STM32单片机控制无源蜂鸣器播放《晴天》

z20348315202026-08-14 16:18

引言

本期内容介绍一下如何让stm32单片机控制蜂鸣器播放音乐，本期教程中使用的无源蜂鸣器就是市面上最常见的三引脚无源蜂鸣器模块

使用的单片机主控也是嵌入式开发工程师几乎人手一个STM32F103C8T6，相信你看完的本期教程之后也能够轻松的使用STM32单片机控制无源蜂鸣器播放音乐

硬件介绍

底层发声原理

我们首先需要了解一下无源蜂鸣器的发声原理，无源蜂鸣器相较于有源蜂鸣器内部没有振荡器，我们无法通过恒定的高低电平来控制其发出声音。我们需要高低变化的方波脉冲信号来驱动其发出声音，其实无源蜂鸣器的发声原理很简单，我们向I/O引脚输入不同的信号电平时内部的金属片就会产生不同方向的形变，因此当我们快速的改变电平信号就相当于在快速的改变金属片的形变方向，金属片快速的振动就会发出声音。具体的原理可以参照下图：

了解了无源蜂鸣器发声的原理之后我们不难得出常规的GPIO输出模式是无法满足我们的需求的，我们需要对应的引脚能够输出快速变化的高低电平。因此我们不难得出，只有PWM输出模式才能满足我们的需求

输出控制

我们了解了最底层的硬件发声原理之后，我们接下来需要了解一下如何通过改变PWM模式中不同参数的数值，来达到我们输出不同音调和响度的需求

音调控制

总所周知声音是由物体振动产生的，音调是由物体振动的频率决定的，我们想要改变无源蜂鸣器输出声音的频率就是改变输出PWM波的频率

这点并不难理解，我们如果输出1000Hz的方波，蜂鸣器的膜片每秒会振动1000次，声音会比较尖锐。我们输出一个440Hz的方波，声音听起来会比较低沉

想要改变方波的频率主要有两种方法，一是改变预分频器（PSC）的值，二是改变自动重装载器（ARR）的值，在后续的操作中我们主要会选择通过修改自动重装载器的值来控制音调高低

响度控制

想要控制无源蜂鸣器发声的响度只有一种办法，那就是改变PWM的占空比，占空比可以控制无源蜂鸣器中发声片的振幅。我们在代码中通过修改捕获比较寄存器（CCR）中的值来改变PWM方波的占空比

配置PA8和TIM1

当前蜂鸣器的I/O引脚连接到开发板上的PA8引脚，PA8可以复用为TIM的输出通道一，我们在配置界面中点击PA8引脚就可以配置引脚模式信息了

将PA8配置为TIM1_CH1之后就可以配置TIM对应的参数信息了

由于蜂鸣器模块采用低电平触发，TIM1的输出通道需要配置为低有效：

TIM1 当前的参数配置为：

TIM1的主频为72 MHz，我们将预分频值设置为 72-1 ，对应的定时器计数频率为：72 MHz ÷ (71 + 1) = 1 MHz，因此后续定时器每 1μs增加一次计数值。当前的计数模式我们配置为向上计数模式，自动重装载值我们设置为250-1。按照默认的参数PWM的频率为

txt 复制代码 
PWM频率 = TIM1时钟 ÷ (PSC + 1) ÷ (ARR + 1)
txt 复制代码 
ARR = 249
PWM频率 = 1,000,000 ÷ 250
        = 4000 Hz

所以初始化参数对应的基础频率为4Khz

后续需要播放不同音调时根据音符频率动态修改自动重装载器的值：

text 复制代码 
ARR = 1,000,000 ÷ 音符频率 - 1

配置的几个参数之间的关系如下图所示

代码讲解

接下来我会讲解一下部分核心代码是如何编写的，如果想要直接看完整的源代码可以跳转到源代码展示部分

播放音乐部分的代码我们分为两块进行编写，分别是底层的蜂鸣器驱动以及歌曲的曲谱播放，其中底层驱动代码位于buzzer_music.c和buzzer_music.h中，音乐播放部分代码位于buzzer_songs.c和buzzer_songs.h中

编写蜂鸣器底层驱动

首先我们需要编写蜂鸣器的底层驱动，即控制蜂鸣器发出不同音调，不同响度的声音。在该部分我们主要实现了BuzzerMusic_SetTone函数，该函数可以实现根据我们传入的频率信息进行计算，然后将计算出的结果写入指定的寄存器中，以此来实现输出指定的音调

c 复制代码 
// 根据目标频率配置TIM1 PWM，以输出指定音调  
void BuzzerMusic_SetTone(uint16_t frequency_hz)  
{  
  uint32_t period_counts;  
  
  // 如果频率值为0那么直接停止输出  
  if (frequency_hz == BUZZER_MUSIC_REST)  
  {  
    BuzzerMusic_Stop();  
    return;  
  }  
  
  //计算自动重装载器的值  
  period_counts = BUZZER_COUNTER_CLOCK_HZ / frequency_hz;  
  
  // 越界检查  
  if ((period_counts < 2U) || (period_counts > BUZZER_MAX_PERIOD_COUNTS))  
  {  
    BuzzerMusic_Stop();  
    return;  
  }  
  
  // 将对应值写入重装载寄存器和比较寄存器中  
  __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim1, period_counts - 1U);  
  __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, BUZZER_TIMER_CHANNEL, (period_counts * BUZZER_VOLUME_PERCENT) / 100U);  
}

迁移《晴天》乐谱

其实底层的驱动编写并不困难，真正让人感到头疼的是如何将音乐转换成可以被无源蜂鸣器播放的形式，在本次项目中我采取的是将歌曲拆分成一个个音符，然后通过结构体保存每个音符的信息

c 复制代码 
// 音符结构体，保存一个音符的音调和持续时间信息  
typedef struct  
{  
  //音调  
  uint16_t frequency_hz;  
  //持续时间  
  uint16_t duration_ms;  
} SunnyNote;

然后创建一个结构体数组来保存每一个音符的信息方便我们后续遍历并播放

static const SunnyNote sunny_score[]

由于数组内容过长这里就先只展示部分信息

接下来在音乐播放函数中调用之前编写好的底层驱动函数来播放对应的音符信息

c 复制代码 
// 开始循环遍历  
for (index = 0U; index < ARRAY_SIZE(sunny_score); index++)  
{  
  // 读取音符信息，准备播放  
  uint16_t frequency_hz = sunny_score[index].frequency_hz;  
  uint16_t duration_ms = sunny_score[index].duration_ms;  
  uint32_t gap_ms = SUNNY_DEFAULT_GAP_MS;  
  
  if (frequency_hz == BUZZER_MUSIC_REST)  
  {  
    BuzzerMusic_Stop();  
  }  
  else  
  {  
    BuzzerMusic_SetTone(frequency_hz);  
  }  
  
  if (duration_ms > 0U)  
  {  
    osDelay(duration_ms);  
  }  
  BuzzerMusic_Stop();  
  
  //特定音符之间取消间隔  
  if ((index == 49U) || (index == 67U) || (index == 178U))  
  {  
    gap_ms = 0U;  
  }  
  if (gap_ms > 0U)  
  {  
    osDelay(gap_ms);  
  }  
}

播放每个音符的时候我们只需要把握好音调、持续时间和与下一个音符之间的间隔即可

在main中启动PWM

最后记得在main函数中启动PWM输出

c 复制代码 
MX_GPIO_Init();
MX_TIM1_Init();

if (HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK)
{
  Error_Handler();
}

调用音乐播放函数

我们可以自行选择音乐播放函数的调用位置，这里我选择在 freertos.c 中的任务里调用对应的音乐播放函数，首先包含音乐驱动头文件：

c 复制代码 
#include "buzzer_music.h"
#include "buzzer_songs.h"

然后在默认任务中初始化蜂鸣器并播放《晴天》：

c 复制代码 
void StartDefaultTask(void *argument)
{
  BuzzerMusic_Init();

  for (;;)
  {
    BuzzerSongs_PlaySunny();
  }
}

调整蜂鸣器响度

当前项目通过buzzer_music.c文件中的宏定义BUZZER_VOLUME_PERCENT来控制PWM的有效占空比：

c 复制代码 
#define BUZZER_VOLUME_PERCENT 10U

声音太大时，可以把这个值调小，例如：

c 复制代码 
#define BUZZER_VOLUME_PERCENT 5U

源代码展示

buzzer_music.c:

c 复制代码 
#include "buzzer_music.h"  
  
#include "tim.h"  
  
// 定时器输出通道  
#define BUZZER_TIMER_CHANNEL          TIM_CHANNEL_1  
// TIM的计数频率  
#define BUZZER_COUNTER_CLOCK_HZ       1000000U  
//最大计数值  
#define BUZZER_MAX_PERIOD_COUNTS      65536U  
//播放音量大小值，百分比  
#define BUZZER_VOLUME_PERCENT         2U  
  
// 初始化蜂鸣器模块，默认为静音状态  
void BuzzerMusic_Init(void)  
{  
  BuzzerMusic_Stop();  
}  
  
// 根据目标频率配置TIM1 PWM，以输出指定音调  
void BuzzerMusic_SetTone(uint16_t frequency_hz)  
{  
  uint32_t period_counts;  
  
  // 如果频率值为0那么直接停止输出  
  if (frequency_hz == BUZZER_MUSIC_REST)  
  {  
    BuzzerMusic_Stop();  
    return;  
  }  
  
  //计算自动重装载器的值  
  period_counts = BUZZER_COUNTER_CLOCK_HZ / frequency_hz;  
  
  // 越界检查  
  if ((period_counts < 2U) || (period_counts > BUZZER_MAX_PERIOD_COUNTS))  
  {  
    BuzzerMusic_Stop();  
    return;  
  }  
  
  // 将对应值写入重装载寄存器和比较寄存器中  
  __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim1, period_counts - 1U);  
  __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, BUZZER_TIMER_CHANNEL, (period_counts * BUZZER_VOLUME_PERCENT) / 100U);  
}  
  
// 将PWM有效占空比清零，使低电平触发蜂鸣器停止发声  
void BuzzerMusic_Stop(void)  
{  
  // 将捕获比较寄存器中的值设置为0，无源蜂鸣器停止发声  
  __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, BUZZER_TIMER_CHANNEL, 0U);  
}

buzzer_music.h:

c 复制代码 
#ifndef BUZZER_MUSIC_H  
#define BUZZER_MUSIC_H  
  
#include <stdint.h>  
  
#define BUZZER_MUSIC_REST  0U  
  
void BuzzerMusic_Init(void);  
void BuzzerMusic_SetTone(uint16_t frequency_hz);  
void BuzzerMusic_Stop(void);  
  
#endif /* BUZZER_MUSIC_H */

buzzer_songs.c:

c 复制代码 
#include "buzzer_songs.h"  
  
#include <stddef.h>  
#include <stdint.h>  
  
#include "buzzer_music.h"  
#include "cmsis_os2.h"  
  
// 宏函数作用是获取数组长度  
#define ARRAY_SIZE(array)              (sizeof(array) / sizeof((array)[0]))  
// 默认音符停顿时间  
#define SUNNY_DEFAULT_GAP_MS           5U  
  
// 音符结构体，保存一个音符的音调和持续时间信息  
typedef struct  
{  
  //音调  
  uint16_t frequency_hz;  
  //持续时间  
  uint16_t duration_ms;  
} SunnyNote;  
  
// 《晴天》乐谱：每项依次表示音调频率和持续时间，频率为0时表示休止  
static const SunnyNote sunny_score[] =  
{  
  {1760U, 360U}, {2092U, 360U}, {3136U, 360U}, {2092U, 360U}, {1396U, 360U},  
  {1568U, 180U}, {1760U, 180U}, {3136U, 360U}, {2092U, 360U}, {2092U, 360U},  
  {1568U, 360U}, {3136U, 360U}, {2092U, 360U}, {2092U, 360U}, {3136U, 360U},  
  {1976U, 360U}, {3136U, 360U}, {1760U, 360U}, {2092U, 360U}, {3136U, 360U},  
  {2092U, 360U}, {1396U, 360U}, {1568U, 180U}, {1760U, 180U}, {3136U, 360U},  
  {2092U, 360U}, {2092U, 360U}, {1568U, 360U}, {3136U, 360U}, {2092U, 360U},  
  {2092U, 360U}, {3136U, 360U}, {1568U, 180U}, {2092U, 180U}, {3136U, 360U},  
  {0U, 360U}, {3136U, 360U}, {3136U, 360U}, {2092U, 360U}, {2092U, 720U},  
  {2348U, 360U}, {2636U, 360U}, {0U, 360U}, {3136U, 360U}, {3136U, 360U},  
  {2092U, 360U}, {2092U, 360U}, {2348U, 180U}, {2636U, 180U}, {2348U, 180U},  
  {2092U, 180U}, {1568U, 360U}, {0U, 360U}, {3136U, 360U}, {3136U, 360U},  
  {2092U, 360U}, {2092U, 720U}, {2348U, 360U}, {2636U, 360U}, {0U, 360U},  
  {2636U, 720U}, {2348U, 180U}, {2636U, 180U}, {2792U, 180U}, {2636U, 180U},  
  {2348U, 180U}, {2792U, 180U}, {2636U, 180U}, {2348U, 180U}, {2092U, 360U},  
  {1568U, 360U}, {2092U, 360U}, {2092U, 360U}, {2636U, 360U}, {2792U, 360U},  
  {2636U, 360U}, {2348U, 360U}, {2092U, 180U}, {2348U, 180U}, {2636U, 360U},  
  {2636U, 360U}, {2636U, 360U}, {2636U, 360U}, {2348U, 180U}, {2636U, 180U},  
  {2348U, 360U}, {2092U, 720U}, {1568U, 360U}, {2092U, 360U}, {2348U, 360U},  
  {2636U, 360U}, {2792U, 360U}, {2636U, 360U}, {2348U, 360U}, {2092U, 180U},  
  {2348U, 180U}, {2636U, 360U}, {2636U, 360U}, {2636U, 360U}, {2636U, 360U},  
  {2348U, 180U}, {2636U, 180U}, {2348U, 360U}, {2092U, 540U}, {0U, 2880U},  
  {2092U, 180U}, {2092U, 180U}, {2092U, 180U}, {2092U, 180U}, {1760U, 360U},  
  {1976U, 360U}, {2092U, 360U}, {3136U, 360U}, {2792U, 360U}, {2636U, 360U},  
  {2092U, 360U}, {2092U, 900U}, {0U, 360U}, {2092U, 180U}, {2092U, 180U},  
  {2092U, 180U}, {2092U, 180U}, {2636U, 360U}, {2092U, 360U}, {1760U, 360U},  
  {1976U, 360U}, {2092U, 360U}, {3136U, 360U}, {2792U, 360U}, {2636U, 360U},  
  {2092U, 360U}, {2348U, 900U}, {2636U, 360U}, {2348U, 360U}, {2792U, 360U},  
  {2636U, 720U}, {2092U, 360U}, {3136U, 360U}, {3952U, 360U}, {4188U, 360U},  
  {3952U, 360U}, {3136U, 360U}, {2092U, 360U}, {0U, 360U}, {2092U, 360U},  
  {3520U, 360U}, {3520U, 360U}, {0U, 360U}, {3520U, 360U}, {3136U, 360U},  
  {3136U, 360U}, {0U, 360U}, {3136U, 360U}, {2792U, 360U}, {2636U, 360U},  
  {2348U, 360U}, {2636U, 360U}, {2792U, 360U}, {2636U, 900U}, {0U, 540U},  
  {2636U, 360U}, {2792U, 360U}, {3136U, 360U}, {2636U, 360U}, {0U, 360U},  
  {2792U, 360U}, {3136U, 360U}, {3952U, 360U}, {4700U, 360U}, {3952U, 360U},  
  {4188U, 360U}, {4188U, 900U}, {0U, 360U}, {4188U, 360U}, {4188U, 360U},  
  {3136U, 360U}, {3136U, 360U}, {3520U, 360U}, {3136U, 360U}, {2792U, 360U},  
  {2348U, 360U}, {2636U, 360U}, {2792U, 360U}, {3136U, 360U}, {3520U, 360U},  
  {2092U, 360U}, {3520U, 540U}, {3952U, 180U}, {3952U, 720U}, {2636U, 360U},  
  {2348U, 360U}, {2792U, 360U}, {2636U, 360U}, {0U, 360U}, {2092U, 360U},  
  {3136U, 360U}, {3952U, 360U}, {4188U, 360U}, {3952U, 360U}, {3136U, 360U},  
  {2092U, 360U}, {0U, 360U}, {2092U, 360U}, {3520U, 360U}, {3520U, 360U},  
  {0U, 360U}, {3520U, 360U}, {3136U, 360U}, {3136U, 360U}, {0U, 360U},  
  {3136U, 360U}, {2792U, 360U}, {2636U, 360U}, {2348U, 360U}, {2636U, 360U},  
  {2792U, 360U}, {2636U, 1080U}, {0U, 360U}, {2636U, 360U}, {2792U, 360U},  
  {3136U, 360U}, {2636U, 360U}, {0U, 360U}, {2792U, 360U}, {3136U, 360U},  
  {3952U, 360U}, {4700U, 360U}, {3952U, 360U}, {4188U, 360U}, {4188U, 900U},  
  {0U, 360U}, {2092U, 360U}, {4188U, 360U}, {3136U, 360U}, {3136U, 360U},  
  {3520U, 360U}, {3136U, 360U}, {2792U, 360U}, {1760U, 360U}, {1976U, 360U},  
  {2092U, 360U}, {2348U, 360U}, {2636U, 360U}, {2348U, 720U}, {0U, 0U},  
  {2636U, 360U}, {2092U, 1440U}  
};  
  
// 遍历迁移后的音调和时值数据，完整播放《晴天》旋律  
void BuzzerSongs_PlaySunny(void)  
{  
  size_t index;  
  
  // 开始循环遍历  
  for (index = 0U; index < ARRAY_SIZE(sunny_score); index++)  
  {  
    // 读取音符信息，准备播放  
    uint16_t frequency_hz = sunny_score[index].frequency_hz;  
    uint16_t duration_ms = sunny_score[index].duration_ms;  
    uint32_t gap_ms = SUNNY_DEFAULT_GAP_MS;  
  
    if (frequency_hz == BUZZER_MUSIC_REST)  
    {  
      BuzzerMusic_Stop();  
    }  
    else  
    {  
      BuzzerMusic_SetTone(frequency_hz);  
    }  
  
    if (duration_ms > 0U)  
    {  
      osDelay(duration_ms);  
    }  
    BuzzerMusic_Stop();  
  
    //特定音符之间取消间隔  
    if ((index == 49U) || (index == 67U) || (index == 178U))  
    {  
      gap_ms = 0U;  
    }  
    if (gap_ms > 0U)  
    {  
      osDelay(gap_ms);  
    }  
  }  
}

buzzer_songs.h:

c 复制代码 
#ifndef BUZZER_SONGS_H  
#define BUZZER_SONGS_H  
  
void BuzzerSongs_PlaySunny(void);  
  
#endif /* BUZZER_SONGS_H */
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