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Automatisches Xylophon

Das Video zum automatischen Xylophon


Über das Xylophon

Raspbery Pico Servo
Abbildung 1:
Das für den Umbau zum automatischen Xylophon verwendete Musikinstrument ist aus der Kategorie "günstig". Gekauft habe ich dieses auf eBay. Dabei habe ich eine Version mit 25 Metallplättchen erstanden, um zumindest ein wenig Musik machen zu können.

Teileliste

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Bauteil Stückzahl Bezugsquelle Bemerkung
Xylophon 1 eBay.de
Amazon.de
Version mit 25 Metallplättchen
Arduino MEGA 1 eBay.de
Amazon.de
 
PETG Filament 1 eBay.de
Amazon.de
3D-Druck Spulenkörper und Distanzstücke
Acrylglas 2mm 1 eBay.de
Amazon.de
Geht auch Sperrholz oder ähnliches
Schrauben M3x16 16 eBay.de
Amazon.de
Befestigung Acrylplatten
Muttern M3 viele eBay.de
Amazon.de
 
Gewindestange 3mm 1 eBay.de
Amazon.de
1m Länge
Messing oder Edelstahl
Magnete 5x5x5mm 25 eBay.de
Amazon.de
Schlägel
Kabel viele eBay.de
Amazon.de
0.25mm2
Step-Up-Konverter 1 eBay.de
Amazon.de
Spannung Elektromagnete
Elektrolytkondensator 470μF, 50V 1 eBay.de
Amazon.de
Spannungsstabilisierung an Step-Up Konverter
LEDs 5mm 25 eBay.de
Amazon.de
Anzeigetafel
Widerstände 1kΩ 26 eBay.de
Amazon.de
Reihenwiderstände LEDs und MOSFET
ULN2803 3 eBay.de
Amazon.de
Signalverstärkung Arduino
Sockel DIP 18 3 eBay.de
Amazon.de
 
MOSFET BS170 1 eBay.de
Amazon.de
Signalverstärkung Arduino
Lochrasterplatine 1 eBay.de
Amazon.de
 
Powerbank 1 eBay.de
Amazon.de
Kleine Version mit nur einer Akkuzelle.
Alternativ: Netzteil 5V, 2A

Umrüstung

Raspbery Pico Servo, gedruckte Teile
Abbildung 2:
Der erste Schritt des Umbaus bestand darin, das Gehäuse auf der Unterseite mit Öffnungen zu versehen. Das geht mit einem scharfen Messer und einem Lineal oder einer Metallschiene, schneller aber mit einem entsprechenden Elektrowerkzeug.

Raspbery Pico Servo, sonstige Kleinteile
Abbildung 3:
Wie an dem Ergebnis zu sehen, bin ich kein begnadeter Handwerker, ist aber egal, die verschrammte Seite ist unten und somit im Normalfall nicht zu sehen.

Raspbery Pico Servo, Getriebe
Abbildung 4:
Dann habe ich Abdeckungen für die Öffnungen mit Übermaß aus Acrylglas zurechtgeschnitten - das geht mit Messer und Lineal am Besten.

Raspbery Pico Servo, Unterseite
Abbildung 5:
Zur Befestigung werden Löcher in das Gehäuse und die Abdeckungen gebohrt. Dabei sollte man darauf achten, dass an den Positionen für besagte Löcher auch Platz auf der Oberseite ist - das habe ich bei einigen Bohrungen nicht wirklich berücksichtigt. Egal, ist ja nur die Unterseite.

Raspbery Pico Servo, elektronische Komponenten
Abbildung 6:
Für die insgesamt 25 Elektromagnete habe ich entsprechende Kernelemente mit Hilfe eines 3D Druckers angefertigt. Um das Wickeln des Kupferlackdrahtes zu automatisieren, habe ich einen 3D Drucker umgerüstet. Pro Elektromagnet sind 600 Windungen mit 0.1mm Drahtdurchmesser aufgespult.

Raspbery Pico Servo, Hallsensoren
Abbildung 7:
An die dünnen Drähte der Spulen habe ich stärkere Leitungen angelötet und diese mit Heißkleber an den Spulen fixiert.

Raspbery Pico Servo, Sensorscheibe
Abbildung 8:
Die Spulen inklusive der Kabel werden auf den Plexiglas-Abdeckungen festgeklebt. An den blanken Kupferdraht, der zur positiven Versorgungsspannung führt, wird jeweils ein Spulenende verlötet - hier die grüne Leitung. Die weißen Kabel führen zur Steuerplatine.

Raspbery Pico Servo, Spannungsteiler Hallsensor
Abbildung 9:
Als Schlägel kommen Permanentmagnete zum Einsatz, auf welche ein Stück einer 3mm Gewindestange mit einer passenden Mutter geklebt werden. Die Gewindestange muss aus nicht ferromagnetischem Material wie Messing, oder wie hier zu sehen, Edelstahl bestehen, da ansonsten der Schlägel an den Metallplättchen des Xylophons haften bleibt. Ich verwende würfelförmige Magnete mit einer Kantenlänge von 5mm. Es ist darauf zu achten, dass die Magnetisierung in Richtung der aufgeklebten Gewindestange verläuft - auch sollte immer der gleiche Magnetpol nach oben zeigen.
Hat man den ersten Magneten angeklebt und überprüft, ob dieser wie gewünscht von dem Elektromagneten nach oben gezogen wird, dient dieser als Vorlage:
Der nächste zu klebende Magnet wird einfach an den Schlägel geführt und nach dem Zusammen-schnappen an der Unterseite markiert. Geklebt wird dann auf der Oberseite.
Sollte eine Spule mit der falschen Polung verlötet worden sein, kann der Magnet des betreffenden Schlägels auf die zuvor markierte Seite geklebt werden.

Raspbery Pico Servo, Schaltplan
Abbildung 10:
Blick von unten auf das fertig umgerüstete Xylophon.
Befestigt sind die Platten mit Hilfe von 16mm langen M3er Schrauben. Die hintere Reihe Elektromagnete (hier vorne im Bild) ist auf Distanzstücke aus dem 3D-Drucker geklebt, da die violetten Metallplättchen höher angebracht sind.

Raspbery Pico Servo aus Scheibenwischermotor
Abbildung 11:
Eine Führung oben auf den Elektromagneten sorgt dafür, dass die Schlägel nicht verkanten.

Elektronik

Raspbery Pico Servo, Sensorscheibe an Scheibenwischermotor
Abbildung 12:
Angesteuert werden die Spulen über ULN2803 Chips, welche die Signale der GPIOs des Arduino Mega verstärken. Da pro Chip 8 Elektromagnete angesteuert werden künnen, jedoch insgesamt 25 Kanäle benötigt werden, verwende ich einen Kleinsignal-MOSFET, um die verbleibende 25. Spule anzusteuern. Ein Step-Up-Konverter dient dazu, die Spulenspannung auf bis zu 30V steigern zu können, was die Stärke des Anschlags erhöht.

Raspbery Pico Servo, Endschalter
Abbildung 13:
Um anzuzeigen, welcher Ton gerade gespielt wird, habe ich eine Anzeigetafel mit 25 LEDs am Deckel des Xylophons befestigt. Die LEDs werden von weiteren 25 GPIOs des Arduino MEGA angesteuert. Man könnte die LEDs auch parallel zu den Spulen schalten - da diese jedoch nur sehr kurz angeschlagen werden, ist eine separate Ansteuerung sinnvoll.

Raspbery Pico Servo, Endschalter
Abbildung 14:
Die LEDs leuchten, so lange der entsprechende Ton gespielt werden soll - somit können Lieder einstudiert und nachgespielt werden.

Raspbery Pico Servo, Endschalter
Abbildung 15:
Als Stromversorgung dient eine Powerbank mit einer einzelnen 18650 Akkuzelle. Die Stromversorgung des Step-Up-Konverters erfolgt direkt aus dieser Akkuzelle. Zwei Kabel sind dazu an den Klemmen der Pole angelötet. In Powerbanks ist bereits ein Step-Up-Konverter für die 5V Ausgangsspannung verbaut. An diesen 5V Ausgang einen zweiten Step-Up-Konverter quasi "in Reihe" zu schalten funktioniert nicht - die beiden Konverter stören einander und als Ergebnis erreicht keiner der beiden die vorgegebene Ausgangsspannung.

Raspbery Pico Servo, Endschalter
Abbildung 16:
Der 5V Ausgang versorgt den Arduino MEGA. Somit schaltet das Xylophon ab, sobald die Akkuzelle leer ist.

Raspbery Pico Servo, Endschalter
Abbildung 17:
Schaltplan

Download

Das Download-Paket (4.6MB) umfasst die Software, den Schaltplan, sowie die 3D-Dateien zum Druck der Bauteile.


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