【51单片机实验笔记】声学篇（一） 蜂鸣器基本控制

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前言

蜂鸣器在生活中的应用实则相当广泛。通过本章你将学会制造噪声 （笑~）你将学会驱动它们，并发出响声。

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硬件介绍

蜂鸣器简介

蜂鸣器的英文为Buzzer，是将电信号转化为音频信号的基本电子器件。蜂鸣器有无源蜂鸣器和有源蜂鸣器两种。

• 无源蜂鸣器：即压电式蜂鸣器。内部不带振荡源，须提供脉冲信号驱动。通过改变频率调节音调高低，改变占空比调节音量大小。无正负极之分。
• 有源蜂鸣器：即电磁式蜂鸣器。内部自带振荡源，只需通直流电即响，驱动简单，但频率固定。有正负极之分。

这里的源与电源无关，指的是内部是否有振荡源。有源蜂鸣器有正负极之分，接反会导致蜂鸣器不工作，一般长脚为正极，短脚为负极。

有源蜂鸣器通常用于只需要发出响声的场景，如：按键音、报警器等等。无源蜂鸣器由于可以改变电压，可以应用于电子琴、变声器中。

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判断有源无源的方法

• 用万用表测试
  • 无源蜂鸣器电阻大致为10Ω左右。对于脉冲信号才能发声。
  • 有源蜂鸣器电阻大致为几百欧姆。且接通持续发声。
• 看表面封装
  • 无源蜂鸣器一般都是无贴纸标识。
  • 有源蜂鸣器一般都是有贴纸标识。

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扬声器简介

扬声器的英文为Loudspeaker，俗称喇叭，也是一种电声换能器件。扬声器的工作频率宽，音色好，常应用于较高端的电子消费领域，如蓝牙音箱，手机，电脑等。

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扬声器的重要参数

• 额定阻抗：即扬声器在共振峰后所呈现的最小阻抗，有4Ω、6Ω、8Ω、16Ω和32Ω等几种典型值。
• 直流阻抗：即扬声器音圈的直流电阻
• 额定功率：指扬声器长时间正常连续工作而无明显失真的输入平均电功率。
• 频率响应范围：一般低音扬声器的频率范围在20HZ~3kHZ之间，中音扬声器的频率范围在500HZ~5kHZ之间，高音扬声器的频率范围在2~20kHZ之间。扬声器的频响曲线越平坦，说明频率失真越小，有效频率范围越宽。
• 谐振频率：是决定扬声器低频特性的重要参数，谐振频率越低，扬声器低音的质感和力度也越好。

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扬声器和蜂鸣器的异同

1. 除了有源蜂鸣器是直接通直流发声，无源蜂鸣器和扬声器本质上都是通过音圈（线圈）和磁铁的引力和斥力从而产生振动发声。因此需要交变的电流驱动，直流PWM也可以驱动，电压的通断也会使振膜的振动。
2. 扬声器的音域更广，而蜂鸣器的音域狭窄。
3. 扬声器多用于音箱等对于音质要求较高的场合，而蜂鸣器多作为报警提示音使用。

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PWM基础

即脉冲宽度调制（pulse-width modulation），是一种功率控制技术。

占空比（duty），即单个脉冲周期中高电平所占的比例。
$$Duty=\frac{t}{T}$$

频率（frequency），即PWM脉冲信号的频率。
$$frequency=\frac{1}{T}$$

在一些单片机中已集成硬件PWM输出电路，但51单片机中没有，一般采用软件方式模拟，输出的PWM信号不及硬件PWM稳定。

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乐理基础

进入声学篇章，必须对乐理知识有一个初步的了解，这里参考了江科大的视频、知乎等进行了总结。

音调是由频率决定的。以钢琴音阶为例，白键+黑键共88个音阶，其对应的频率为

其中，以中央A键a1为基准，其标准频率为440Hz，根据十二平均律，各音阶之间以等比数列分配频率，每12个音阶频率扩大一倍。

简谱的音符是相对音高，它与绝对音高存在映射关系，一共有12个大调音阶：C大调、bD大调、D大调、 bE大调、E大调、F大调、bG大调、 G大调、bA大调、 A大调、bB大调、 B大调。

节拍决定了每个音符持续的时长。一般约定以500ms左右为一拍，而为了说明每个音符所占时长，又分为全音符、二分音符、四分音符、八分音符、十六分音符等，它们之间存在相对倍数关系。

因此，只需要正确对应每个音符的频率以及节拍，按顺序演奏，即成曲。

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原理图分析

蜂鸣器驱动电路

一般IO输出电流小于20mA，不能直接驱动蜂鸣器，需要相应的驱动电路，一般利用三级管的放大和开关作用驱动蜂鸣器。

如图所示，R8用于限制基极电流，R7用于限制蜂鸣器电流，8550为PNP型三极管，当IO引脚为低电平时导通。

对于有源蜂鸣器而言，IO引脚输出低电平就能持续发声。
对于无源蜂鸣器而言，需要IO引脚输出PWM脉冲信号来使之发声。

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扬声器驱动电路

单片机开发板上没有扬声器，我在网上买了一个1W 8Ω的小扬声器和一个3W 4Ω的大扬声器，这里的1W指的是额定功率，8Ω指的是额定阻抗，可以大致算出小扬声器的电压有效值为2.8V，大扬声器的电压有效值为3.5V，驱动电路与蜂鸣器类似，记得必须串联一个限流电阻，防止扬声器过热烧毁。

扬声器实际上不分正负极的，但有的扬声器也会有正负极的标识。其主要目的是当两只或两只扬声器以上串联或并联时，若极性接反了，就会大大影响到放音的效果和音量，因为只有在极性相同时扬声器的纸盆的运动方向才会一致，单只扬声器使用可以不考虑极性问题。

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软件实现

1. 蜂鸣器短鸣

#include 

#define DELAY_TIME 100

typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;

sbit BEEP = P1^5; //信号端与P1.5引脚相连

void delay(u16 i){
	while(i--);
}

void main(){
	u8 i = 0;
	while(1){
		while(i < DELAY_TIME){
			BEEP = !BEEP; //内部上拉，初始为1，占空比为50%
			delay(100); //延时1ms，周期2ms，即频率为500Hz
			i++;
		}
	}
}
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通过调节不同的频率，可以得到不同音调的声音；调节占空比，可以控制音量高低。

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2. 扬声器演奏音乐

下面程序对于无源蜂鸣器也同样适用，但扬声器音色效果更好。

music.h

#ifndef __MUSIC_H__
#define __MUSIC_H__

#include "delay.h"


// 88个自然音阶频率对应定时器初值
u8 code music_Timer_init[88][2] = {
	{0xBE, 0x8C},
	{0xC2, 0x38},
	{0xC5, 0xB0},
	{0xC8, 0xF6},
	{0xCC, 0x0C},
	{0xCE, 0xF7},
	{0xD1, 0xB7},
	{0xD4, 0x50},
	{0xD6, 0xC4},
	{0xD9, 0x15},
	{0xDB, 0x44},
	{0xDD, 0x54},
	{0xDF, 0x46},
	{0xE1, 0x1C},
	{0xE2, 0xD8},
	{0xE4, 0x7B},
	{0xE6, 0x06},
	{0xE7, 0x7B},
	{0xE8, 0xDC},
	{0xEA, 0x28},
	{0xEB, 0x62},
	{0xEC, 0x8A},
	{0xED, 0xA2},
	{0xEE, 0xAA},
	{0xEF, 0xA3},
	{0xF0, 0x8E},
	{0xF1, 0x6C},
	{0xF2, 0x3D},
	{0xF3, 0x03},
	{0xF3, 0xBE},
	{0xF4, 0x6E},
	{0xF5, 0x14},
	{0xF5, 0xB1},
	{0xF6, 0x45},
	{0xF6, 0xD1},
	{0xF7, 0x55},
	{0xF7, 0xD1},
	{0xF8, 0x47},
	{0xF8, 0xB6},
	{0xF9, 0x1F},
	{0xF9, 0x82},
	{0xF9, 0xDF},
	{0xFA, 0x37},
	{0xFA, 0x8A},
	{0xFA, 0xD9},
	{0xFB, 0x23},
	{0xFB, 0x68},
	{0xFB, 0xAA},
	{0xFB, 0xE9},
	{0xFC, 0x24},
	{0xFC, 0x5B},
	{0xFC, 0x8F},
	{0xFC, 0xC1},
	{0xFC, 0xEF},
	{0xFD, 0x1B},
	{0xFD, 0x45},
	{0xFD, 0x6C},
	{0xFD, 0x91},
	{0xFD, 0xB4},
	{0xFD, 0xD5},
	{0xFD, 0xF4},
	{0xFE, 0x12},
	{0xFE, 0x2D},
	{0xFE, 0x48},
	{0xFE, 0x60},
	{0xFE, 0x78},
	{0xFE, 0x8E},
	{0xFE, 0xA3},
	{0xFE, 0xB6},
	{0xFE, 0xC9},
	{0xFE, 0xDA},
	{0xFE, 0xEB},
	{0xFE, 0xFA},
	{0xFF, 0x09},
	{0xFF, 0x17},
	{0xFF, 0x24},
	{0xFF, 0x30},
	{0xFF, 0x3C},
	{0xFF, 0x47},
	{0xFF, 0x51},
	{0xFF, 0x5B},
	{0xFF, 0x64},
	{0xFF, 0x6D},
	{0xFF, 0x75},
	{0xFF, 0x7D},
	{0xFF, 0x84},
	{0xFF, 0x8B},
	{0xFF, 0x92},
};


// 12大调音阶
typedef enum{
	C_Major_scale = 0, // C大调
	bD_Major_scale,    // #C(bD)大调
	D_Major_scale,     // D大调
	bE_Major_scale,    // #D(bE)大调
	E_Major_scale,     // E大调
	F_Major_scale,     // F大调
	bG_Major_scale,    // #F(bG)大调
	G_Major_scale,     // G大调
	bA_Major_scale,    // #G(bA)大调
	A_Major_scale,     // A大调
	bB_Major_scale,    // #A(bB)大调
	B_Major_scale,     // B大调
}Music_Major_Scale;


// 不同音阶下简谱与频率的索引对应关系
u8 Mapping[3][21] = {
	{40, 42, 44, 45, 47, 49, 51, 52, 54, 56, 57, 59, 61, 63, 64, 66, 68, 69, 71, 73, 75},
	{0,},
	{42, 44, 46, 47, 49, 51, 53, 54, 56, 58, 59, 61, 63, 65, 66, 68, 70, 71, 73, 75, 77},	
};


 小星星乐谱C大调（0表示休止符, 0xff为结束标志）
//u8 code music[][2] = {
//	{8,4} , {8,4} , {12,4}, {12,4}, 
//	{13,4}, {13,4}, {12,2}, 
//	{11,4}, {11,4}, {10,4}, {10,4},
//	{9,4} , {9,4} , {8,2} ,
//	{12,4}, {12,4}, {11,4}, {11,4},
//	{10,4}, {10,4}, {9,2},
//	{12,4}, {12,4}, {11,4}, {11,4},
//	{10,4}, {10,4}, {9,2},
//	0xff
//};


// 《突然好想你》乐谱D大调（0表示休止符, 0xff为结束标志）
u8 code music[][2] = {
	{13,8},{14,8},
	{15,4},{17,4},{16,4},{15,8},{16,8},
	{12,4},{16,4},{15,4},{13,8},{14,8},
	{15,4},{17,4},{16,4},{15,4},
	{17,2},{0,4},{13,8},{14,8},
	{15,4},{17,4},{16,4},{19,8},{16,8},
	{18,8},{17,16},{16,16},{16,16},{17,8},{16,16},{16,16},{15,5},{13,8},{14,8},
	{15,4},{17,4},{16,4},{15,4},
	{15,1},
	0xff
};


#endif
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main.c

#include "music.h"
#include "timer.h"

#define MUSIC_SPEED 500

sbit BEEP_PORT = P1^3;

Music_Major_Scale Scale = D_Major_scale;   // D大调

u8 num = 0; // 简谱索引
u8 index;   // 钢琴谱频率索引

u16 music_delay = 100; // 节拍

int main(void){
	TIMERx_init(0, 4608); // 用于控制节拍，5ms
	TIMERx_init(1, 0); // 用于输出不同频率的音阶
	TR0 = 1;
	while(1);
}

// 定时器0的中断服务程序模板
void TIMER0_serve() interrupt 1{
	static u16 counter = 0;
	u8 music_notation;
	
	TL0 = 0; //低8位
	TH0 = 238; //高8位
	
	counter++;
	if(counter == music_delay - 1){
		// 每拍结束暂停5ms
		TR1 = 0;
	}else if(counter >= music_delay){
		counter = 0;
		// 更新乐符
		music_notation = music[num][0]; 
		if(music_notation != 0xff){
			// 更新节拍
			music_delay = MUSIC_SPEED / music[num][1];
			if(music_notation != 0){
				index = Mapping[Scale][music_notation - 1];
				TR1 = 1;
			}
			// 下一个音符
			num++;
		}else{
			// 关闭，全曲终
			TR0 = 0; 
			TR1 = 0;
		}
	}
}


// 定时器1的中断服务程序模板
void TIMER1_serve() interrupt 3{
	TL1 = music_Timer_init[index][1]; //低8位
	TH1 = music_Timer_init[index][0]; //高8位
	
	BEEP_PORT = !BEEP_PORT; // 取反
}
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62

在music.h文件中，我写了《小星星》和《突然好想你》两个乐谱（部分），各位也可以换成自己喜爱的音乐，按照简谱的规则模仿书写即可（第一列为对应简谱音符，第二列为节拍数）。
在main.c中，我使用了2个定时器，定时器0用来控制节拍，定时器1用来控制频率。

参数MUSIC_SPEED可以调整整体音乐的节奏，数值越大，节奏越慢。
参数BEEP_PORT用于定义蜂鸣器或扬声器的引脚。若使用板载蜂鸣器，则使用P1.5引脚，若采用外接扬声器，则可选择P1.3引脚。

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总结

本章相对轻松，了解了蜂鸣器和扬声器的主要类别与驱动方式。蜂鸣器与扬声器本身的控制很简单，它也经常和其他元器件一起搭配使用。继续加油！