Close

TinyLab: Piezo bzučák

Arduino TinyLab kit - Piezo bzučák

V dalším dílu seriálu věnovaného desce TinyLab si ukážeme, jak se dá využít Piezzo bzučák dostupný na desce.

Co je piezo bzučák

Označení „piezo“ nesou různé součástky, které pro svoji činnost využívají piezzoelektrický jev. O něm Wikipedie uvádí:

Piezoelektrický jev (z řeckého piezein (πιέζειν) – tlačit) je schopnost krystalu generovat elektrické napětí při jeho deformování.

Tedy, že některé krystaly mají speciální vlastnost, že když je zmáčkneme, generují elektrické napětí. Toho se využívá například v zapalovačích, kdy krystal generuje elektrickou jiskru. Piezo články nalezneme také v některých snímačích v kytarách.

Tento jev ale funguje i opačně. V tomto případě se nazývá nepřímý piezoelektrický jev. Přivedeme-li na krystal napětí, dochází k jeho deformaci.  A toho se využívá právě v piezo bzučácích. Přivedením měnícího se napětí na  krystal dochází k jeho střídavému smršťování a rozpínání. Krystal svým pohybem rozpohybovává i okolní částice a vzniká tak zvuková vlna, kterou slyšíme.

Z našeho pohledu to znamená, že musíme pin, ke kterému je bzučák připojen rychle vypínat a zapínat.

Zvuk

Zvuk se prostředím šíří jako kmitání částic. Bzučák svým pohybem částice rozpohybovává, tento pohyb se postupně šíří prostředím, až narazí na bubínek našeho ucha, který je tímto pohybem rozkmitán. A my tyto kmity vnímáme jako zvuk.

U zvuku rozlišujeme několik vlastností. Jsou to například barva, amplituda (hlasitost), frekvence (výška tónu) a další. U piezzo bzučáku na naší desce jsme schopni ovlivnit pouze frekvenci.

Frekvence

Frekvence říká, kolikrát za sekundu dojde ke kmitnutí částic. V našem případě tedy kolikrát za sekundu bzučák zapneme a vypneme.

Jednotkou frekvence je Hz (hertz). Pokud má tón frekvenci 50Hz, znamená to, že se krystal v bzučáku 50x za sekundu roztáhne a smrští.

Právě frekvence od sebe odlišuje různé tóny. Například pro komorní A je stanovena frekvence 440Hz. Tabulku tónů a jejich frekvencí nalezneme například zde.

Generování zvuku na Arduinu

Našim cílem bude přehrát na bzučáku komorní A, tedy tón s frekvencí 440Hz. Prvně musíme zjistit, jak rychle musíme bzučák zapínat a vypínat. Víme, že k zapnutí a vypnutí musí dojít 440x za sekundu. Bzučák stráví v zapnutém a vypnutém stavu vždy stejnou dobu. Dobu mezi jednotlivými zapnutími nazýváme perioda. Tu vypočítáme pomocí následujícího vzorce:

perioda = 1 / frekvence

Nebo také zapsáno fyzikálně:

T = 1 / f

Víme tedy, že v našem případě bude jedna perioda mít přibližně délku

1 / 440  = 0,002272 sekundy = 2272 mikrosekund

Kód bude vypadat tak, že bzučák zapneme, počkáme polovinu periody, bzučák vypneme a počkáme další polovinu periody. A tak pořád dokola.

Velice jednoduchý kód pro generování komorního A by mohl vypadat takto:

#define BZUCAK A1
unsigned int pulPeriody = 1134;
void setup() {
 pinMode(BZUCAK, OUTPUT);
}
void loop() {
 digitalWrite(BZUCAK, HIGH);
 delayMicroseconds(pulPeriody);
 digitalWrite(BZUCAK, LOW);
 delayMicroseconds(pulPeriody);
}

Na TinyLabu je bzučák připojený k pinu A1 (analogový pin 1), takže nesmíme zapomenout zapnout vypínač u tohoto pinu (označený číslem 5).

Popřípadě pokud chceme periodu dopočítávat až v kódu, bude vypadat takto:

#define BZUCAK A1
unsigned int frekvence = 440;
unsigned int perioda = 1000000 / frekvence;    // není v sekundách, ale mikrosekundách, proto 1000000 místo 1
unsigned int pulPeriody = perioda / 2;
void setup() {
 pinMode(BZUCAK, OUTPUT);
}
void loop() {
 digitalWrite(BZUCAK, HIGH);
 delayMicroseconds(pulPeriody);
 digitalWrite(BZUCAK, LOW);
 delayMicroseconds(pulPeriody);
}

Arduino funkce tone

Zapínání a vypínání pinu ručně, jak jsme si předvedli v předchozím příkladu má jednu nevýhodu. Pokud do funkce loop něco přidáme, dojde k jejímu zdržení, perioda se protáhne a místo tónu A máme jiný tón, popřípadě podivný šum.

Naštěstí existuje funkce tone, která za nás generování tónu obstará. Navíc je vytvořena „chytřeji“, než jsme si předvedli, takže ji dlouhotrvající kód v loop nerozhodí.

Funkci tone můžeme použít dvěma způsoby:

  • tone(pin, frekvence)
    • hraje tón na pinu o dané frekvenci, dokud jej funkcí noTone(pin) nevypneme
  • tone(pin, frekvence, trvání)
    • Pokud funkci zadáme ještě délku přehrávání tónu (v milisekundách), dojde vypnutí přehrávání tónu po uplynulé době.

Ukažme si tedy použití v obou případech.

#define BZUCAK A1
void setup() {
 tone(BZUCAK, 440);
 delay(1000);
 noTone(BZUCAK);
}
void loop() {}

A bez delay:

#define BZUCAK A1
void setup() {
 tone(BZUCAK, 440, 1000);
}
void loop() {}

Přehrávání melodie

V příkladu na závěr si ukážeme, jak se dá přehrát jednoduchá melodie. Abychom si usnadnili situaci, přidáme si k projektu soubor s definicemi tónů a jejich frekvencí.

V Arduino IDE klikneme na šipku dolů v pravé horní části. A zvolíme možnost Add new tab. Vytvoří se nám nová záložka v IDE, kterou nazveme pitches.h a vložíme do ní následující kód:

#define NOTE_B0  31
#define NOTE_C1  33
#define NOTE_CS1 35
#define NOTE_D1  37
#define NOTE_DS1 39
#define NOTE_E1  41
#define NOTE_F1  44
#define NOTE_FS1 46
#define NOTE_G1  49
#define NOTE_GS1 52
#define NOTE_A1  55
#define NOTE_AS1 58
#define NOTE_B1  62
#define NOTE_C2  65
#define NOTE_CS2 69
#define NOTE_D2  73
#define NOTE_DS2 78
#define NOTE_E2  82
#define NOTE_F2  87
#define NOTE_FS2 93
#define NOTE_G2  98
#define NOTE_GS2 104
#define NOTE_A2  110
#define NOTE_AS2 117
#define NOTE_B2  123
#define NOTE_C3  131
#define NOTE_CS3 139
#define NOTE_D3  147
#define NOTE_DS3 156
#define NOTE_E3  165
#define NOTE_F3  175
#define NOTE_FS3 185
#define NOTE_G3  196
#define NOTE_GS3 208
#define NOTE_A3  220
#define NOTE_AS3 233
#define NOTE_B3  247
#define NOTE_C4  262
#define NOTE_CS4 277
#define NOTE_D4  294
#define NOTE_DS4 311
#define NOTE_E4  330
#define NOTE_F4  349
#define NOTE_FS4 370
#define NOTE_G4  392
#define NOTE_GS4 415
#define NOTE_A4  440
#define NOTE_AS4 466
#define NOTE_B4  494
#define NOTE_C5  523
#define NOTE_CS5 554
#define NOTE_D5  587
#define NOTE_DS5 622
#define NOTE_E5  659
#define NOTE_F5  698
#define NOTE_FS5 740
#define NOTE_G5  784
#define NOTE_GS5 831
#define NOTE_A5  880
#define NOTE_AS5 932
#define NOTE_B5  988
#define NOTE_C6  1047
#define NOTE_CS6 1109
#define NOTE_D6  1175
#define NOTE_DS6 1245
#define NOTE_E6  1319
#define NOTE_F6  1397
#define NOTE_FS6 1480
#define NOTE_G6  1568
#define NOTE_GS6 1661
#define NOTE_A6  1760
#define NOTE_AS6 1865
#define NOTE_B6  1976
#define NOTE_C7  2093
#define NOTE_CS7 2217
#define NOTE_D7  2349
#define NOTE_DS7 2489
#define NOTE_E7  2637
#define NOTE_F7  2794
#define NOTE_FS7 2960
#define NOTE_G7  3136
#define NOTE_GS7 3322
#define NOTE_A7  3520
#define NOTE_AS7 3729
#define NOTE_B7  3951
#define NOTE_C8  4186
#define NOTE_CS8 4435
#define NOTE_D8  4699
#define NOTE_DS8 4978

Tyto konstanty potom můžeme použít v našem programu tak, že na jeho začátek přidáme řádek #include „pitches.h“. Ukážeme si, jak přehrát stupnici. Úpravou programu ale bude možné zahrát libovolnou stupnici.

#include "pitches.h"
#define BZUCAK A1
unsigned int stupnice[] = {NOTE_C4, NOTE_D4, NOTE_E4, NOTE_F4, NOTE_G4, NOTE_A4, NOTE_B4, NOTE_C5};
void setup() {
 for(int i = 0; i < 8; i++){
   tone(BZUCAK, stupnice[i]);
   delay(1000);
 }
 
 noTone(BZUCAK);  
}
void loop() {}

Úprav se nabízí celá řada. Třeba umožnit různou délku tónu a další. Hodně zajímavý je třeba Imperial March na bzučák:

Vytvořili jste vlastní kód? Pochlubte se v komentářích, nebo na našem fóru arduino-forum.cz.

Zbyšek Voda

Zbyšek Voda

Už nějaký čas se zajímám o věci kolem Internetu věcí a otevřeného hardware a software. Tak jsem se také v roce 2010 dostal k Arduinu, pro které dodnes programuji a taky píšu články o práci s ním. Baví mě vymýšlet, jak staré věci používat novým způsobem.
Zbyšek Voda

Napsat komentář