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【51单片机实验笔记】声学篇（一） 蜂鸣器与扬声器的基本控制
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目录
前言硬件介绍蜂鸣器简介扬声器简介PWM基础乐理基础
原理图分析蜂鸣器驱动电路扬声器驱动电路
软件实现1. 蜂鸣器短鸣2. 扬声器演奏音乐
总结
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。 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。  图1 无源蜂鸣器
 图2 有源蜂鸣器
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。 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。 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。扬声器和蜂鸣器的异同 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。扬声器的音域更广，而蜂鸣器的音域狭窄。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。 PWM基础即脉冲宽度调制（pulse-width modulation），是一种功率控制技术。
频率（frequency），即PWM脉冲信号的频率。 f r e q u e n c y = 1 T frequency = \frac{1}{T} frequency=T1 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。 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 序号音名频率（Hz）序号音名频率（Hz）序号音名频率（Hz）序号音名频率（Hz）1A227.50013A155.00025A110.0037a220.002#A229.13514#A158.27026#A116.54138#a233.0823B230.86815B161.73527B123.47139b246.9424C132.70316C65.40628c130.81340c1261.6265#C134.64817#C69.29629#c138.59141#c1277.1836D136.70818D73.41630d146.83242d1293.6657#D138.89119#D77.78231#d155.56343#d1311.1278E141.20320E82.40732e164.81444e1329.6289F143.65421F87.30733f174.61445f1349.22810#F146.24922#F92.49934#f184.99746#f1369.99411G148.99923G97.99935g195.99847g1391.99512#G151.91324#G103.82636#g207.65248#g1415.305 序号音名频率（Hz）序号音名频率（Hz）序号音名频率（Hz）序号音名频率（Hz）49a1440.00061a2880.00073a31760.00085a43520.00050#a1466.16462#a2932.32874#a31864.65586#a43729.31051b1493.88363b2987.76775b31975.53387b43951.06652c2523.25164c31046.50276c42093.00588c54186.00953#c2554.36565#c31108.73177#c42217.46154d2587.33066d31174.65978d42349.31855#d2622.25467#d31244.50879#d42489.01656e2659.25568e31318.51080e42637.02057f2698.45669f31396.91381f42793.82658#f2739.98970#f31479.97882#f42959.95559g2783.99171g31567.98283g43135.96360#g2830.60972#g31661.21984#g43322.438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。  图1 C大调键位
 图2 D大调键位
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。 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。 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。 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。
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 }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。 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！ |
占空比（duty），即单个脉冲周期中高电平所占的比例。
D
u
t
y
=
t
T
Duty = \frac{t}{T}
Duty=Tt
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。
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