Implementando Músicas de Natal em Hardware Embarcado: Da Teoria Musical ao PWM
IntroduçãoDurante o desenvolvimento de projetos educacionais com a BitDogLab uma placa baseada no Raspberry Pi Pico W, identifiquei a oportunidade de criar um projeto que combinasse teoria musical, física ondulatória e programação embarcada. O objetivo era simples: fazer o buzzer da placa reproduzir cinco músicas clássicas de Natal.O desafio técnico estava em converter notações musicais tradicionais (cifras e partituras) em frequências específicas que o hardware pudesse processar via PWM (Pulse Width Modulation). Este artigo documenta a metodologia completa: da obtenção das partituras até a implementação em MicroPython usando programação visual em blocos.Hardware: BitDogLabA BitDogLab utiliza um Raspberry Pi Pico W (RP2040) e inclui diversos periféricos integrados, entre eles um buzzer conectado ao GPIO 21. Este buzzer opera por vibração mecânica: um sinal PWM com frequência específica gera a nota musical correspondente.Especificações técnicas do PWM:Resolução: 16 bits (0–65535)Duty cycle: 65535 × volume × 0.7 / 100Fator de atenuação (0.7): Previne distorção em volumes altosSoftware: BIPES BitDogLabO projeto utiliza a plataforma BIPES BitDogLab (https://bitdoglab-blocos.github.io/BIPES-BITDOGLAB/), uma interface de programação visual baseada em Blockly, desenvolvida pelo próprio autor e baseada na plataforma BIPES (https://github.com/BIPES), capaz de gerar código em MicroPython. A comunicação entre o navegador e o hardware é realizada por meio da WebSerial API, permitindo o envio direto do código para o dispositivo, sem a necessidade de ferramentas externas adicionais.Arquitetura do sistema:Figura 1: Arquitetura do sistema de blocos no BIPES BitDogLab.O fluxo de desenvolvimento segue três etapas:Definição do bloco (block_definitions.js): Define aparência, campos e comportamento.Registro no toolbox (default.xml): Adiciona o bloco à categoria “Natal”.Geração de código (generator_stubs.js): Converte o bloco visual em MicroPython executável.MetodologiaEtapa 1: Obtenção das PartiturasSelecionei quatro músicas de Natal de domínio público:Jingle Bells — James Lord Pierpont (1857)Silent Night (Noite Feliz) — Franz Xaver Gruber (1818)We Wish You a Merry Christmas — Tradicional inglesa (séc. XVI)As partituras foram obtidas no site Piano Keyboard Guide, que disponibiliza tutoriais com notação em “letter notes” (letras representando as notas musicais), ideal para conversão direta em frequências.Etapa 2: Conversão de Notas para FrequênciasA conversão seguiu o padrão internacional ISO 16:1975 (Acoustics — Standard tuning frequency), que estabelece A4 = 440 Hz como referência de afinação.Fórmula da escala temperada (12-TET):f(n) = 440 × 2^(n/12)Onde:f(n) = frequência da nota desejadan = número de semitons acima (+) ou abaixo (-) de A42^(n/12)= razão entre semitons adjacentes.Exemplo de cálculo — E5 (Mi da 5ª oitava): Distância de A4 até E5: 7 semitons acima.A4 → A#4 (1) → B4 (2) → C5 (3) → C#5 (4) → D5 (5) → D#5 (6) → E5 (7)Aplicação da fórmula:f(E5) = 440 × 2^(7/12)f(E5) = 440 × 1.498307f(E5) ≈ 659 HzTabela 1: Tabela de Frequências — Padrão ISO A440.Nota sobre oitavas: O sistema de notação musical inicia cada oitava no Dó ©. Portanto, a sequência A4 → B4 → C5 indica que C5 pertence à oitava 5, não à oitava 4.Etapa 3: Implementação em Blocos VisuaisCada música foi implementada como um bloco customizado no BIPES. A interface visual permite que estudantes programem sem escrever código diretamente.Figura 2: Código na plataforma BIPES-BitDogLab.Cada música foi implementada como um bloco customizado. A interface visual permite que estudantes programem sem escrever código diretamente.Estrutura de um bloco musical:#natal_jingle_bellsdef natal_jingle_bells(volume):buzzer = machine.PWM(machine.Pin(21))# Sequência de notas: E5 E5 E5 – E5 E5 E5 – E5 G5 C5 D5 E5notas = (659, 659, 659, 0, 659, 659, 659, 0, 659, 784, 523, 587, 659)duracoes = (200, 200, 400, 100, 200, 200, 400, 100,200, 200, 200, 200, 800)for i in range(len(notas)):if notas(i) == 0:buzzer.deinit()else:buzzer.freq(notas(i))buzzer.duty_u16(int(65535 * volume * 0.7 / 100))time.sleep_ms(duracoes(i))buzzer.deinit()Parâmetros configuráveis:volume: Intensidade sonora (0–100%);notas: Array de frequências em Hz;durações: Tempo de cada nota em milissegundos;0 (zero): Representa pausa (silêncio).Resultados: As Cinco ImplementaçõesJingle Bells:Tom: C major (Dó maior);Range: E5 (659 Hz) — G5 (784 Hz);Sequência : E5, E5, E5, pausa,E5, E5, E5, pausa,E5, G5, C5, D5, E5, pausa,D5, D5, D5, D5, D5, E5, E5, E5, E5,D5, D5, E5, D5, G5notas = (659, 659, 659, 0, 659, 659, 659, 0, 659, 784, 523, 587, 659, 0,587, 587, 587, 587, 587, 659, 659, 659, 659, 587, 587, 659, 587, 784)duracoes = (200, 200, 400, 100, 200, 200, 400, 100,200, 200, 200, 200, 800, 100,200, 200, 200, 200, 200, 200, 200, 200, 200,200, 200, 200, 200, 400)2. Silent Night / Noite Feliz:Tom: C major;Range: E4 (330 Hz) — D5 (587 Hz);Sequência: G4, A4, G4, E4, G4, A4, G4, E4,D5, D5, B4, C5, C5, G4, pausa,C5, D5, C5, A4, C5, D5, C5, A4,E5, E5, C5, G4, A4, G4, E4, G4, A4notas = (392, 440, 392, 330, 392, 440, 392, 330,587, 587, 494, 523, 523, 392, 0,523, 587, 523, 440, 523, 587, 523, 440,659, 659, 523, 392, 440, 392, 330, 392, 440)duracoes = (400, 200, 400, 800, 400, 200, 400, 800,400, 400, 800, 400, 400, 800, 100,400, 400, 800, 400, 400, 800, 400, 400,400, 400, 400, 400, 200, 400, 800, 200, 400)3. We Wish You a Merry Christmas / Feliz Natal (Festiva):Tom: C major;Range: C4 (262 Hz) — G4 (392 Hz);Sequência: C4, F4, F4, G4, F4, E4, D4, D4, D4,G4, G4, A4, G4, F4, E4, C4, C4,C4, A4, A4, B4, A4, G4, F4, D4, C4, C4,D4, G4, E4, F4, C4.notas = (262, 349, 349, 392, 349, 330, 294, 294, 294,392, 392, 440, 392, 349, 330, 262, 262,262, 440, 440, 494, 440, 392, 349, 294, 262, 262,294, 392, 330, 349, 262)duracoes = (200, 200, 200, 200, 200, 200, 200, 200, 200,200, 200, 200, 200, 200, 200, 200, 200,200, 200, 200, 200, 200, 200, 200, 200, 200, 200,200, 200, 200, 200, 800)Discussão Técnica:Todas as músicas foram implementadas em C major (Dó maior), que não possui acidentes (sustenidos ou bemóis). Esta escolha simplifica a implementação ao utilizar apenas notas naturais: C, D, E, F, G, A, B.O duty cycle determina a amplitude da onda, controlando o volume percebido. A fórmula inclui um fator de atenuação (0.7) que previne saturação do buzzer em volumes altos:duty = int(65535 * volume * 0.7 / 100)Para volume = 50%:duty = int(65535 * 50 * 0.7 / 100)duty = int(22937.25)duty = 22937Este valor representa aproximadamente 35% do ciclo PWM máximo (22937/65535 ≈ 0.35).Limitações do HardwareO buzzer possui resposta de frequência limitada. Notas abaixo de 200 Hz (C3 e inferiores) ou acima de 4000 Hz (C8 e superiores) apresentam volume reduzido ou distorção. Por isso, o projeto utiliza predominantemente as oitavas 4 e 5 (262 Hz — 784 Hz).ConclusãoEste projeto demonstra como conceitos de teoria musical, física ondulatória e programação embarcada se integram em uma aplicação prática. A metodologia, partir de partituras históricas, calcular frequências pelo padrão ISO, implementar via PWM, pode ser replicada para qualquer música ou plataforma de hardware.O uso de programação visual (Blockly) torna o projeto acessível para fins educacionais, permitindo que estudantes compreendam a relação entre notação musical e representação digital sem necessidade de conhecimento prévio em linguagens textuais.Repositório e Código CompletoReferênciasInternational Organization for Standardization. (1975). ISO 16:1975 — Acoustics — Standard tuning frequency. Geneva: ISO.Physics LibreTexts. (2024). Musical intervals and temperament. https://phys.libretexts.org/Partituras:Composições originais:Pierpont, J. L. (1857). The One Horse Open Sleigh (Jingle Bells). Boston: Oliver Ditson & Co.Gruber, F. X. (1818). Stille Nacht, heilige Nacht. Domínio público.Sobre o autor: Sou Engenheiro Eletricista, formado pelo Instituto Federal da Bahia (IFBA) — Campus Vitória da Conquista, com foco em Engenharia Eletrônica, Automação e Controle e Eletrotécnica.Tags: #EmbeddedSystems #MicroPython #RaspberryPiPico #MusicTheory #Blockly #IoT #Education
Publicado: 2025-12-23 00:50:00
fonte: medium.com
