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AVR单片机教程——蜂鸣器

本文隶属于AVR单片机教程系列。

 

引子

定时/计数器(简称定时器)是单片机编程中至关重要的一部分,再简单的单片机也会带有定时器。

也许你会觉得我们已经在delay函数中接触过定时器了,然而并不是,它只是软件地通过“浪费时间”来实现延时。我们接触定时器在数码管中,segment_auto函数可以自动完成动态扫描,好像在main函数背后又开了一个线程,两者并行执行一样。这就用到了定时器中断。

中断是一种必要的程序流程控制方法,但这两讲我们先聚焦于利用定时器来输出波形。

本讲中,我们用定时器来输出一定频率的方波,让蜂鸣器发出声音。

定时/计数器

ATmega324PA提供了3个定时器:定时器0、定时器1、定时器2。其中,定时器0和2都是8位的,定时器1是16位的;定时器1支持输入捕获;定时器2有异步支持,即可以独立于CPU时钟工作。为了简单起见,本讲以定时器0为例。

定时器0有一个计数寄存器TCNT0,由CPU时钟的可配置分频驱动,每一定时器时钟周期增加1。

定时器0有4种工作模式:普通模式、CTC模式,还有两种放到下一讲。CTC模式下可以输出波形,后两种模式也有对应的波形。波形可以输出到引脚PB3和PB4上。定时器时钟、工作模式与波形输出在寄存器TCCR0ATCCR0B中配置。

在普通模式中,TCNT0持续增加,在值为255时再加1会溢出变成0,因此以256个定时器时钟周期为循环周期。这种模式一般用于产生定时器中断。

在CTC模式中,TCNT0增加到寄存器OCR0A的值时,发生比较匹配,此时TCNT0会被硬件清零,引脚电平可以被翻转、置低或置高。如果配置为翻转,则每匹配两次,引脚输出一个方波,而每次匹配需要OCR0A值+1个周期,所以输出方波的频率为:\(f_{OC0A} = \frac {f_{clk\_I/O}} {2 \cdot N \cdot (1 + OCR0A)}\),其中,\(f_{clk\_I/O}\)是外设IO时钟,频率与CPU时钟相同;\(N\)表示分频系数,对于定时器0,可以是1、8、64、256或1024。

以上是对数据手册部分信息的不完全概括。请参阅数据手册第15章,以完成作业题。

分频系数与OCR0A的值应该根据想要的波形频率来计算。首先,选择分频系数的原则是,在可选的值中选择最小的。最小的分频系数1往往是不能选的,因为计算下来OCR0A的值会超过其可接受的最大值255(开发板上单片机的CPU频率是25MHz);如果分频系数过大,OCR0A的值会比较小,由于计算出的通常是小数而实际只能取整数,较小的数会产生较大的误差。

比如,为了输出1kHz的方波,先计算最小的分频系数:\(N_{min} = \frac {f_{CPU}} {2 \cdot (1 + OCR0A_{max}) \cdot f_{OC0A}} = \frac {25000000} {2 \cdot 256 \cdot 1000} = 48.83\),因此分频系数应取64。再根计算OCR0A的值:\(OCR0A = \frac {f_{CPU}} {2 \cdot N \cdot f_{OC0A}} - 1 = \frac {25000000} {2 \cdot 64 \cdot 1000} - 1 = 194.31\),所以取OCR0A194。不妨再计算一下实际波形频率:\(f_{OC0A} = \frac {f_{CPU}} {2 \cdot N \cdot (1 + OCR0A)} = \frac {25000000} {2 \cdot 64 \cdot (1 + 194)} = 1001.6Hz\),只比预期的差3个音分,相当精确。

开发板上一共有4个可以输出波形的引脚,分别是引脚4~7,在库中被定义为WAVE_0WAVE_3。要输出波形,必须先调用wave_mode以指定输出何种波形,然后再调用tone_set输出一定频率的方波。

蜂鸣器

蜂鸣器有有源与无源两种,“源”指的是振荡源。有源蜂鸣器给一定电压就可以发出一定频率的声音,但不能改变;无源蜂鸣器需要方波才能发声,声音的频率与方波的相同,这是可以控制的。开发板上的是压电式无源蜂鸣器,两极都接出来了,所以可以同时发出两个频率的声音。如果只需要一个,一般把负极接地,正极接单片机引脚。

到这里你应该暂停一下,试着用tone_set函数使蜂鸣器发出523Hz的声音。

假设你已经实现了。程序很短吧?你也许会想当然地认为用tone_set函数控制蜂鸣器已经足够方便了,但实践证明不是的。试试这段代码:

#include <ee1/delay.h>
#include <ee1/button.h>
#include <ee1/wave.h>
#include <ee1/tone.h>

int main()
{
    button_init(PIN_NULL, PIN_NULL);
    wave_mode(WAVE_0, WAVE_MODE_TONE);
    tone_set(WAVE_0, 523);
    delay(1000);
    while (1)
    {
        if (button_down(BUTTON_0))
            tone_set(WAVE_0, 523);
        else
            tone_set(WAVE_0, 0);
        delay(10);
    }
}

在程序开始时,你会听到一声清脆的Do,但是之后按键按下时,蜂鸣器的声音却没那么纯粹了。这是因为,每次调用tone_set时,波形都会从新的周期开始,而原来的周期可能只进行到一半,就使波形不是很完美——可别小看这半个周期,你不是听到这明显的噪音了吗?

buzzer_tone函数作为进一步的封装,在设计上避免了这个问题。它把蜂鸣器正在播放的频率保存起来,如果调用时参数与上次的相同,则不进行任何操作。

我们来实现播放复音的功能。

#include <ee1/delay.h>
#include <ee1/button.h>
#include <ee1/switch.h>
#include <ee1/buzzer.h>

int main()
{
    button_init(PIN_2, PIN_3);
    switch_init(PIN_NULL, PIN_NULL);
    buzzer_init(WAVE_0, WAVE_1);
    uint16_t freq[] = {262, 330, 392, 523};
    while (1)
    {
        if (switch_status(SWITCH_0))
        {
            uint16_t temp[2] = {0};
            uint16_t* ptr = temp;
            for (uint8_t i = BUTTON_COUNT; i-- && ptr != temp + 2;)
                if (button_down(i))
                    *ptr++ = freq[i];
            buzzer_tone(temp[0], temp[1]);
        }
        else
            buzzer_tone(0, 0);
        delay(40);
    }
}

虽然蜂鸣器的声音本来就比较刺耳,但和声还是挺和谐的吧。不信?试试349和494,然后你就会觉得上面这个程序效果其实挺不错的。

作业

  1. 当定时器在引脚上输出波形时,原来的PORTDDR寄存器还有用吗?

  2. 阅读数据手册,使用寄存器,输出440Hz的方波。

  3. 用旋转编码器控制蜂鸣器,发出音阶中的音符。你可以用计算器或Excel计算好音符频率,然后直接写在程序中。

posted on 2020-01-07 23:36  jerry_fuyi  阅读(995)  评论(0编辑  收藏  举报