AVR單片機教程——蜂鳴器

本文隸屬於AVR單片機教程系列。

 

引子

定時/計數器（簡稱定時器）是單片機編程中至關重要的一部分，再簡單的單片機也會帶有定時器。

也許你會覺得我們已經在delay函數中接觸過定時器了，然而並不是，它只是軟件地通過“浪費時間”來實現延時。我們接觸定時器在數碼管中，segment_auto函數可以自動完成動態掃描，好像在main函數背后又開了一個線程，兩者並行執行一樣。這就用到了定時器中斷。

中斷是一種必要的程序流程控制方法，但這兩講我們先聚焦於利用定時器來輸出波形。

本講中，我們用定時器來輸出一定頻率的方波，讓蜂鳴器發出聲音。

定時/計數器

ATmega324PA提供了3個定時器：定時器0、定時器1、定時器2。其中，定時器0和2都是8位的，定時器1是16位的；定時器1支持輸入捕獲；定時器2有異步支持，即可以獨立於CPU時鍾工作。為了簡單起見，本講以定時器0為例。

定時器0有一個計數寄存器TCNT0，由CPU時鍾的可配置分頻驅動，每一定時器時鍾周期增加1。

定時器0有4種工作模式：普通模式、CTC模式，還有兩種放到下一講。CTC模式下可以輸出波形，后兩種模式也有對應的波形。波形可以輸出到引腳PB3和PB4上。定時器時鍾、工作模式與波形輸出在寄存器TCCR0A與TCCR0B中配置。

在普通模式中，TCNT0持續增加，在值為255時再加1會溢出變成0，因此以256個定時器時鍾周期為循環周期。這種模式一般用於產生定時器中斷。

在CTC模式中，TCNT0增加到寄存器OCR0A的值時，發生比較匹配，此時TCNT0會被硬件清零，引腳電平可以被翻轉、置低或置高。如果配置為翻轉，則每匹配兩次，引腳輸出一個方波，而每次匹配需要OCR0A值+1個周期，所以輸出方波的頻率為：\(f_{OC0A} = \frac {f_{clk\_I/O}} {2 \cdot N \cdot (1 + OCR0A)}\)，其中，\(f_{clk\_I/O}\)是外設IO時鍾，頻率與CPU時鍾相同；\(N\)表示分頻系數，對於定時器0，可以是1、8、64、256或1024。

以上是對數據手冊部分信息的不完全概括。請參閱數據手冊第15章，以完成作業題。

分頻系數與OCR0A的值應該根據想要的波形頻率來計算。首先，選擇分頻系數的原則是，在可選的值中選擇最小的。最小的分頻系數1往往是不能選的，因為計算下來OCR0A的值會超過其可接受的最大值255（開發板上單片機的CPU頻率是25MHz）；如果分頻系數過大，OCR0A的值會比較小，由於計算出的通常是小數而實際只能取整數，較小的數會產生較大的誤差。

比如，為了輸出1kHz的方波，先計算最小的分頻系數：\(N_{min} = \frac {f_{CPU}} {2 \cdot (1 + OCR0A_{max}) \cdot f_{OC0A}} = \frac {25000000} {2 \cdot 256 \cdot 1000} = 48.83\)，因此分頻系數應取64。再根計算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OCR0A為194。不妨再計算一下實際波形頻率：\(f_{OC0A} = \frac {f_{CPU}} {2 \cdot N \cdot (1 + OCR0A)} = \frac {25000000} {2 \cdot 64 \cdot (1 + 194)} = 1001.6Hz\)，只比預期的差3個音分，相當精確。

開發板上一共有4個可以輸出波形的引腳，分別是引腳4~7，在庫中被定義為WAVE_0到WAVE_3。要輸出波形，必須先調用wave_mode以指定輸出何種波形，然后再調用tone_set輸出一定頻率的方波。

蜂鳴器

蜂鳴器有有源與無源兩種，“源”指的是振盪源。有源蜂鳴器給一定電壓就可以發出一定頻率的聲音，但不能改變；無源蜂鳴器需要方波才能發聲，聲音的頻率與方波的相同，這是可以控制的。開發板上的是壓電式無源蜂鳴器，兩極都接出來了，所以可以同時發出兩個頻率的聲音。如果只需要一個，一般把負極接地，正極接單片機引腳。

到這里你應該暫停一下，試着用tone_set函數使蜂鳴器發出523Hz的聲音。

假設你已經實現了。程序很短吧？你也許會想當然地認為用tone_set函數控制蜂鳴器已經足夠方便了，但實踐證明不是的。試試這段代碼：

#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);
    }
}

在程序開始時，你會聽到一聲清脆的Do，但是之后按鍵按下時，蜂鳴器的聲音卻沒那么純粹了。這是因為，每次調用tone_set時，波形都會從新的周期開始，而原來的周期可能只進行到一半，就使波形不是很完美——可別小看這半個周期，你不是聽到這明顯的噪音了嗎？

而buzzer_tone函數作為進一步的封裝，在設計上避免了這個問題。它把蜂鳴器正在播放的頻率保存起來，如果調用時參數與上次的相同，則不進行任何操作。

我們來實現播放復音的功能。

#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);
    }
}

雖然蜂鳴器的聲音本來就比較刺耳，但和聲還是挺和諧的吧。不信？試試349和494，然后你就會覺得上面這個程序效果其實挺不錯的。

作業

1. 當定時器在引腳上輸出波形時，原來的PORT和DDR寄存器還有用嗎？

2. 閱讀數據手冊，使用寄存器，輸出440Hz的方波。

3. 用旋轉編碼器控制蜂鳴器，發出音階中的音符。你可以用計算器或Excel計算好音符頻率，然后直接寫在程序中。