🎶 ESP32-S2 免接觸特雷門 — 完整實作指南

📋 專案概述

兒子學琴第三個月，開始每週固定出現一次「手指痛」。我沒買第二台電鋼的預算，卻一直想讓他玩一樣不需要精準按鍵的東西——上週陪他看《生活大爆炸》，Sheldon 兩只手懸在空氣裡「彈」出一段旋律，他在沙發上整個人跳起來：「這個不用按！」那一幕就是特雷門（Theremin），1920 年代發明的第一支電子樂器，也是到今天看起來還最像魔法的一支。

於是我認認真真查了一晚上貨架：

1. 正经特雷門（MOEEUS THEREMIN V2 那一類）：台幣 3,900 元起。買一台「可能彈兩次就收進櫃子」的樂器給一個剛說手指痛的八歲小孩？這筆帳算不通。
2. 淘寶玩具特雷門：900 元。評價區全是「音準像喝醉」「兩根天線互相打架」「調完 A 音 B 音跟著跑」——它的本體是兩顆 555 振盪器外差，漂移是天性，不是品控問題。
3. DIY 古法（555／CD4011 雙振盪差頻）：材料 300 元，但要拿示波器把兩顆振盪器調到彼此不_pull-in_、再跟溫度掙扎——那不是做樂器，是拜師。

然後我看見 ESP32 家族裡一個長年被冷落型號的規格表：ESP32-S2 內建最多 14 通道電容式觸覺感應（Touch Sensor），而且內建兩顆 8-bit DAC。「手掌隔空改變電容」正是特雷門天線物理學的一模一樣那條公式，「DAC 直出音頻」正是揚聲器要的東西——一支 110 元的板子把這台的兩條腿都買齊了。於是有這篇：

• 右迴路＝音高：手在天線上空上下移動，65.4Hz（C2）～1046Hz（C6）四個八度，指數映射——手指等速移動，音樂上是等音程滑行，這是樂器起碼的禮貌
• 左迴路＝音量：越近越響，手完全離開 150ms 內歸零；靜音時真的靜音，不是「很小聲的咝咝」
• WS2812 八燈音高譜：C 紅 D 橙 E 黃按音名上色，孩子「看得見」自己滑到哪兩個音——順便把「為什麼剛剛那個音聽起來怪怪的」變成可以討論的事
• 44.1kHz 波表合成：256 點正弦查表＋線性內插，DAC 經兩階 RC 抗頻疊後由 PAM8403 推 2W 喇叭；拔喇叭可插小擴大機或耳機
• 一鍵校準存 NVS：按兩秒，把當下環境的電容基準記進快閃，斷電不丟；换桌子和春天搬去陽台都不用重開機調半天
• 三層防抖：12 點中值濾波 → 基線只追「手離開時」的慢速移動平均 → 死區＋斜率限制；音高不再喝醉，這是打敗 900 元玩具的全部秘密

帳目：MOEEUS 3,900 元、玩具款 900 元（評價看下來等同丟 900 元）、本機 455 元。它不會让孩子从此爱上练琴——它做的是把「原來我手一挥就能创造音乐」这件事，变成一个 455 元、当晚就能实现的晚上。

為什麼選 ESP32-S2？

🧱 硬體清單

🔌 接線圖

詳細接線

🧊 3D 列印設計

💻 Arduino 程式碼

板管理器選「esp32 by Espressif Systems」≥ 2.0.9，開發板選 ESP32S2 Dev Module，USB CDC On Boot: Enabled。只需要一顆相依：Adafruit NeoPixel。

/* ================================================================
 *  ESP32-S2 免接觸特雷門  firmware v1.0  (2026-10-24)
 *  ----------------------------------------------------------------
 *  功能   ：雙觸控迴路特雷門——右手音高 / 左手音量，
 *           44.1kHz 正弦波表合成（8-bit DAC 直出），
 *           WS2812 八燈音高譜，一鍵校準存 NVS
 *  硬體   ：ESP32-S2-DevKitM-1
 *           TOUCH1=GPIO1 右號角(音高)  TOUCH2=GPIO2 左號角(音量)
 *           DAC0=GPIO17 → 兩階 RC → PAM8403 → 2W 喇叭
 *           WS2812 DIN=GPIO8(330Ω)   校準按鈕=GPIO0(對 GND)
 *  供電   ：USB 5V 1A（燈條＋功放建議獨立 5V 或粗線）
 *  相依   ：Adafruit NeoPixel；core ≥ 2.0.9
 *  ================================================================ */
#include <Adafruit_NeoPixel.h>
#include <Preferences.h>
#include <esp_timer.h>
#include <driver/dac.h>

/* --- 1. 腳位與原則性常數 -------------------------------------- */
#define TOUCH_PITCH   1        // GPIO1：touch1 是晶片硬性綁定，不能改
#define TOUCH_VOL     2        // GPIO2：touch2
#define BTN_CAL       0        // 校準按鈕（內部上拉，按下=GND）
#define LED_PIN       8
#define LED_NUM       8

Adafruit_NeoPixel strip(LED_NUM, LED_PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);

const float F_MIN = 65.41f;    // C2，比吉他最低弦還低一度，夠用
const float F_MAX = 1046.5f;   // C6，四個八度
const uint32_t AUDIO_RATE = 44100;

/* --- 2. 正弦波表（256 點、線性內插補中間值） -------------------- */
static uint8_t sineLut[256];
static inline uint8_t sineAt(float phase /*0..1*/) {
  uint16_t p = (uint16_t)(phase * 255.99f);
  return sineLut[p];
}

/* --- 3. 觸控前端：中值濾波 → 基線追蹤 → 歸一化 ------------------- */
struct TouchChan {
  uint8_t  ch;             // touch 通道編號
  uint16_t buf[12];        // 中值濾波滑動窗
  uint8_t  idx = 0;
  float    baseline = 0;   // 「手不在」的背景值，只在無手時更新
  float    delta = 0;      // baseline - 當前值，越大＝手越近
  bool    handNear = false;
  float   calOffset = 0;   // 校準存的補正值（處理桌面潮氣漂移）
};
TouchChan tcP = { .ch = TOUCH_PITCH }, tcV = { .ch = TOUCH_VOL };

/*  用途：讀一通道，做 12 點中值濾波＋基線追蹤
 *  參數：t=通道   回傳：0..1 接近度（死區已扣除）
 *  為什麼中值：觸控偶發跳變（Wi-Fi 沒有、但喇叭電流脈衝有）是單點
 *  尖刺，均值濾波會被拉偏，中值免疫；為什麼基線只在「無手」時追：
 *  手懸停 30 秒會被慢速 EMA 當背景吃掉音高——樂器不能這樣背叛玩家 */
float touchScan(TouchChan& t) {
  uint16_t raw = touchRead(t.ch);
  t.buf[t.idx++] = raw;
  if (t.idx == 12) {
    t.idx = 0;
    // 插入排序取中值（12 個元素，代價可忽略）
    for (int a = 1; a < 12; a++) {
      uint16_t k = t.buf[a]; int b = a - 1;
      while (b >= 0 && t.buf[b] > k) { t.buf[b+1] = t.buf[b]; b--; }
      t.buf[b+1] = k;
    }
    float med = t.buf[5] * 0.5f + t.buf[6] * 0.5f;
    float d = (t.baseline - med) - t.calOffset;
    if (d < 40) {                       // 死區：低於 40 counts 視為無手
      t.handNear = false;
      t.baseline += (med - t.baseline) * 0.003f;  // 慢速追環境漂移
      t.delta *= 0.85f;                            // 釋放斜率，防喀噪
    } else {
      t.handNear = true;
      t.delta = d;
    }
    return constrain(d / 900.0f, 0.0f, 1.0f);     // 900 counts ≈ 手掌 12cm
  }
  return t.delta / 900.0f;
}

/* --- 4. 音頻任務：44.1kHz 波表輸出（最高優先權） ----------------- */
volatile float gFreq = 440.0f;   // 由控制任務寫入，音頻任務只讀
volatile float gVolTarget = 0;   // 目標包絡
TaskHandle_t hAudio;

static void audioTask(void*) {
  int64_t next = esp_timer_get_time();
  float phase = 0, env = 0;
  while (true) {
    float v = gVolTarget;
    // attack 20ms / release 150ms：起手不「啪」、放手不「噠」
    float k = (v > env) ? 0.012f : 0.0016f;
    env += (v - env) * k;
    if (env < 0.004f) env = 0;               // 靜音徹底，不留殘嘶
    uint8_t s = sineAt(phase);
    int out = 128 + (int)((s - 128) * env);  // 以 128 為 DC 偏置
    dac_output_write(DAC1, (uint8_t)constrain(out, 0, 255));
    phase += gFreq / AUDIO_RATE;
    if (phase >= 1.0f) phase -= 1.0f;
    next += 1000000LL / AUDIO_RATE;
    int64_t wait = next - esp_timer_get_time();
    if (wait > 1000) vTaskDelay(wait / 1000 / portTICK_PERIOD_MS);
  }
}

/* --- 5. 控制任務：觸控掃描 → 音高/音量映射 ----------------------- */
Preferences nvs;
float slewedFreq = 440.0f;

/*  用途：指數音高映射＋斜率限制
 *  為什麼指數：線性映射＝低音區手指一寸八度、高音區一毫米半音，
 *  難彈到懷疑人生；指數映射下「等距離＝等音程」才是樂器
 *  為什麼斜率限制：觸控殘餘抖動直接轉成頻率會變成廉价 vibrato，
 *  限制每秒變化速率後，快速揮手仍跟得上，靜手如磐石 */
void controlTask(void*) {
  float lastNote = -1;
  while (true) {
    float p = touchScan(tcP), v = touchScan(tcV);
    if (tcP.handNear) {
      float target = F_MIN * powf(F_MAX / F_MIN, constrain(p, 0.02f, 1.0f));
      float maxStep = target * 0.012f;            // 每 2ms 最多 ±1.2%（≈每秒兩個八度）
      if (fabsf(target - slewedFreq) > maxStep)
        slewedFreq += (target > slewedFreq ? maxStep : -maxStep);
      else slewedFreq = target;
      gFreq = slewedFreq;
      gVolTarget = tcV.handNear ? constrain(v * 1.35f, 0.12f, 1.0f) : 0.0f;
    } else {
      gVolTarget = 0;                              // 右手離開＝不發聲
    }
    // WS2812 音高譜：音名 → 色相（C 紅 D 橙 E 黃 F 綠 G 青 A 藍 B 紫）
    if (tcP.handNear) {
      float note = 12.0f * log2f(slewedFreq / 16.35f);   // MIDI 音名浮點
      int ni = ((int)roundf(note)) % 12;
      if (ni != (int)lastNote) {
        lastNote = ni;
        uint8_t hue = (uint8_t)(ni * 21);
        for (int i = 0; i < LED_NUM; i++)
          strip.setPixelColor(i, strip.ColorHSV(hue * 256, 255,
              140 + 80 * (float)i / LED_NUM));
        strip.show();
      }
    } else if (millis() % 2000 < 30) {            // 無手：呼吸一下表示活著
      strip.clear(); strip.setPixelColor(0, 12, 40, 20); strip.show();
    }
    vTaskDelay(2 / portTICK_PERIOD_MS);            // 500Hz 控制環
  }
}

/* --- 6. 校準：長按 2 秒記下當前基線 ----------------------------- */
void tryCalibrate() {
  if (digitalRead(BTN_CAL)) return;
  uint32_t t0 = millis();
  while (!digitalRead(BTN_CAL) && millis() - t0 < 5000) vTaskDelay(5);
  if (millis() - t0 < 2000) return;               // 不足 2 秒＝誤按
  // 雙手離開狀態下採 30 次平均，差值寫入 NVS
  uint32_t b1 = 0, b2 = 0;
  for (int i = 0; i < 30; i++) { b1 += touchRead(TOUCH_PITCH);
                                  b2 += touchRead(TOUCH_VOL); vTaskDelay(5); }
  nvs.putULong("calP", b1 / 30);
  nvs.putULong("calV", b2 / 30);
  for (int i = 0; i < LED_NUM; i++) { strip.setPixelColor(i, 0, 255, 120);
                                      strip.show(); vTaskDelay(40); }
  esp_restart();                                   // 重開機吃新校準，最乾淨
}

/* --- 7. setup ---------------------------------------------------- */
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(BTN_CAL, INPUT_PULLUP);
  strip.begin(); strip.setBrightness(90); strip.clear(); strip.show();
  for (int i = 0; i < 256; i++)                    // 波表：一個完整正弦
    sineLut[i] = 128 + (uint8_t)(127.0f * sinf(i * 2.0f * PI / 256.0f));

  nvs.begin("theremin", true);
  uint32_t cp = nvs.getULong("calP", 0), cv = nvs.getULong("calV", 0);
  uint32_t r1 = 0, r2 = 0;
  for (int i = 0; i < 30; i++) { r1 += touchRead(TOUCH_PITCH);
                                 r2 += touchRead(TOUCH_VOL); vTaskDelay(5); }
  r1 /= 30; r2 /= 30;                              // 開機 10 秒讓觸控收斂
  tcP.baseline = cp ? cp : r1;
  tcV.baseline = cv ? cv : r2;
  tcP.calOffset = cp ? 0 : 0;                      // 校準值即基線，補正歸零
  Serial.printf("base P=%lu V=%lu\n", (unsigned long)tcP.baseline,
                              (unsigned long)tcV.baseline);

  // 音頻任務：最高優先權釘在唯一核心上；控制任務讓它半级
  xTaskCreatePinnedToCore(audioTask,  "audio", 4096, NULL, 24, &hAudio, 0);
  xTaskCreatePinnedToCore(controlTask,"ctrl",  4096, NULL, 12, NULL, 0);
}

void loop() {
  tryCalibrate();
  delay(20);
}

🔧 組裝步驟

1. 列印就緒：六個列印件＋燈條壓條；號角頂孔先試插鋁棒——应该是「用手掌推进去的紧」，太鬆點熱熔膠，太緊砂紙修孔。
2. 做迴路：漆包線在鋁棒根部繞三圈（Ø≈2.5cm），尾端鉑金線直接焊成一圈閉合；預留 12cm 引線穿過號角內走線槽，剝漆上錫後焊 26AWP silikon 軟線進板子 GPIO1。
3. 音量迴路同法：焊 GPIO2。兩根天線棒裝上號角、鎖底座——此時先別鎖死，留校準餘裕。
4. 音頻鏈：洞洞板焊兩階 RC（1kΩ/100nF ×2），輸出接 PAM8403 IN+，喇叭接 OUT；PAM8403 供電直接從 USB 分線，不要走板子的 5V 軌——功放電流從板子繞路會把 DAC 電源弄髒。
5. 燈條：DIN 串 330Ω 焊 GPIO8，供電端焊 1000µF；壓條卡進底座前沿。
6. 燒機與校準：燒韌體 → 開機 10 秒雙手離開 → 按 2 秒校準（燈條跑綠光）→ 關機 10 分鐘再驗一次（電容基線會隨溫度微漂，第二輪校準才是工作基線）。

🧪 驗證與調音

🆘 問題排除

📁 專案檔案結構

theremin/
├── firmware/
│   └── theremin.ino             # 上方完整韌體
├── stl/
│   ├── base-15deg.stl           # 底座（15° 上翹＋配重槽）
│   ├── horn-left.stl            # 左號角（音量）
│   ├── horn-right.stl           # 右號角（音高）
│   ├── led-diffuser.stl         # 燈條導光壓條
│   └── board-stand.stl          # 板托＋功放夾
├── f3d/
│   └── theremin.f3d             # Fusion 360 原始檔
├── manual/
│   └── assembly.html            # 圖文組裝說明書
└── README.md                    # 說明文件