低成本 Arduino 呼吸控制器：USB-MIDI 即插即用，支持吸吹双向控制

核心物料清单（总成本约 ¥120）

核心创新点

• 双向气流检测：传感器测量差压，吹气（正压）与吸气（负压）分别输出独立 MIDI CC，默认均为 CC#2（呼吸控制器标准）
• 过采样平滑：Oversampling 库 13-bit 硬件过采样（64倍），有效分辨率提升至 16-bit，极大抑制量化噪声
• 自定义响应曲线：支持分段线性映射表（in[]/out[]），可实现软启动、压缩、扩展等非线性响应
• 唾液管理：三通接头分流排液，斜向布管防止积液导致读数漂移
• 即插即用：无需驱动，DAW 识别为标准 MIDI 设备，兼容所有主流宿主

硬件电路设计

信号链

MPS20N0040D (差分输出) 
  → LM358 同相放大 (增益约 2.5×, 由 R1/R2 决定) 
  → Arduino Micro A0 (ADC 输入)

关键点：

• 传感器 VCC 接 5V，GND 共地
• 运放单电源供电，输出摆幅 0~5V 匹配 ADC
• 三通接头直插传感器气口，免胶水密封

气路布局原则

1. 口含件 → 导气管 → 三通接头「进气口」
2. 三通「传感器口」→ 传感器（短管，<5cm）
3. 三通「排液口」→ 吸引器婴儿端（含滤芯）→ 向下垂直布管，利用重力排液
4. 全程保持 单调下坡，避免低洼积液

固件核心逻辑

用户可配参数（代码开头）

// 量程校准：吹气/吸气最大 ADC 增量，调大=更易满量程
int sensorRange1 = 800; // 吹气
int sensorRange2 = 800; // 吸气

// 输出映射：0-127=CC, 128=Aftertouch, 129=Pitch Bend Up, 130=Pitch Bend Down
int controllerNumber1 = 2; // 吹气 → CC#2
int controllerNumber2 = 2; // 吸气 → CC#2

// 通道设置
int controllerChannel1 = 1;
int controllerChannel2 = 1;

// 死区阈值：消除静止抖动
const int lowThreshold1 = 5;
const int lowThreshold2 = 5;

// 自定义曲线示例（软启动）
// int in1[] = {0, 6, 24, 78, 127};
// int out1[] = {0, 32, 64, 96, 127};

主循环流程

1. 过采样读取 ADC → sensorValue1
2. 计算吸气分量：sensorValue2 = sensorMin1 - sensorValue1
3. 双向独立：限幅 → 曲线映射 → 输出范围映射（CC 0-127 / PitchBend ±8191）
4. 仅当值变化时发送 MIDI 消息，避免总线拥堵
5. delay(refreshCycle) 控制刷新率（默认 0ms 即全速）

校准与使用指南

首次上电校准

• 上电后 前 10 次采样平均值 作为零点基准（sensorMin1）
• 严禁在上电/复位时吹气/吸气，否则零点偏移

量程调节

• 打开 Arduino IDE 串口绘图器（波特率 115200，开启 #define DEBUG）
• 正常演奏力度吹气/吸气，观察输出值是否能稳定触及 127
• 偏难 → 减小 sensorRange；偏易/过早饱和 → 增大

DAW 端映射

• 在合成器/采样器中将 CC#2 映射至 表情控制、滤波器截止、音量、颤音深度 等参数
• 吸气通道可映射为 Pitch Bend Down（设为 130）实现「吸气降音」效果

进阶改造方向

• 咬合/点头传感器：增加压力传感器（咬合）+ IMU（点头/倾斜），扩展为 3 维控制器
• 无线化：移植至 ESP32-S2/S3（原生 USB-MIDI + BLE MIDI），电池供电
• 专业外壳：3D 打印一体化口含件，集成防滴漏结构、指示灯、物理按键切换模式
• MPE 支持：利用 USB-MIDI 多通道实现每音独立表情控制

故障排查速查表

完整固件代码（含 Oversampling、USB-MIDI 库依赖）请参考项目附件。建议搭配 USB-MIDI Library 使用。