Jukebox Moderna: Raspberry Pi e Arduino com LEDs Reativos à Música

Componentes e Materiais

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Componente	Quantidade	Observações
Raspberry Pi 3 Model B	1	-
Adafruit Pi Perma Proto Hat (sem EEPROM)	1	-
Arduino Nano R3	1	Originalmente usei Arduino Micro (descontinuado). Verifique pinout se usar outra placa. Adafruit Metro Mini também funciona.
Fita LED NeoPixel RGB Digital	1	Usei fita 60 LED/m da Adafruit. Precisa de dois trechos: 36 LEDs e 22 LEDs. Fitas 60 LED/m ficam melhores que 30 LED/m.
LCD HDMI 5" com Touch Screen (Uctronics)	1	Pode usar Waveshare ou similar. DEVE ser 5". Pontos de fixação podem mudar no modelo 3D se usar outro LCD.
Cabo HDMI Flat Male-Male 270° 30cm	1	-
Conversor HDMI 90° e 270°	1	-
Cabo Micro USB para USB A 90° Esquerdo 23cm	1	Para interface touch no LCD. "Esquerdo" = lado onde cabo sai quando plugado.
Cabo Micro USB para USB A Curto	1	Conecta Arduino ao USB A do Raspberry Pi, para alimentação
Capacitor 1000 µF	1	No rail de alimentação do Pi/Amplificador de Áudio
IQAudio Pi Digi Amp Plus	1	Novidade: IQAudio agora faz parte da Raspberry Pi. Pi Digi Amp Plus por $30 USD. Build usa alimentação 5V do Amp Plus para LEDs. Link
Resistor 330 ohm	2	Para fita NeoPixel/LED
Detector de Som SparkFun (com Headers)	1	Componente ESSENCIAL para LEDs reativos ao som!
Alto-falantes Dayton Audio RS100-8	2	Excelentes alto-falantes pequenos. Têm cone central saliente, não ficam flush na grade. Solução: 2 espaçadores 3D impressos específicos para RS100.
Fio de Alto-falante 18AWG	1	-
Chave Seletora SPDT Mini Rocker Center Off (Parts Express)	1	-
Chave Rocker SPST (Parts Express)	1	CUIDADO! Usei chave UXCELL similar não mais disponível. Verifique dimensões da Parts Express, pode ser diferente e exigir alteração no modelo 3D da base.
Header Fêmea Adafruit (Pacote com 5)	1	-
Kit Fio de Conexão 22 AWG	1	Para fiação da Perma-Proto e solda na fita NeoPixel
Espaçadores M2.5 20mm (Macho/Fêmea)	4	Fixam Perma-Proto Board no IQAudio Digi Amp Plus
Espaçadores M2.5 5mm (Macho/Fêmea) + 4 porcas	8	4 para fixar IQAudio no Raspberry Pi, 4 (+ porcas) para fixar a pilha no case da Jukebox
Parafuso Máquina M2.5	4	Fixam Perma-Proto no IQAudio, COMPRIMENTO = 4-5mm
Cartão Micro SD	1	Para Raspberry Pi
Conector Barril DC 2.1mm Painel Montado (Adafruit)	1	Para entrada de fonte externa
Cabo Extensão DC Power	1	Uso interno: conecta conector barril ao IQAudio Amp, que alimenta RPI e Perma-Proto
Forro Adesivo Veludo (Multi-pack)	1	Usado como baffle/bloqueador de luz atrás dos LEDs. Pode colar qualquer coisa opaca, até papel preto.
Filamento 3D	1	Usei 5 cores: vermelho, branco, Fillamentum Vertigo Galaxy, Fillamentum Rapunzel Silver, marrom. Se for pós-processar, precisará de pelo menos 2 rolos de 1kg. Branco é melhor como difusor para LEDs.
LED Difuso 5mm Slow Fade (Adafruit)	1	Ilumina a "estrela" na grade do alto-falante. Indica se a jukebox está ligada/desligada (via chave).
Chapa Acrílica 3-6mm	1	Para fazer janela no topo da jukebox. Coloquei foto atrás para parecer trocador de discos.
Parafuso Máquina M2.5	12	Para montar alto-falantes, pelo menos 15mm, preto, cabeça chata (para embutir). Precisa mesma quantidade de porcas. 6 por alto-falante, 2 alto-falantes.
Fonte 3.4A	1	IQAudio Digi-Amp Plus exige fonte forte. Similar a esta (19V convertida para 5V para o RPI). Digi-Amp tem jumper para saída 5V/GND, usei para alimentar LEDs diretamente via header na Perma-Proto.
Tecido para Grade de Alto-falante (Parts Express)	1	Dá visual vintage à jukebox...
Chapa Acrílica 3-6mm	1	Para criar janela no arco do topo. Uma vez cortada, pode colocar foto/desenho atrás.
Bloco Terminal 3 pinos 5.08mm pitch para PCB	1	Conecta fios da chave seletora e LED
Parafuso Máquina M2.5	7	Para tampa traseira 3D opcional, M2.5 x 5mm, recomenda-se cabeça pan.

Ferramentas Necessárias

• Impressora 3D (usei Prusa i3 MK3S. Precisa volume de construção similar ou maior)
• Pistola de Cola Quente (ponta fina para espaços pequenos, usa bastões de diâmetro menor)
• Ferro de Solda (para fiação da Perma-Proto e fitas LED)
• Cola CA Zap-a-Gap Média (excelente para peças pequenas, usada nas peças decorativas frontais)

Aplicativos e Serviços Online

• Volumio (software de música gratuito)
• Arduino IDE
• GIMP / Corel Draw (para arte na janela do topo)

Sobre o Projeto

Atualização: Conforme publicado na The MagPi Magazine, Edição 105

Inspiração

Amo jukeboxes clássicas há anos. Desde 2014 tentava fazer uma, mas não tinha habilidades para um build bonito. Hoje, aprendi design e impressão 3D.

Paixão, curiosidade e desejo moveram este projeto. Se quer uma mini jukebox, existem opções de mercado muito mais baratas, como a Victrola de mesa por $65 USD. O maker flyingangel no Hackster tem um ótimo build de jukebox. Por outro lado, jukeboxes modernas prontas são maiores (105cm/41.3 pol) mas custam ~$795 USD. Veja as seções Custo e Esforço abaixo.

Atribuição

Este projeto não seria possível sem o excelente design 3D de jukebox por Marco Gregorio no GrabCAD. Trabalho lindamente detalhado, ainda mais impressionante pois Marco não tinha jukebox física para modelar, apenas referências da internet! Confira o trabalho dele.

Também essencial: código Arduino para LEDs reativos à música, por Michael Bartlett no learn.sparkfun.com.

Visão Geral

Player de música alimentado pelo software gratuito Volumio. Volumio oferece AirPlay, Spotify, Pandora, web rádio, e sua própria música controlada do computador, tablet ou telefone — só baixar e instalar. O que adicionei? Case 3D, painel touch LCD e LEDs que reagem à música. O LCD é alimentado por Raspberry Pi 3 ou 4. Os LEDs são controlados por Arduino Micro (ou Nano/Itsy-Bitsy) em uma Adafruit Perma-Proto board no topo da pilha de hardware: Raspberry Pi + IQAudio Pi Digi Amp.

Usei hardware antigo (IQAudio amp e Arduino Micro) que tinha em estoque. Atualmente, IQAudio é parte da Raspberry Pi, e o Pi Digi Amp Plus continua disponível por menos do que paguei. O Arduino Micro é obsoleto, mas pode usar Arduino Nano ou Adafruit Itsy-Bitsy — ajustes nos pinos analógicos/digitais e alimentação 5V do Digi Amp para a filha board serão necessários. Um Sparkfun Sound Detector transforma som em bits digitais magicamente.

Marco forneceu arquivo STEP com todos os componentes que importei no Fusion 360. O que fiz:

• Escala o modelo para 25% do tamanho original
• Revisei componentes: decidi o que manter e adicionar
• Ocultei partes não usadas
• Adicionei/modifiquei features para criar enclosure funcional
• Imprimi os corpos 3D que formam o case
• Adicionei eletrônica para alimentar Volumio e LEDs

Objetivos de Design

• Altura ~15 pol / 381 mm
• Touch screen mostrando Now Playing / Arte do Álbum
• Alto-falantes com som decente
• Muitos LEDs lindos e animados
• PARECER que foi impresso em 3D (sem pós-processamento); isso significou imprimir em cores diferentes de filamento
• Nenhuma impressão 3D > ~12 horas (sem impressões noturnas)
• Esconder/minimizar juntas entre peças

Nível de Habilidade: Avançado

• Mais de 75 horas totais de impressão 3D para as peças
• Montagem crítica — precisa ficar "perfeito", ordem certa
• Espaço confinado para trabalhar dentro do case quando finalizado

Custo: Elevado

(Todos custos em USD)

Mínimo absoluto:

• Se for pós-processar: 2-3 rolos de filamento branco + acabamentos, ~$70-90

OU

• Depende do que você tem. Só precisei comprar rolo vermelho, ~$30. Faço impressão 3D desde 2017, tenho prata, branco, marrom, preto em estoque. Esses + vermelho = pelo menos ~$100.
• Arduino Nano ou Adafruit Mini Metro, ~$20 (tinha Micro em estoque)
• Adafruit Raspberry Pi Perma Proto Hat $5
• Touch Screen HDMI (Uctronics) 5", $53
• Raspberry Pi 3B+ $35 (em estoque)
• Dayton Audio RS100-8 (2x) $60 total (em estoque)
• Fio de alto-falante 18AWG ~$20 (em estoque)
• Tecido para grade Parts Express $30 (em estoque)

Mais ~$40 ou mais para cabos HDMI/conectores, chaves, hardware de montagem, jumpers, headers. Tinha muito em estoque. Meu custo direto foi ~$150, espalhado por meses. Se tivesse que comprar tudo... faça as contas.

Para mim, valeu a pena.

Esforço

Impressões 3D levam 75+ horas, dependendo da impressora. 21 arquivos STL diferentes, ~12 levam várias horas cada. O restante 1-2 horas cada. Assumindo zero falhas.

Usei cola quente para preparar e colar seções do case, em 4 fases. ~3-4 horas. Colar fitas LED ~1 hora. Colagem precisa de peças decorativas pequenas (cola CA) para finalizar.

Eletrônica: pelo menos 5 horas para:

• Instalar e configurar Volumio
• Instalar sketch Arduino
• Layout e solda da placa
• Testar TUDO antes da montagem final!
• Montar painel LCD
• Montar pilha RPi + IQAudio + Perma Proto
• Soldar e montar chaves e conector de força
• Montar alto-falantes e fios

Colagem final: 1-2 horas.

Resumindo: além do tempo de impressão, montagem leva ~12+ horas.

Downloads

Documentação, código e arquivos 3D no GitHub.

Arquivos 3D também no Thingiverse.

Impressão 3D

Total de 21 arquivos STL separados. Algumas peças precisam de 2 cópias/impressões.

Começando

Leia atentamente os comentários nas seções "Things". Dão info necessária sobre componentes exatos. Se substituir peças, descubra as mudanças necessárias.

Para garantir funcionamento, teste toda eletrônica junta ANTES de montar o case:

• Instale e configure Volumio
• Solde a placa de circuito
• Conecte componentes: NeoPixels, LED slow-fade RGB, chaves
• Adicione componentes à placa
• Baixe sketch Arduino do GitHub
• Faça upload do sketch no Arduino na placa
• Teste tudo

Instalar Volumio

Vá à página Volumio Getting Started e siga o guia para seu Raspberry Pi. Para testar, monte o IQAudio Pi Digi Amp no Raspberry Pi, plugue o Amp no header fêmea do Pi e use espaçadores do Pi para o IQAudio Amp como na foto. Depois, consulte este guia para montá-los no fundo 3D impresso da jukebox.

Conecte dois jumpers Fêmea-Macho nos terminais +5V e GND do Digi Amp Plus (foto abaixo). Conectarão na Perma-Proto Board para alimentar NeoPixels diretamente do Pi Digi Amp Plus.

O modelo mais recente do Digi Amp expõe todos os pinos do header do Pi, então 5V e GND estarão na localização padrão do header do Pi.

Para os alto-falantes, corte dois pares de fio (14-26 AWG) ~18cm e conecte nos terminais dos alto-falantes e nos terminais de parafuso do IQAudio. O Pi será alimentado PELO IQAudio — NÃO ligue força no jack do Pi. Plugue fonte no IQAudio e teste web rádio no Volumio.

Galeria abaixo mostra configurações Volumio para IQAudio Pi Digi Amp Plus e plugin Touch Screen (Settings/Plugins/Miscellanea).

Preparar a Placa de Circuito

O form-factor da Adafruit Perma-proto coube bem empilhada sobre Pi e IQAudio, servindo como board filha para o Arduino.

A placa só conecta no IQAudio 5V e GND para alimentação. Header fêmea padrão para Pi não foi usado.

Para melhor uso do espaço na proto board, oriente-a com o rail marcado "3.3V" no topo.

Modificações incomuns mas úteis:

• Rail 3.3V será usado para entrada 5V
• Cortar trilhas da placa para múltiplas conexões de pinos em uma coluna
• Cortar trilhas do rail inferior (marcado 5V na placa) para adicionar múltiplos pinos em uma linha

Isso resultou em layout bem organizado quando populado. Consulte galeria de fotos para conexões e modificações.

Nota: Terminais 3 pinos têm pitch 5.08mm = 2x pitch padrão 2.54mm dos vias da proto board. Terminais/parafusos ficam a 2 vias de distância. Layout e corte de trilhas dependem desse espaçamento. Não substitua por terminal 3 pinos/2.54mm sem alterar layout.

Chave Seletora de Animação

Também precisa ligar chave rocker de 3 posições (fotos). Corte 3 fios ~18cm, preferencialmente dois pretos (GND) e um vermelho (+V). Mais sobre esta chave abaixo.

NeoPixels

Remova cobertura de silicone de 1m de fita NeoPixel. Corte em duas seções: 36 LEDs e 22 LEDs. A fita curta circunda a grade frontal. A fita 36 LEDs vai nos tubos externos (Tubos Neon). Corte 3 fios ~18cm para cada fita (pode encurtar depois). Ligue cada seção com fios GND, +V e DIN, respeitando direção DIN na fita. Adicione resistor em série na conexão DIN (330 Ohm).

Luz da Estrela

Na grade frontal, há inserto 3D em forma de estrela de 6 pontas (Star Light). Um LED RGB slow-fade (+V e GND) monta atrás desta Star Light, inserido em baffle 3D para evitar vazamento de luz. Coloque resistor 120 ohm em série no jumper +V. Isso reduz corrente de 5V para ~3.4V no LED. Usado na seção Montagem/Tecido da Grade.

Arduino

Se não instalou Arduino IDE, baixe e instale via instruções oficiais.

Precisará da biblioteca NeoPixel para os LEDs funcionarem.

Os NeoPixels reativos ao som baseiam-se no sketch Interactive LED Music Visualizer de Michael Bartlett na Sparkfun. Usei o "Full Visualizer" sem botões, adicionei chave rocker de 3 funções:

• Posição 1: LEDs reagem à música
• Posição 2: LEDs em padrão "chaser" de troca de cores, NÃO reativos ao som
• Posição central: LEDs desligados

Os LEDs não funcionarão a menos que a chave esteja conectada.

Baixe o sketch Jukebox LEDs do GitHub.

Conexões

• Monte Arduino nos headers fêmea da proto board
• Fita 36 LEDs → terminal conectado ao pino digital 7
• Fita 22 LEDs → terminal conectado ao pino digital 13
• Insira Sparkfun Sound Detector
• Chave Rocker: polo central → GND, posição 1 → pino D2, posição 2 → pino D4
• Conecte IQAudio Digi Amp Plus +V e GND nos headers fêmea do rail 5V na Perma Proto (fotos acima)
• Conecte slow fade RGB nos headers fêmea +V e GND

Faça upload do sketch Jukebox LEDs no Arduino. Os LEDs da grade executam rotina RainbowCycle no setup, o que leva tempo. LEDs reativos ao som não funcionam imediatamente. Após setup, LEDs da grade permanecem sempre acesos, não afetados pela chave. Com música no Volumio, tubos Neon devem reagir com chave na posição 1. Posição 2 passa padrão color-wheel/chaser pelos tubos. Posição central desliga LEDs Neon.

Impressão 3D

Veja pasta docs do download GitHub para identificação de peças (Parts List) e tempos de impressão. Há screenshots dos parâmetros e orientação no Prusa Slicer na pasta 3D-Prints.

NOTA: Todas as imagens são do protótipo que construí. Diferem do design final Fusion 360 e arquivos STL publicados. STIs finais incluem melhorias:

• Aumentar bezel do LCD touch screen
• Aumentar placa de montagem para mais folga
• Remover espaçadores 3D impressos na placa de montagem — usar apenas furos com parafusos inseridos pela base
• Simplificar tampa traseira

Montagem

Ferramentas

Usei pistola de cola quente ponta fina para alcançar espaços menores. Bastões de diâmetro menor, muitos deles.

Usei fita comum para segurar peças temporariamente para colar. Fita de embrulho Scotch funcionou bem: boa adesão e resistência ao cisalhamento.

Enclosure

Peças são coladas de dentro para fora: Grade → Tubos Neon, conforme vídeo.

PAUSE após colar Tubos Neon e monte o seguinte hardware. Dará mais espaço para trabalhar antes de colar case traseiro:

• Janela Acrílica com foto
• NeoPixels
• LCD Touch Screen
• Tecido da Grade e Suporte Star Light
• Raspberry Pi / IQAudio Pi Digi Amp / Arduino
• Feltro Adesivo (ou papel) como forro
• Base com chaves

Depois continue colando Case e Base nas outras partes montadas.

Após case totalmente montado e colado, monte Alto-falantes e adicione Decorações.

Há tampa traseira opcional de 2 peças 3D que parafusa na traseira do case.

Montagem do Hardware

"Direita" e "Esquerda" são sua direita e esquerda de frente para a jukebox.

Janela Acrílica e Foto

Use ferramenta rotativa (ex: Dremel) em velocidade baixa para cortar acrílico transparente. Há template no download GitHub. Prenda template no acrílico e corte ao redor. Lixe bordas e use cola CA para fixar no topo do Arco. Imprima foto que preencha área visível e cole atrás do acrílico.

NeoPixels

Cole fita LED longa de lado nos Tubos Neon, com LEDs virados para dentro dos Tubos. Há pequeno espaço entre LED e borda da fita que ajuda encaixe. Alinhe para colar.

NeoPixels da Grade serão colados na Base Esquerda e Direita, com formato "U" perto da placa de montagem. Segure fita com pedaços de fita e fixe pontos com cola quente. Quando firmes, remova fita e preencha onde estava com mais cola.

LCD Touch Screen

Parafuche Touch Screen nos postes de montagem no topo do Arco, abaixo da Janela Acrílica. Entrada HDMI do Touch Screen fica no topo. Insira adaptador HDMI 90° para 270° lá. Plugue cabo HDMI flat 30cm Male-Male no adaptador. Outra extremidade no Raspberry Pi 3. (Se usar Pi 4, precisa cabo diferente com Micro HDMI). Insira Micro USB 90° esquerdo na porta Touch do LCD, e USB-A no Raspberry Pi. Passe cabo pelo Tubo Neon esquerdo.

Tecido da Grade e Suporte Star Light

Grade será forrada com "tecido de alto-falante" para esconder interior. Haverá suporte de LED atrás da Star Light para evitar vazamento de luz, e furo no tecido para ele.

Corte tecido grande o suficiente para cobrir Grade e bordas dos Tubos da Grade. Use suporte Star Light 3D como guia e marque tecido em círculo para fora do suporte. Marque cruz no centro. Corte as duas linhas da cruz = 4 seções. Corte parte arredondada de cada seção para fazer furo para suporte de LED.

Monte LED colorido (seção Preparar Placa/Luz da Estrela). Insira LED no suporte e cole na Star Light. Cola CA funciona bem.

Com suporte colado, encaixe tecido sobre suporte e Grade. Estique e cole bordas do tecido nos Tubos da Grade.

Raspberry Pi / IQAudio Pi Digi Amp / Arduino

Monte Pi e outras placas (você montou e testou em Começando, Certo?) na placa de montagem com parafusos nos espaçadores 5mm da base do Pi. Plugue cabos HDMI e USB do LCD no Pi montado. Há cabo adicional Micro USB para Micro A de 15cm. Plugue ponta Micro no Arduino e outra no Pi para alimentar Arduino.

Star Light +5V e GND plugam na alimentação dos rails +5V/GND do Digi Amp Plus.

Feltro Adesivo

Para evitar vazamento de luz, cubra interior com feltro artesanal com adesivo próprio. Teste encaixe e corte furos para cabos/fios passarem.

Base com Chaves

Além da Chave Seletora de Animação, há chave rocker on-off conectada a jack painel-montado.

Corte um fio GND (preto) ≥80mm para esta chave. Descasque jaqueta do cabo extensão de força (branco) ~80mm para expor fio vermelho e preto. Insira conector barril e chave rocker on-off na base.

Solde fio preto cortado no terminal "O" de um lado, outro lado no pino GND ativo do conector barril. Outro terminal "I" soldado no GND (preto) do cabo extensão para Digi Amp Plus. Por fim, +V (vermelho) do cabo extensão soldado no terminal +V do conector barril.

Plugue conector extensão no Pi Digi Amp Plus. Cole Base no Fundo e Case.

Alto-falantes

Dayton Audio RS100-8 têm cone central que impede montagem flush em grade sólida. Se usar estes (ou similares com centro saliente), precisará de anel de montagem (arquivo 3D fornecido) para montagem correta.

Último passo: parafuse alto-falantes com parafusos M2.5 metal 15mm e porcas.

Dica: Para facilitar, monte anéis no case com parafusos inseridos para alinhamento nos furos. Fixe com cola quente ou CA. Quando firme, monte alto-falantes nos anéis.

Tive sorte segurando porcas minúsculas com indicador e girando parafuso para iniciar.

Um furo reto atrás de cada lado tem pouca folga. Difícil iniciar porca aí. Blu-tack ou fita na porca ajuda posicionar para iniciar.

Consegui fixar todas as porcas.

Decorações

Decorações no topo e dois lados, detalhes no documento Parts List 3D do GitHub:

• Cobertura Vermelha Tubo Neon
• Decoração Leque Tubo Neon
• Ornamento Tubo Neon
• Cobertura Junta Case
• Ornamento Vermelho Topo
• Ornamento Topo

Repita para Esquerda & Direita:

Para Tubos Neon, use régua pequena para marcar ponto médio na lateral da Cobertura Vermelha com lápis. Combine com juntas do Tubo Neon e cole com CA.

Cobertura Junta Case longa alinha à Cobertura Vermelha Tubo Neon e cola no case.

Cole Decoração Leque e Ornamento no topo e base da Cobertura Vermelha.

Ornamento Topo (2 peças separadas) encaixa no Ornamento Vermelho Topo e cola como conjunto.

Para alinhamento, marque lápis no meio do topo do Arco e outro no meio da Cobertura Vermelha Topo. Alinhe marcas e cole.

Operação

Volumio tem interface intuitiva e fácil.

Para começar, pressione/selecione ícone 'Home' ou botão 'Browse' na janela 'Playback'. Verá algo como imagem abaixo, dependendo das opções instaladas.

Para Pandora e Spotify (assinatura paga), vá em Settings/Plugins/Music Services. Conecte ao Volumio via AirPlay com Apple Music player.

Atualização 20 de Setembro de 2021

Raimund Trierscheid fez versão da Modern Jukebox com melhorias! Adicionou painéis de madeira 5mm nas laterais do case para segurar alto-falantes pesados e melhorar som.

Algumas fotos: