9 蜂鸣器
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注：笔记主要参考B站江科大自化协教学视频“51单片机入门教程-2020版 程序全程纯手打 从零开始入门”。
注：工程及代码文件放在了本人的Github仓库。
9.1 蜂鸣器简介
蜂鸣器 是一种将电信号转换为声音信号的器件，常用来产生设备的按键音、报警音等提示信号。蜂鸣器按驱动方式可分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器：
有源蜂鸣器：内部自带振荡源，将正负极接上直流电压即可持续发声，频率固定。
无源蜂鸣器：内部不带振荡源，需要控制器提供振荡脉冲（一般是PWM波）才可发声，调整提供振荡脉冲的频率，可发出不同频率的声音。
注：两者外观几乎没有差别，购买的时候要注意。
再注：单片机上自带的蜂鸣器为无源蜂鸣器。
图9-1 DS1302实物图
由于单片机引脚的驱动能力弱，所以一般不能直接用于驱动信号，而是作为开关信号来控制驱动能力更强的信号，从而驱动元器件正常工作。驱动蜂鸣器的方式主要有两种：三极管驱动（图8-2）、集成电路驱动（图8-3）。单片机采用集成电路芯片 达林顿晶体管阵列 ULN2003D 驱动蜂鸣器。
图9-2 蜂鸣器-三极管驱动方式
图9-3 蜂鸣器-集成电路驱动方式
达林顿管又称复合管。他将两个三极管串联，以组成一只等效的新的三极管。这只等效三极管的放大倍数是原二者之积，因此它的特点是 放大倍数非常高。达林顿管的作用一般是在高灵敏的放大电路中放大非常微小的信号，如大功率开关电路。在电子学电路设计中，达林顿接法常用于功率放大器和稳压电源中。达林顿晶体管相当于非门，但是输出的“1”是高阻态，没有驱动能力；输出的“0”则有驱动能力。
图9-4 ULN2003逻辑框图
下面来分析乐理。无源蜂鸣器只有在由通路变成断路时才会发出声音，反之由断路变成通路并不发出声音。根据电路原理图可知，只要控制P2_5下降沿的频率就可以控制蜂鸣器发出不同的声音，而调节占空比则可以控制蜂鸣器的音量。下图8-5中，按照一组音调依次分成4组：大字组、小字组、小字1组、小字2组。组与组之间相差“8度”；相邻的两个键之间（包括白键与黑键）相差半音； 数字简谱左上标“#”表示升高半音，“b”表示降低半音，升降号在本小节有效。 下图8-6给出了“小字组、小字1组、小字2组”音符与频率的对应关系。也就是说，每一个音符都对应了一个特定的频率。
而为了按照正常的节奏演奏出整首音乐，还需要调整每个音符所占用的时间。下图8-7给出了不同的音符的时值比，可以看出在音符的右侧和下面加横线可以实现2的幂次的调整，而在右侧加点则表示乘以1.5倍。 一般设置四分音符的持续时间为500ms。
于是根据下面两张图，整体思路如下：钢琴五线谱→数字简谱→蜂鸣器频率。 通过不断改变定时器的复位值，进而控制蜂鸣器的频率变化。
图9-5 钢琴谱与数字简谱的转换关系
图9-6 数字简谱与蜂鸣器频率对应关系
图9-7 不同的音符的时值比
9.2 实验：蜂鸣器播放提示音
需求：对于四个独立按键开关，每当按键按下，蜂鸣器给出提示音，并且在数码管上显示按下的按键值。
本实验使用软件延时，完成蜂鸣器的频率调整和蜂鸣持续时间。代码如下：
- main.c
#include <REGX52.H>
#include "PushKey.h"
#include "NixieTube.h"
#include "Buzzer.h"
void main(){
unsigned char key_num = 0;
NixieTube(8,key_num); // 数码管显示初始化
while(1){
key_num = PushKey();
if(key_num){
NixieTube(8,key_num);
Buzzer_Time(500);
}
}
}
- Buzzer.h
#ifndef __BUZZER_H__
#define __BUZZER_H__
void Buzzer_Time(unsigned int ms);//1000Hz，持续ms个毫秒
#endif
- Buzzer.c
#include <REGX52.H>
// 重新定义端口名
sbit Buzzer_con = P2^5;
/**
* @brief :蜂鸣器专用延时函数，@11.0592MHz晶振，延时500us
* @param :需要延时500us的个数
* @retval :无
*/
void Buzzer_Delay100us(unsigned int cycles){
unsigned char i;
do{
i = 43;
while (--i);
}while(--cycles);
}
/**
* @brief :蜂鸣器以默认频率1000Hz，持续响指定时间。
* @param :cycles持续时间（响cycles个1ms）。
* @retval :无
*/
void Buzzer_Time(unsigned int ms){
unsigned int i;
for(i=0;i<ms;i++){
Buzzer_con = !Buzzer_con;//每500us翻转一次
Buzzer_Delay100us(5);//控制蜂鸣器频率为1000Hz
}
}
- PushKey.h
#ifndef __PUSHKEY_H__
#define __PUSHKEY_H__
// 延时cycles ms，晶振@11.0592MHz
void PushKey_Delay(unsigned char cycles){
unsigned char i, j;
do{
i = 2;
j = 199;
do{
while (--j);
}while (--i);
}while(--cycles);
}
/**
* @brief :检测按下了哪个按键开关
* @param :无
* @retval :输出按键开关编号1~4，不按返回0，松开触发
*/
unsigned char PushKey(){
unsigned char key = 0;
if(!P3_1) {PushKey_Delay(10);while(!P3_1);PushKey_Delay(10);key=1;}
else if(!P3_0){PushKey_Delay(10);while(!P3_0);PushKey_Delay(10);key=2;}
else if(!P3_2){PushKey_Delay(10);while(!P3_2);PushKey_Delay(10);key=3;}
else if(!P3_3){PushKey_Delay(10);while(!P3_3);PushKey_Delay(10);key=4;}
return key;
}
#endif
- NixieTube.h
#ifndef __NIXIETUBE_H__
#define __NIXIETUBE_H__
void NixieTube(unsigned char led, unsigned char num){
// 给出数字0~9的定义（符合数组的索引）
unsigned char number[10] = {0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};
// 给出选择的LED1~LED8的定义（实际上只用P2的2/3/4引脚）
unsigned char sel_led[8] = {0x00,0x04,0x08,0x0c,0x10,0x14,0x18,0x1c};
P0 = 0x00; // 数码管不显示，消影
P2 = sel_led[led-1]; // 选择数码管：LED1
P0 = number[num]; // 数码管显示7
}
#endif
9.3 实验：蜂鸣器播放音乐
需求：使用蜂鸣器播放小星星、天空之城。
图9-8 《小星星》曲谱
图9-9 《天空之城》曲谱
由于单片机性能有限，实现播放音乐的功能之后几乎就没什么资源了，所以就不进行模块化了。为了便捷的控制蜂鸣器频率，使用定时器T0，通过对其溢出复位值得调整，以控制蜂鸣器周期。下面是代码的调用逻辑：
图9-10 “蜂鸣器播放音乐”的代码调用关系
代码展示：
- main.c
#include <REGX52.H>
#include "Timer0.h"
// 下面的乐谱可以替换
/***************************************************/
// 《小星星》乐谱定义
#define music_len 42//指定乐谱长度
unsigned char code music_freq_sel[2][music_len] = {
{12,12,19,19, 21,21,19, 17,17,16,16, 14,14,12, 19,19,17,17, 16,16,14,
19,19,17,17, 16,16,14, 12,12,19,19, 21,21,19, 17,17,16,16, 14,14,12 },
{4,4,4,4, 4,4,8, 4,4,4,4, 4,4,8, 4,4,4,4, 4,4,8,
4,4,4,4, 4,4,8, 4,4,4,4, 4,4,8, 4,4,4,4, 4,4,8}};
/***************************************************/
// 通用延时函数,1ms
void Delay1ms(unsigned int cycles){
unsigned char i, j;
do{
i = 2;
j = 199;
do{
while (--j);
}while (--i);
}while(--cycles);
}
// 重新定义端口名
sbit Buzzer_con = P2^5;
// 定义四分音符时长（500ms）
#define SPEED 500
//不同频率所对应的定时器重装载值
unsigned int freq_reload[37] =
{0,63628,63731,63835,63928,64021,64103,64185,64260,64331,64400,64463,64524,
64580,64633,64684,64732,64777,64820,64860,64898,64934,64968,65000,65030,
65058,65085,65110,65134,65157,65178,65198,65217,65235,65252,65268,65283};
//定义所需要选择的频率索引
unsigned char freq_sel = 0;
//定义音乐的索引变换，时长变换(时长以1/16音符为基准)
#define N0 0
#define L1 1
#define L1_ 2
#define L2 3
#define L2_ 4
#define L3 5
#define L4 6
#define L4_ 7
#define L5 8
#define L5_ 9
#define L6 10
#define L6_ 11
#define L7 12
#define M1 13
#define M1_ 14
#define M2 15
#define M2_ 16
#define M3 17
#define M4 18
#define M4_ 19
#define M5 20
#define M5_ 21
#define M6 22
#define M6_ 23
#define M7 24
#define H1 25
#define H1_ 26
#define H2 27
#define H2_ 28
#define H3 29
#define H4 30
#define H4_ 31
#define H5 32
#define H5_ 33
#define H6 34
#define H6_ 35
#define H7 36
void main(){
unsigned int i;
//定时器T0初始化
Timer0_Init();
freq_sel = 0;
while(1){
for(i=0;i<music_len;i++){
freq_sel = music_freq_sel[0][i];
Delay1ms(SPEED/4*music_freq_sel[1][i]);
TR0 = 0;
Delay1ms(5);
TR0 = 1;
}
TR0 = 0;
Delay1ms(5000); //暂停一段时间
TR0 = 1;
}
}
// 定义定时器T0中断后要执行的动作
void Timer0_Routine() interrupt 1{
//当频率不是“0”，才进行相应的振荡
if(freq_reload[freq_sel]){
TH0 = freq_reload[freq_sel]/256;
TL0 = freq_reload[freq_sel]%256;
Buzzer_con = !Buzzer_con;
}
}
- Timer0.h
#ifndef __TIMER0_H__
#define __TIMER0_H__
#include <REGX52.H>
/**
* @brief :对定时器0进行初始化，初始化完成后定时器0即可正常工作。
* 注：对11.0592MHz进行12分频（脉冲周期1.0850694us）。
* 注：配置过程中，由于掉电复位后中断都默认不开启，所以只需配置定时器0
* 相关的寄存器即可，不要定义其他中断的寄存器，以保证程序的复用性。
*/
void Timer0_Init(){
// 配置定时器T0的相关寄存器
TMOD&=0xf0; TMOD|=0x01; // 选择T0的GATE=0/允许计数/模式1
// 上面这个方法目的是不干扰高四位，对低四位先清零再加值。
TF0 = 0; TR0 = 1; // 溢出标志位清空，运行控制位置1
TH0 = 0xfc; TL0 = 0x66; // 离溢出近似1ms
// 注：上面这个初值只在第一次溢出生效，后面都是从0开始计数。
// 配置中断寄存器
EA = 1; ET0 = 1; // 不屏蔽所有中断，允许T0溢出中断
PT0 = 0; // T0优先级保持默认，不写这句话也可以
}
/*中断函数模板
// 定义定时器T0中断后要执行的动作
void Timer0_Routine() interrupt 1{
static unsigned int count_T0; //中断次数
count_T0++; //更新中断次数
TH0 = 0xfc; TL0 = 0x66; // 恢复溢出周期，近似1ms
if(count_T0>500){
count_T0 = 0;
}
}
*/
#endif
编程感想：
- 关于位运算。在FPGA中经常使用位运算提升运算效率，即使位宽不同也可以很方便的指定位的索引；但是在单片机中，运算中通常不能指定位的索引，所以在进行不同位宽的位运算时，会出现一些奇怪的bug。即，在单片机中，除了一些特殊的场合（如寄存器赋值），应避免使用复杂的位运算。
- 愚蠢的错误：音乐播放完之后，不会继续播放，而是持续的嘈杂。原因：定义音乐的数组长度太长了，导致最后的音是空的。即数组的溢出错误，代码飘到哪里就不知道了。
- 下面是其他音乐的一些乐谱：
/***************************************************/
// 《天空之城》曲谱
#define music_len 121//指定乐谱长度
unsigned char code music_freq_sel[2][music_len] = {
{ N0,N0,N0,M6,M7, H1,M7,H1,H3, M7,M3,M3,
M6,M5,M6,H1, M5,M3, M4,M3,M4,H1,
M3,N0,H1,H1,H1, M7,M4_,M4_,M7, M7,N0,M6,M7,
H1,M7,H1,H3, M7,M3,M3, M6,M5,M6,H1,
M5,M2,M3, M4,H1,M7,H1, H2,H2,H3,H1,
H1,M7,M6,M6,M7,M5_, M6,H1,H2, H3,H2,H3,H5,
H2,M5,M5, H1,M7,H1,H3, H3,
M6,M7,H1,M7,H2,H2, H1,M5, H4,H3,H2,H1,
H3,H3, H6,H5,H5, H3,H2,H1,N0,H1,
H2,H1,H2,H2,H5, H3,H3, H6,H5,
H3,H2,H1,N0,H1, H2,H1,H2,M7, M6,M6,M7},
{ 4,4,4,2,2, 6,2,4,4, 12,2,2,
6,2,4,4, 12,4, 6,2,4,4,
8,2,2,2,2, 6,2,4,4, 8,4,2,2,
6,2,4,4, 12,2,2, 6,2,4,4,
12,2,2, 4,2,4,4, 2,2,2,8,
2,2,2,2,4,4, 12,2,2, 6,2,4,4,
12,2,2, 6,2,4,4, 16,
2,2,4,4,2,2, 6,10, 4,4,4,4,
12,4, 8,4,4, 2,2,8,2,2,
4,2,2,4,4, 12,4, 8,8,
2,2,8,2,2, 4,2,6,4, 12,2,2}
};
/***************************************************/
