Пьезодинамики
Пьезодинамик (пьезоизлучатель, зуммер, баззер) легко подключается к платам Arduino и вы можете заставить вашу схему издавать нужные звуки – сигнализировать, пищать или проигрывать мелодию.
Рис. 1 — Условное графическое обозначение пьезодинамика
Пьезодинамик конструктивно представлена металлической пластиной с нанесенным на нее напылением из токопроводящей керамики. Пластина и напыление выступают в роли контактов. Устройство полярно, имеет свои «+» и «-». Принцип действия пьезодинамика основан на открытом братьями Кюри в конце XIX века пьезоэлектрическом эффекте: при подаче электричества на пьезодинамик он начинает деформироваться (рис. 2). При этом происходят удары о металлическую пластинку, которая и производит “шум” нужной частоты.
Рис. 2 — Устройство пьезодинамика
Пьезодинамики бывают двух видов: активный и пассивный. Принцип действия у них одинаков, но в активном нет возможности менять частоту звучания, хотя сам звук громче и подключение проще.
Главное отличие активного пьезодинамика от пассивного заключается в том, что активный пьезодинамик генерирует звук самостоятельно. Для этого пользователь должен просто включить или выключить его (подав напряжение на контакты или обесточив). Активный пьезодинамик будет выдавать более громкий звуковой сигнал в сравнении с пассивным. Частота излучаемого звука активного пьезодинамика составляет значения 2,5 кГц +/- 300Гц. Напряжение питания для составляет 3,5 . 5 В.
Пассивный пьезодинамик требует источника сигнала, который задаст параметры звукового сигнала. В качестве такого источника может выступать плата Ардуино.
Как отличить активный и пассивный пьезодинамики? Если со стороны выводов видна печатная плата зеленого цвета, это — пассивный пьезодинамик; если черного – активный (рис. 3).
Рис. 3 — Активный (слева) и пассивный (справа) пьезодинамики
Синтез звука
Детали:
- Arduino UNO.
- Пассивный пьезодинамик.
- Соединительные провода.
- Макетная плата.
Рис. 4 — Принципиальная схема подключения пьезодинамика к Arduino
Сборка
Присоедините пьезодинамик к плате Arduino (рис. 5).
Если пьезодинамик на вписывается в отверстия на плате, попробуйте его немного повернуть, так чтобы его выводы вошли в соседние отверстия, как бы по диагонали.
Рис. 5 — Подключение пьезодинамика к Arduino UNO
Скетч для звука сирены
Изменяя частоту и продолжительность звука можно получить различные звучания сирены
Скетч для мелодии с использованием библиотеки pitches.h
В первой строчке мы подключаем заголовочный файл pitches.h при помощи оператора #include. Файл pitches.h находится в папке examples\02.Digital\toneMelody папки с Arduino IDE. Далее создается массив из нот melody , а также массив из продолжительности проигрывания ноты t1 .
В процедуре setup идет цикл, где для каждой ноты вычисляется его продолжительность и вызывается функция tone() , которая и воспроизводит нужный звук.
Обратите внимание, что основной код находится в методе setup() , поэтому программа выполняется один раз. Если вы хотите послушать её ещё раз, то нажмите на кнопку Reset на плате Arduino Uno. Для многократного повторения мелодия разместите основной код в процедуру loop .
Arduino и зуммер
Зуммер, он же баззер (англ. buzzer), он же “пищалка”, он же пьезоэлектрический излучатель в корпусе – простейший источник звука. Очень часто используется в электронике для звуковой индикации: будильники, таймеры, а также практически вся бытовая техника (микроволновки, стиралки, посудомойки и т.д.) издаёт звук при помощи этого компонента. Ну и конечно же его можно найти почти на любой материнской плате компьютера.
Зуммер в таком корпусе может быть как активным, так и пассивным: активный при подключении питания начнёт пищать, т.к. имеет встроенный генератор. Пассивный же тихо щёлкнет и всё. В наборе GyverKIT может быть как активный, так и пассивный зуммер в зависимости от партии, приносим свои извинения.
Подключение
Потребляет зуммер от 10 до 30 мА, поэтому в принципе можно подключать его к цифровому пину Arduino напрямую, но к esp8266 (Wemos mini) нужно подключать через токоограничивающий резистор с сопротивлением
Примеры
Если зуммер активный – достаточно подать на него высокий сигнал для включения звука. Тут можно даже использовать в качестве примера стандартный “блинк”:
Если зуммер пассивный – всё гораздо интереснее, так как можно генерировать звук нужной частоты, то есть тона, самому! Данный код заставит зуммер пищать на частоте 1 кГц. Делать пин выходом не нужно, это встроено в функцию tone()
Для нескольких коротких сигналов модифицируем первый пример:
Более подробное описание и примеры с tone() можно найти в уроке по ссылке ниже
Как подключить пьезопищалку (зуммер) Ардуино
Подключить пьезо пищалку к Arduino можно несколькими способами. На этом занятии продолжим изучение микроконтроллера Arduino на простых примерах. Соберем электрическую схему с пьезодинамиком (зуммером) на макетной плате. Рассмотрим устройство пьезоизлучателей, назначение процедуры void setup() и void loop(), а также свойство функции tone() в языке программирования Arduino IDE.
Устройство пьезоизлучателя (пьезодинамика)
Благодаря низкой стоимости и малого потребления энергии, по сравнению с динамиками, пьезокерамические излучатели звука (пьезодинамики) — акустические устройства для воспроизведения звука, использующие пьезоэлектрический эффект. Пьезоизлучатели получили широкое распространение: их используют в различных устройствах — будильниках, телефонах, игрушках и в другой технике.
Фото. Устройство пьезоизлучателя (пьезопищалки) и динамика
По сравнению с традиционными электромагнитными преобразователями звука, пьезоизлучатели имеют простую конструкцию. Пьезокерамический излучатель состоит из металлической пластины, на которую нанесена пьезоэлектрическая керамика, имеющая токопроводящее напыление. Пластина и напыление являются контактами пьезоизлучателя (буззера), при этом устройство имеет полярность — плюс и минус.
Принцип действия излучателей основан на эффекте, открытом братьями Кюри в 1880 г. В пьезокристаллах под действием механических сил на сдвиг, изгиб или кручение образуются электрические заряды. Кроме «прямого» эффекта существует и обратный эффект — если подать электричество на кристалл, то он начнет деформироваться. При частых колебаниях кристалла создается звуковая волна с заданной частотой.
Активный и пассивный зуммер отличия
Многих интересует чем отличается активный зуммер от пассивного? Активный зуммер будет сам генерировать звук, используя свой генератор, и для него требуется напряжение постоянного тока. Пассивный зуммер требует ШИМ сигнала, чтобы генерировать звук. Чтобы идентифицировать активный зуммер, приложите к нему постоянное напряжение, если buzzer запищит, то он является активным.
Подключение пьезоизлучателя к Ардуино
Для этого занятия потребуется:
- Arduino Uno / Arduino Nano / Arduino Mega; ;
- пьезоизлучатель звука (Arduino buzzer);
- провода «папа-папа».
Подключение пищалки (буззера) к Ардуино на схеме
После того, как вы собрали схему и подключили пьезоизлучатель и Arduino, как на картинке выше, загрузите следующий скетч в микроконтроллер Arduino Uno. Воспроизведение звука на Ардуино выполняется функцией tone() , где в скобках указывается номер пина и частота звука. Чтобы отключить звук на зуммере (пьезодинамике Ардуино) необходимо использовать функцию noTone() .
Скетч включения пьезодинамика функцией tone
Пояснения к коду:
- процедуры setup и loop Ардуино должны присутствовать в любой программе (скетче), даже если вам не нужно ничего выполнять в них — пусть они будут пустые, просто не пишите ничего между фигурными скобками;
- каждой открывающей фигурной скобке < всегда соответствует закрывающая >. Они обозначают границы некого логически завершенного фрагмента кода. Следите за вложенностью фигурных скобок в программе.
Скетч плавного изменения частоты зуммера
Пояснения к коду:
- для изменения частоты активного зуммера Ардуино используется цикл for, с помощью которого мы перебираем частоту звука от 0 до 500 и обратно.
Заключение. Мы рассмотрели, как включить пьезодинамик (пищалку) от Ардуино. Данная информация пригодится при создании проектов, в которых требуется звуковой сигнал при включении устройства на плате Arduino или при других случаях. Для уменьшения громкости сигнала активного пьезодинамика Ардуино можно использовать резисторы с разным номиналом, включая их в электрическую цепь.
Подключение пьезопищалки и генерация звука. Функции tone() и noTone()
Сегодня мы поговорим о том, как воспроизводить мелодии и отдельные звуки с помощью платы Arduino, применяя функции tone() и noTone().
Элемент, который используется для примера в данной статье, называется пьезопищалка, он же зуммер, он же пьезодинамик.
Ранее мы научились подключать к плате светодиод и познакомились с функциями digitalWrite() и delay(). С их помощью можно подавать напряжение на пины контроллера и приостанавливать выполнение программы. Эти функции здесь тоже пригодятся.
Для чего нам звуки
Любой робот или другое электронное устройство становятся проще в использовании, если имеют возможность сигнализировать о своем состоянии. Для индикации могут использоваться световые или акустические элементы.
К примеру, известный робот R2-D2 использовал оба типа обратной связи — он мигал и издавал странные звуки.
Для начала разберемся, как работает пьезопищалка. Очевидно, что она должна издавать звук. Но что это и как возникает?
Что такое звук
Звук — это колебания воздуха, которые волнами расходятся от своего источника. Волны эти не видны, однако воздействуют на барабанные перепонки, вызывая в них механические колебания, которые мозг человека умеет преобразовывать в звуки.
Рис. 1. Схема звуковых колебаний
Получается, чтобы появились колебания и возник аудиосигнал, пьезопищалка должна двигаться и воздействовать на воздух.
Так оно и есть. Пьезодинамик может совершать маленькие, незаметные для глаз движения под воздействием электричества. Мы их не увидим, однако воздух колебать они могут, а значит будет издаваться звук.
Имея в своем распоряжении Arduino, мы можем использовать электричество и подавать напряжение на пищалку по определенной программе.
Как извлечь звук из пьезопищалки
Если подключить пьезопищалку напрямую к батарейному отсеку и подать постоянный ток на пластину, то ничего не произойдёт. Попробуем подключить ее к какому-нибудь D-пину и GND нашего Arduino.
Но сначала нужно загрузить в плату программу, которая будет управлять напряжением на этом пине:
Итак, код залит в плату. Присоединяем новый элемент.
Рис. 2. Подключение пьезопищалки к плате Arduino
Настройка звучания сигнала
Если все сделано, как описано выше, то должны быть слышны щелчки.
Мы установили чередование подачи и отключения напряжения с длительностью в 500 тысячных долей секунды через параметр функции delay(). Поэтому звук длится полсекунды, после чего на такой же отрезок времени затихает.
Чтобы колебания происходили быстрее, то есть чаще, нужно уменьшить время задержки.
Поэкспериментируйте с разными значениями для функции delay(). Попробуйте выставить в программе вместо 500 числа 10, 5, 1.
Чем чаще происходят колебания, тем выше звук, который мы слышим. Получается, если увеличивать частоту, звук будет превращаться в тонкий писк. А если уменьшать — в гул или гудение.
Кстати, именно поэтому мы слышим писк, когда рядом летает комар. Он часто-часто машет своими крылышками. В противовес ему — полет шмеля, который гораздо тяжелее и медленнее, поэтому он как бы “гудит”.
Как рождается мелодия
Для вопроизведения последовательности звуков, то есть мелодии, поможет функция tone().
Ее параметры дают возможность управлять направлением сигнала (какой из пинов на контроллере должен быть задействован) и частотой колебаний звука.
Запись функции выглядит так:
Номер пина здесь — это тот пин Arduino, куда подключена пьезопищалка, из которой хотим извлечь звук. А частота — требуемое значение частоты в герцах (положительное целое число).
Рис. 3. Схема подключения пьезопищалки к контроллеру
Пример программы с функцией tone():
При загрузке и запуске данного кода можно получить звук, если к указанному пину подключена пьезопищалка или другое акустическое устройство.
Серия из команд с различными частотами для одного пина позволит нашему Arduino сыграть мелодию, последовательно сменяя один тон на другой.
Одним из применений может стать установка музыкального приветствия на запуск робота:
Горшочек, не вари!
Функция tone() по умолчанию воспроизводит звук нужной частоты без конечного срока, то есть бесконечно. Чтобы прервать его, требуется использовать противоположную по значению операцию — noTone().
У этой функции лишь один параметр — указание нужного пина.
Если на выбранном пине воспроизводится звук, он будет приостановлен. Если же генерации сигнала там не было, то функция ничего не сделает, и программа пойдет дальше.
С небольшими изменениями предыдущий пример превращается в код для мелодии приветствия нашего робота:
Обратите внимание, что при использовании нескольких пьезопищалок нужно сначала подавать noTone() на пин, где уже были активированы колебания, и только потом вызывать tone() на другой пин.