按給定的方向（向前或向后/向后）頻閃所有八個(gè)燈，每個(gè)燈在給定的時(shí)間內(nèi)點(diǎn)亮。例如 strobe_all_lights(forwards, 10, 0.1)。控制權(quán)由命令保留，直到它完成給定的循環(huán)次數(shù)。

wait - 等待給定的持續(xù)時(shí)間（秒）停止除繼續(xù)運(yùn)行的現(xiàn)有 flash_light 命令之外的任何處理。例如 wait(5.5)，等待 5.5 秒。

MLWB布局

MLWB 軟件是用 Arduino C++ 編寫的，包含六個(gè)選項(xiàng)卡。這些選項(xiàng)卡是：

music_and_lights_workbench - 此選項(xiàng)卡提供了 MLWB 的概述，與本文的大部分內(nèi)容相呼應(yīng)。

functions_lights - 此選項(xiàng)卡定義支持 MLWB 命令的功能，這些命令處理燈光 (LED) 控制，請參見上文。

functions_tones - 此選項(xiàng)卡定義支持處理音樂/音調(diào)控制的 MLWB 命令的功能。此外，此選項(xiàng)卡還定義了 setup() 函數(shù)，請參見上文。

main_work_area - 這是應(yīng)該插入學(xué)生編碼的地方，是教學(xué)、探索和鞏固思想的中心焦點(diǎn)。

xample_lights - MLWB 開箱即用 (OOTB)，帶有幾個(gè)現(xiàn)成的示例，演示了如何使用控制燈 (LED) 的命令。這些可以用作導(dǎo)師和學(xué)生之間的教學(xué)示例，見下文。

xample_tunes - MLWB 還提供了 OOTB 以及其他幾個(gè)現(xiàn)成的示例，演示了在連接的揚(yáng)聲器/蜂鳴器上播放音調(diào)（音樂）的命令的使用。同樣，這些可以用作導(dǎo)師和學(xué)生之間的教學(xué)示例，見下文。

收縮包裝示例

首先，包含兩個(gè)選項(xiàng)卡，提供音樂旋律/曲調(diào)和照明序列的示例。使用這些來查看每個(gè)本機(jī)命令（函數(shù)）如何單獨(dú)和一起使用。事實(shí)上，這些也可以用作導(dǎo)師和學(xué)生之間的教學(xué)指南。

音樂示例選項(xiàng)卡稱為“xample_tunes”，包含以下教學(xué)示例：

middle_C - 演奏 C 大調(diào)音階，先是向上，然后再向下。作為建議，為什么不讓學(xué)生將其他音階和琶音提交到 MLWB 中？

twinkle_twinkle - 播放非常著名的兒歌 Twinkle, Twinkle, Little Star。

jingle_bells - 線索就在名字里！

happy_birthday - 生日慶?；顒?dòng)！

ditty_1 - 播放它，您一定能認(rèn)出它。除了播放旋律外，該示例還會(huì)在播放時(shí)點(diǎn)亮前七個(gè)燈。

door_bell_1 & door_bell_2 - 叮，當(dāng)！兩個(gè)門鈴示例在播放時(shí)也會(huì)點(diǎn)亮燈光。

ode_to_joy - 貝多芬第 9 交響曲（合唱），最后的樂章。

（還有一個(gè)額外的音樂示例。我想提供一些標(biāo)志性的、流行的和我真正喜歡的曲調(diào) - Penny Lane、Lennon 和 McCartney。我確實(shí)完成了將這首音樂的 G Major 樂譜提交到MLWB（在我女兒的幫助下）運(yùn)行得很漂亮。然而，我決定不發(fā)表它，因?yàn)槲也幌肭址赴鏅?quán)。這對我來說不是白費(fèi)力氣，雖然，因?yàn)槲覐拈喿x中學(xué)到了很多東西一個(gè)分?jǐn)?shù)）。

燈光示例選項(xiàng)卡稱為“xample_lights”，包含以下說明示例：

sweep_lights - 八盞燈從每一端掃到中心，然后再掃回來。

chasing_lights - 燈光從一端到另一端遵循追逐效果。

marching_lights - 燈光在所有八盞燈中形成行進(jìn)模式。

flash_all_lights - 以不同的頻率閃爍八盞燈中的每盞燈。請注意，閃爍會(huì)一直持續(xù)到執(zhí)行另一個(gè)發(fā)光命令為止。

sos_morse_code - 在一個(gè) sos 周期內(nèi)閃爍所有八個(gè)燈，即破折號(hào)、破折號(hào)、破折號(hào)、點(diǎn)、點(diǎn)、點(diǎn)。為什么不在燈光和音樂音調(diào)方面進(jìn)一步探索摩爾斯電碼呢？

traffic_lights - 執(zhí)行兩條道路從紅/綠到綠/紅的照明轉(zhuǎn)換（一個(gè)周期）。這是一個(gè)有用的練習(xí)，可以讓學(xué)生擴(kuò)展到相反的（原始）狀態(tài)設(shè)置（綠色/紅色到紅色/綠色）。請注意，邏輯可能會(huì)有點(diǎn)混亂，使用過渡狀態(tài)表來規(guī)劃燈的順序及其時(shí)間會(huì)很有幫助。

電路設(shè)計(jì)與布局

該項(xiàng)目的組件不復(fù)雜，隨時(shí)可用并以簡單直接的方式配置 - 請參見下面的原理圖。（警告：不要將揚(yáng)聲器/蜂鳴器輸出引腳直接連接到音頻輸入，因?yàn)檫@可能會(huì)損壞您的微控制器。）

雖然可以使用任何顏色的燈 (LED)，但如果配置多個(gè)不同顏色的燈，對于學(xué)生來說可能會(huì)帶來更豐富多彩的體驗(yàn)。如果要使用交通燈示例，則將您的燈安排為

燈 1 - 紅色，燈 2 - 琥珀色，燈 3 - 綠色，燈 4 - 任何（道路 1）

燈 5 - 紅色，燈 6 - 琥珀色，燈 7 - 綠色，燈 8 - 任何（道路 2）。

床單

嬰兒床表記錄了可供 MLWB 使用的所有預(yù)設(shè)值和命令。 下載此作為助手回憶錄，并隨身攜帶以備參考。

最后

我覺得我需要聲明我的音樂知識(shí)、技能和實(shí)力幾乎為零——我認(rèn)為郵箱更有音樂天賦！

我在所有音樂方面的方法都是機(jī)械化的，大量使用互聯(lián)網(wǎng)來構(gòu)建這個(gè)工作臺(tái)的音樂元素，所以我向任何可能因不恰當(dāng)?shù)臈l款或?qū)嵤┒艿矫胺傅娜说狼浮?/font>我的辯護(hù)是它似乎按我的預(yù)期工作，我的孫子們似乎很開心，其中一個(gè)比我更了解音樂。

我希望你喜歡你的經(jīng)歷。

進(jìn)一步閱讀

您可能還會(huì)發(fā)現(xiàn)同一作者的這些貢獻(xiàn)有趣且有用：

• 為您的草圖添加一個(gè)心跳 -包括一個(gè)可見的方式來查看您的代碼正在您的微控制器上運(yùn)行，而無需任何額外的組件或布線！

• 草圖中的無限計(jì)時(shí)器- 易于實(shí)現(xiàn)非阻塞計(jì)時(shí)器

• 一個(gè)靈活、可擴(kuò)展的庫 (ez_SIPO8_lib)，支持多個(gè)串行輸入/串行輸出 IC、74HC595 的實(shí)現(xiàn)，無論是單獨(dú)還是級(jí)聯(lián)組，最多 255 個(gè) IC（2040 個(gè)輸出引腳）

• 通用開關(guān)庫( ez_switch_lib) ，適用于大多數(shù)開關(guān)類型和布線方案，并具有新穎的功能

• 了解和使用按鈕開關(guān)，基礎(chǔ)知識(shí) - 按鈕開關(guān)，一個(gè)簡單但經(jīng)常棘手的套件。本教程提供了實(shí)現(xiàn)簡單按鈕開關(guān)的詳細(xì)信息，可以靈活地探索電路設(shè)計(jì)、不同讀取方法和去抖動(dòng)方面的差異。

• 中斷驅(qū)動(dòng)按鈕開關(guān) -將按鈕開關(guān)綁定到外部中斷的方法和示例。

• 撥動(dòng)開關(guān) -如何可靠地讀取撥動(dòng)式開關(guān)。

• 按鈕和燈游戲 -使用按鈕開關(guān)和 LED 的樂趣。

• 外部中斷，支持并發(fā)異步多中斷的通用框架。配置多個(gè)具有不同特性的外部中斷并添加代碼以提供中斷后異步處理。

• Programmatic Timed Reminder Alerting，用于過去和實(shí)時(shí)異步警報(bào)的程序框架。定義任意數(shù)量的提醒警報(bào)（亞秒級(jí)到數(shù)小時(shí)）并異步處理。