单片机驱动蜂鸣器发声原理

有源蜂鸣器与无源蜂鸣器的区别

这里的“源”不是指电源，而是指震荡源。

内部自带震荡源的为有源蜂鸣器，给电就能响，但是响的频率是固定的，即响的声音是固定的。

内部没有震荡源的为无源蜂鸣器，给直流电不能响，需要提供一定频率的脉冲信号才能够有响声，而且声音随着频率的变化而变化。

所以我们要想实现蜂鸣器演奏音乐的话，只能选用无源蜂鸣器。

单片机驱动蜂鸣器发声原理

单片机上面使用的蜂鸣器一般都是无源电磁式的蜂鸣器。它由外壳、振动膜片、磁铁、电磁线圈、及振荡器等组成。

接通电源后，电流通过电磁线圈，致使电磁线圈工作产生磁场，振动膜片在磁铁以及电磁线圈的相互作用下，周期性地振动发出一定频率的声音。

单片机IO引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要设计一个电流放大的电路，具体实现如下图所示。

有源蜂鸣器和无源蜂鸣器的驱动电路是一样的，都是如上图所示。

有源蜂鸣器，只需要改变Buzzer（PB9）引脚的高低电平即可控制蜂鸣器。

当Buzzer引脚为低电平的时候，三极管导通，蜂鸣器响；

当Buzzer引脚为高电平的时候，三极管截止，蜂鸣器不响。

注意此处使用的蜂鸣器为3.3V的蜂鸣器。

无源蜂鸣器，Buzzer引脚要提供一个脉冲信号才能响。下面封装了一个输入参数为频率的无源蜂鸣器驱动函数。

频率的倒数即是时间，此处计算的是T/2的时间，由于1秒钟是1000000us，所以一半即500000，所以下面的延时时间为：

time = 500000/((u32)frq);

具体实现如下所示：

void Sound(u16 frq){ u32 time; if(frq != 1000) { time = 500000/((u32)frq); BEEP = 0; delay_us(time); BEEP = 1; delay_us(time); }else delay_us(1000);}

当单片机用于演奏歌曲时，只需搞清楚两个概念即可，也就是“音符（音调）”和“节拍”。音调表示一个音符该唱的频率，节拍表示一个音符该唱多长的时间。

有了上面函数，我们即可以驱动无源蜂鸣器按照一定的频率发声了，那么我们如何知道某个音的频率呢？

音符

我们查阅网上资料，可以得到如下音符和频率的对应关系：

音符	频率(Hz)
低1 DO	262
#1 DO#	277
低2 RE	294
#2 RE#	311
低3 MI	330
低4 FA	349
#4 FA#	370
低5 SO	392
#5 SO#	415
低6 LA	440
#6	466
低7 SI	494
中1 DO	523
#1 DO#	554
...	...

 

由于钢琴的中央C基频约为261.63Hz，唱“DO”。根据国际标准，相邻的半个音（即钢琴相邻键）的基频相差2^(1/12)倍。

经过计算，我们能得到 #1 DO# 的频率为277。

以此类推，我们能够求出表格中每个音对应的频率，大家可以验证一下上面表格中的数据是否有这样的规律。

钢琴一个八度的12个琴键可以表示为如下形式：

DO  DO#  RE  RE#  MI  FA  FA#  SO  SO#  LA  LA#  SI

其中“#”表示比该音符高半个音的黑键。

按照上面的关系，我们可以得出：升一个八度其频率将翻番。

比如上面表格中的低1 DO和中1 DO的频率就是翻番的。

所以我们想发出低1 DO的音的话，可以调用如下函数：

Sound(262);

节拍

有了音符，也就是知道了这个音怎么发音，那么要想写出一个乐谱，还要知道，这个音发多长时间，这就引出了节拍的概念。

在一张乐谱中，我们经常会看到这样的表达式，如1=C（4/4）、1=G（3/4）... ...等等，这里1=C（4/4）、1=G（3/4）表示乐谱的曲调。

比如：3/4就是乐谱中，以四分音符为节拍，每一小节有三拍。

每一拍的时长是多少秒没有规定，一般在乐谱的前面会写到类似于：

表示该曲子每分钟要弹奏出96个四分音符。

我们一般以四分音符为一拍，一般说来，如果乐曲没有特殊说明，一拍的时长大约为400-500ms。

上图中，其中 1、2为一拍，3、4、5为一拍，6为一拍共三拍。

1、2的时长为四分音符的一半，即为8分音符长；

3、4的时长为八分音符的一半，即为十六分音符长；

5的时长为四分音符的一半，即为八分音符长；

6的时长为四分音符长。

由上面的关系，我们就可以随便找到一个简谱，如果1拍为0.4秒，那么1/4拍是0.1秒，只要设定延迟时间就可求得节拍的时间。然后按照上面的关系写出程序中的乐谱。

精准延时的实现，可以参考今天的另外一篇网文《STM32中精确延时函数的实现》，在我公众号中也可以找到。

比如在我老婆的协助之下，写出了《你笑起来真好看》的乐谱如下：

整个乐谱转译加调整，一共耗时一个半小时，看在如此辛苦的份上，大家赏个三连吧。

u8 music[]={ 5,10,10,5,5,9,9,16,8,8,8,9,10,5,5,16, //想去远方的山川，想去海边看海鸥 6,8,8,6,5,10,10,16,9,8,8,6,9,16, //不管风雨有多少，有你就足够 5,10,10,5,5,9,9,16,8,8,8,6,5,10,10,16, //喜欢看你的嘴角，喜欢看你的眉梢 6,11,11,6,5,10,10,16,9,8,8,6,8,16, //白云挂在那蓝天，像你的微笑 5,12,5,5,12,5,9,16,8,6,8,8,8,10,12,16, //你笑起来真好看，像春天的花一样！ 8,6,8,8,8,13,12,10,9,8,6,8,8,10,9,16, //把所有的烦恼，所有的忧愁，统统都吹散 5,12,5,5,12,5,9,16,8,6,8,8,13,12,16, //你笑起来真好看，像夏天的阳光      8,8,8,13,12,10,9,8,6,8,8,9,8,16,         //整个世界全部的时光，美得像画卷。            };

上面数组的数字是MusicalNote数组的索引，进而可以求得该音符的频率：

// 低7 1 2 3 4 5 6 7 中1 中2 中3 中4 中5 中6 中7 高1 不发音 uc16 MusicalNote[] = {247,262,294,330,349,392,440,494,523,587,659,698,784,880,988,1046,1000};

u8 time[] = { 4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4, //想去远方的山川，想去海边看海鸥 4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,8,4, //不管风雨有多少，有你就足够 4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4, //喜欢看你的嘴角，喜欢看你的眉梢 4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,8,4, //白云挂在那蓝天，像你的微笑 4,4,2,2,4,4,4,4,4,4,2,2,4,4,8,4, //你笑起来真好看，像春天的花一样！ 4,4,2,2,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,8,4, //把所有的烦恼，所有的忧愁，统统都吹散 4,4,2,2,4,4,4,4,4,4,4,4,4,8,4, //你笑起来真好看，像夏天的阳光 4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,8,4, //整个世界全部的时光，美得像画卷。 };

数组time中的数字代表music数组中每个音的节拍（响的时间），其中4代表一个四分音符，即一拍，本程序中为400ms，8代表一个二分音符，代表两拍，即800ms；2代表一个八分音符，1/2拍，即耗时200ms。

这次的应用明显有一个问题，就是整个播放音乐的过程中是一个死循环，效率很低，播放过程中很难打断。

由于今天重点介绍的是蜂鸣器的应用，所以先这样，下次咱们再换一种实现方式。