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TCCR0A与TCCR0B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OCR0A为194。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_0到WAVE_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？

而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PORT和DDR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。