Презентация_Плотников_сэмплер(1)

1.

Институт среднего
профессионального образования
2026
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
РАЗРАБОТКА МУЗЫКАЛЬНОГО
УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ
МИКРОКОНТРОЛЛЕРА
09.02.01 Компьютерные системы и комплексы
Студент группы 22290901/1096
Руководитель
Плотников Кирилл Владимирович
Балдин Антон Владимирович

2.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
ПРОБЛЕМА
РЕШЕНИЕ
• Спонтанные звуковые идеи возникают в любой момент, а
под рукой не всегда есть устройство для их быстрой
фиксации
Полностью автономный сэмплер на базе ESP32 с
физическими органами управления:
• Профессиональные сэмплеры перегружены функциями,
дороги и имеют сложный интерфейс
✓ Применение простого эффекта
• Бюджетные модели требуют подключения к смартфону
или ПК — неудобно на сцене
• При живом исполнении замысел теряется, пока
настраивается громоздкое ПО
09.02.01 Разработка музыкального устройства на основе микроконтроллера
✓ Запись звукового фрагмента
✓ Оперативное воспроизведение
Управление — кнопками и энкодером, без погружения
в экранные меню
2

3.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ
ЦЕЛЬ
Проектирование компактного звукового сэмплера на базе микроконтроллера ESP32 с записью на SD-карту,
воспроизведением и простой индикацией режимов
ЗАДАЧИ
1
Провести аналитический обзор истории и применения сэмплеров
5
2
Выбрать элементную базу: МК, микрофон, усилитель, дисплей,
накопитель
6
3
Спроектировать структурную, функциональную и принципиальную
схемы
7
4
Рассчитать быстродействие и потребляемую мощность
Выполнить технико-экономическое обоснование проекта
Проанализировать вопросы охраны труда и техники безопасности
Разработать ПО на C/C++ в среде PlatformIO
09.02.01 Разработка музыкального устройства на основе микроконтроллера
3

4.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СЭМПЛЕРОВ
1877 — Фонограф Эдисона
1979 — Fairlight CMI
1986 — Akai S900
механическая запись на восковой цилиндр
первый коммерческий цифровой сэмплер
сэмплер + секвенсор + пады
2000-е → DIY-эпоха. Дешёвые микроконтроллеры (Arduino, ESP32) с PSRAM и интерфейсом I2S позволили создавать качественные
сэмплеры размером со спичечный коробок за несколько десятков долларов.
09.02.01 Разработка музыкального устройства на основе микроконтроллера
4

5.

ПРИМЕНЕНИЕ И КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
1
2
ЦЕЛЕВЫЕ ПАРАМЕТРЫ УСТРОЙСТВА
Студийная работа
биты, ритм-основы, аранжировки
44,1 кГц
16 бит
Живое исполнение
частота дискретизации
разрядность АЦП / ЦАП
10 сек
≤ 5 мс
макс. длительность сэмпла
задержка (латентность)
запуск эффектов, бэк-вокала на сцене
3
Образование
наглядное пособие по цифровому звуку
4
Бытовая запись
быстрая фиксация голоса и шумов — целевой сегмент
Управление: 3 физические кнопки + энкодер с нажатием
09.02.01 Разработка музыкального устройства на основе микроконтроллера
5

6.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА УСТРОЙСТВА
УЗЛЫ СИСТЕМЫ
Микроконтроллер — центральный
вычислительный узел: обработка сигналов,
запись и эффекты
Микрофон — сбор и запись звука
Усилитель + динамик — вывод аналогового
сигнала
SD-карта — хранение файлов для ПК
Дисплей — индикация режима и параметров
Энкодер + кнопка — органы управления
09.02.01 Разработка музыкального устройства на основе микроконтроллера
6

7.

ВЫБОР МИКРОКОНТРОЛЛЕРА
Параметр
ESP32-S3-DevKitC-1
Teensy 4.1
Arduino Uno R3
Процессор
Xtensa LX7 (2 ядра)
Cortex-M7
ATmega328P
Частота CPU, МГц
240
16
16
ВЫБОР
ESP32-S3
ОЗУ
512 КБ + 8 МБ PSRAM
1024 КБ
2 КБ
✓ 2× I2S — микрофон и усилитель
одновременно
Аудио-интерфейсы
I2S ×2
I2S ×2
нет (PWM)
Поддержка SD
SPI / SDMMC
SPI / SDIO
SPI
✓ 240 МГц — эффекты в реальном
времени
Цена, руб.
~ 800
~ 4500
~ 350
✓ Доступная цена
09.02.01 Разработка музыкального устройства на основе микроконтроллера
✓ PSRAM для буферизации звука
7

8.

МИКРОФОН И УСИЛИТЕЛЬ
МИКРОФОН — INMP441
УСИЛИТЕЛЬ — MAX98357
Параметр
INMP441
MAX9814
SPH0645
Параметр
MAX98357
PAM8302
LM386
Тип
MEMS I2S
аналог.
MEMS I2S
Вход
I2S цифр.
PWM
аналог.
Сигнал/шум, дБ
61
64
61
Мощность, Вт
3,2
3
1
Ток, мкА
~1300
~3000
~1400
КПД, %
~90
~85
~25
Цена, руб.
~300
~400
~350
Цена, руб.
~200
~150
~50
Простое подключение к ESP32 по I2S, низкое энергопотребление
Цифровой вход I2S без ЦАП, высокий КПД, минимум внешних элементов
MEMS-микрофон INMP441
Усилитель класса D MAX98357
цифровой I2S, SNR 61 дБ, чувствительность −26 дБ,
питание 1,62–3,6 В
до 3,2 Вт при 4 Ом, без выходных конденсаторов,
питание 2,7–5,5 В
09.02.01 Разработка музыкального устройства на основе микроконтроллера
8

9.

ДИСПЛЕЙ, НАКОПИТЕЛЬ, УПРАВЛЕНИЕ
TFT-дисплей ST7789
Модуль microSD (SPI)
Энкодер EC11 + кнопка
240×240, RGB, SPI. Графический интерфейс с
визуализацией волны и эффектов
карты до 32 ГБ, FAT16/FAT32, преобразователь
уровней для логики 3,3 В
навигация по меню, регулировка эффектов,
кнопка записи/воспроизведения
09.02.01 Разработка музыкального устройства на основе микроконтроллера
9

10.

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА — КОМПЛЕКТ
ESP32-S3
Микрофон INMP441
Усилитель MAX98357
Дисплей ST7789
9
комплектующих в едином
автономном устройстве
Модуль microSD
Энкодер EC11
09.02.01 Разработка музыкального устройства на основе микроконтроллера
Динамик 3 Вт / 4 Ом
10

11.

ПЛАТФОРМА ESP32-S3-DEVKITC-1
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Компоненты и интерфейсы платформы
09.02.01 Разработка музыкального устройства на основе микроконтроллера
Процессор
Xtensa LX7, 2 ядра
Тактовая частота
до 240 МГц
Память
512 КБ SRAM + 8 МБ PSRAM
Флеш-память
16 МБ
Интерфейсы
2×I2S, SPI, I2C, UART, USB
Выводы
34 (18 с АЦП 12 бит)
Питание
3,3 / 5 В, 2×USB Type-C
11

12.

ПРОГРАММИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВА
C/C++ в среде PlatformIO для Visual Studio Code. Основной функционал — в цикле void loop()
enum AppState { STATE_IDLE, STATE_RECORDING,
ЛОГИКА РАБОТЫ
Получение данных
STATE_PLAYBACK, STATE_MENU, STATE_TRIM };
1
опрос кнопок и энкодера
void loop() {
long newPos = encoder.getCount()/2;
if (newPos != oldPos) drawMainMenu();
Интерпретация
2
смена состояний (FSM)
// запись / воспроизведение
Визуализация
if (digitalRead(REC_BTN) == LOW) {
3
отрисовка меню и волны
if (held > 500) startRecording();
else playSample();
}
09.02.01 Разработка музыкального устройства на основе микроконтроллера
12

13.

МОЩНОСТЬ И БЫСТРОДЕЙСТВИЕ
ПОТРЕБЛЯЕМАЯ МОЩНОСТЬ
Модуль
Ток
Мощность
ESP32-S3
0,25 А @ 5В
1,25 Вт
Усилитель MAX98357
0,3 А @ 5В
1,50 Вт
Дисплей ST7789
50 мА @ 3,3В
0,165 Вт
Модуль SD
30 мА @ 3,3В
0,10 Вт
Микрофон INMP441
1,3 мА @ 3,3В
0,004 Вт
≈ 1,52 Вт
≈ 0,42 Вт
режим записи
режим ожидания
При питании от USB (5 В) до 600 мА (3 Вт) — допустимо; power bank 1 А
обеспечивает запас
БЫСТРОДЕЙСТВИЕ
< 5 мс
< 10 мс
0,5–1 с
начало записи
начало воспроизведения
сохранение 10-сек сэмпла (≈882 кБ)
09.02.01 Разработка музыкального устройства на основе микроконтроллера
13

14.

СБОРКА УСТРОЙСТВА
Функциональная схема
Принципиальная электрическая схема
Прототип собран на беспаечной макетной плате, прошит в PlatformIO и скоммутирован в единый аппаратно-программный комплекс с интеграцией
питания
09.02.01 Разработка музыкального устройства на основе микроконтроллера
14

15.

ЭКОНОМИКА: МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
КОМПЛЕКТУЮЩИЕ
Компонент
ОБОРУДОВАНИЕ И РАСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Цена, руб.
ESP32-S3-DevKitC-1
810
Микрофон INMP441
809
Усилитель MAX98357
331
Дисплей ST7789
541
Модуль microSD
Наименование
Стоимость, руб.
Паяльная станция
Припой ПОС-61 с канифолью
231
Набор проводов Dupont
187
Мультиметр цифровой
429
Отвёртка со съёмными битами
348
167
Энкодер EC11
206
Динамик
195
Корпус
294
Макетная плата
250
Итого
Итого
09.02.01 Разработка музыкального устройства на основе микроконтроллера
2 193
3 603
3 288
Закупка поштучно, по розничным ценам маркетплейсов. При
серийном производстве себестоимость значительно ниже за
счёт оптовых закупок.
15

16.

ЭКОНОМИКА: ТРУДОЁМКОСТЬ И СМЕТА
СМЕТА ЗАТРАТ НА ПРОЕКТ
160
часов трудоёмкости
(20 рабочих дней)
125 ₽
Статья затрат
Сумма, руб.
Материалы и комплектующие
3 603
Оборудование и расходники
3 288
Заработная плата
20 000
Страховые взносы (30 %)
6 000
часовая ставка стажёра
(оклад 20 000 ₽/мес)
ИТОГОВАЯ СТОИМОСТЬ ПРОЕКТА
32 891 руб.
09.02.01 Разработка музыкального устройства на основе микроконтроллера
ниже
рыночных
аналогов
16

17.

ОХРАНА ТРУДА: ОСВЕЩЕНИЕ И ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ
ИСКУССТВЕННОЕ ОСВЕЩЕНИЕ
Метод коэффициента использования светового потока
ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ
Защита чувствительной к статике базы (ESP32-S3, INMP441): разряд
> 100 В повреждает входы I2S
• Помещение 5×4 м, норма Ен = 500 лк (пайка)
✓ Заземлённое жало паяльника (≤ 0,5 В к земле)
• Индекс помещения i = 0,89; η = 0,52
✓ Антистатический коврик через резистор 1 МОм
✓ Заземлённый браслет при монтаже модулей
• Требуемый поток на светильник:
✓ Не коммутировать модули под напряжением
≈ 13 750 лм
✓ Инструктаж — I группа допуска (до 1000 В)
2 светодиодных светильника 100–120 Вт
+ локальный досвет 4000–5000K для точной пайки
09.02.01 Разработка музыкального устройства на основе микроконтроллера
17

18.

ОХРАНА ТРУДА: ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И
МИКРОКЛИМАТ
ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
Источники опасности: паяльная станция (до 400 °C), неисправные
БП, спирт-канифольный флюс
МИКРОКЛИМАТ (категория Iа)
22–24 °C
23–25 °C
температура (холодный период)
температура (тёплый период)
40–60 %
≤ 0,1 м/с
относительная влажность
скорость движения воздуха
• Углекислотный / порошковый огнетушитель ≥ 2 кг
• Горючие жидкости — вдали от паяльника
• Отключение оборудования по окончании работ
• Инструктаж раз в 6 мес., телефоны 101 / 112
Влажность не ниже 40 % защищает ESP32-S3, INMP441 и ST7789 от
электростатических разрядов
09.02.01 Разработка музыкального устройства на основе микроконтроллера
18

19.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Достигнута цель — спроектирован и программно реализован автономный цифровой сэмплер на базе ESP32
Аналитический обзор
обоснована необходимость автономного прибора с физическим
управлением
Аппаратная часть
ESP32-S3, INMP441, MAX98357, ST7789, microSD, EC11 — 44,1 кГц / 16
бит
Программное обеспечение
захват по I2S, буферизация, сохранение и вывод с эффектами в
реальном времени
09.02.01 Разработка музыкального устройства на основе микроконтроллера
Экономика
себестоимость 32 891 руб. — ниже рыночных аналогов
Охрана труда
освещение, электро- и пожарная безопасность, микроклимат
Итог — действующий прототип, готовый к применению и
интеграции в DIY-комплексы обработки звука
19

20.

БЛАГОДАРЮ
ЗА ВНИМАНИЕ!
Студент группы 22290901/1096
Плотников Кирилл Владимирович