Эксперимент 4. терменвокс

Содержание

Описание модуля KY-012 (зуммер).

Модуль оснащён активным звуковым модулем (зуммером) и издает звуковое уведомление при подачи питания 5 В (3,3 В). Модуль можно использовать как в проектах с различными микроконтроллерами (Arduino, ESP32, ESP8266, stm32 и пр). Так и самостоятельно, например с тактовой кнопкой или с оптическим выключателем.

Технические характеристики KY-012.

Модуль активного зуммера KY-012 состоит из активного пьезоэлектрического зуммера, который генерирует звук, с частотой примерно 2,5 кГц, при подаче питания.

Рабочее напряжение

3,5 В ~ 5,5 В

Максимальный ток

30 мА / 5 В постоянного тока

Частота резонанса

2500 Гц ± 300 Гц

Минимальный звук на выходе

85 дБ

Рабочая температура

-20 ° C ~ 70 ° C

Габаритные размеры

18,5 x 15 мм

Для подключения модуля, сигнальный выход (S) подключаем к контакту 8 на Arduino, а землю (-) к GND. Имейте в виду, что некоторые платы имеют неправильную маркировку, попробуйте перевернуть провода, если вы не слышите звука после загрузки скетча.

Разбираем музыкальный модуль

Я извлек музыкальный модуль из tap-файла и подверг анализу в эмуляторе Unreal Speccy и в дизассемблере IDA Pro. Полный листинг модуля с моими комментариями можно найти тут.

Если вкратце, это модуль длиной 0x4000 (или 16384, ах, какие числа) байт. Он загружается по адресу 0xC000 и имеет две мелодии с адресами 0xC000 и 0xD300. Обе мелодии укомплектованы идентичным плеером, так что сначала идет код плеера, а сразу за ним располагаются данные позиций, паттерны и инструменты. Думаю, так поступали в большинстве случаев — один плеер на несколько мелодий делали редко, несмотря на возможную экономию.

Сам плеер интересен тем, что для каждой позиции позволяет настроить свой банк инструментов, таким образом один и тот же паттерн может звучать по-разному, в зависимости от того, какие инструменты настроены. Это можно в какой-то мере сравнить с цветовой палитрой в старых графических режимах.

Модуль состоит из следующих блоков (где это возможно, будет указан и адрес окончания блока):

  • 0xC000 — 0xC01B — (init) — блок инициализации, здесь происходит установка начальной скорости, адресов позиций и инструментов.

  • 0xC01C — 0xC032 — (play_loop) — главный цикл. В нем благодаря команде ‘halt’ осуществляется задержка в 20 мс, т.е. тело цикла выполняется 50 раз в секунду. Здесь же осуществляется управление мелодией и проверка, не нажали ли в данный момент клавишу пробел, чтобы выйти из плеера. Этот код нужен был, чтобы можно было прослушать мелодию без дополнительного кода, но в играх он был бесполезен, потому что там был свой код, выполняющийся по прерыванию каждые 20 мс и вызывающий код плеера, чтобы тот сменил состояние мелодии. Так мелодии можно было проигрывать в фоне, не блокируя выполнение кода игры.

  • 0xC033 — (play_frame) — именно это место должно вызываться 50 раз в секунду, чтобы звучала мелодия. Здесь идет подсчет количества вызовов. Если оно превышает скорость, заданную автором композиции, происходит смена нот. В этих мелодиях скорость всегда постоянна, а переход к следующей ноте происходит каждое седьмое прерывание, т.е. скорость всех мелодий в модуле — 7. Современную музыку для AY-3-8912 стараются писать со скоростью 3, так можно уместить больше деталей. Очевидно, чем меньше число, задающее скорость, тем чаще происходит смена нот.

  • 0xC043 — (init_next_note) — код вызывается при каждой смене нот.

  • 0xC051 — (init_next_position) — если ноты в паттерне заканчивается, то надо перейти к следующей позиции или начать мелодию сначала.

  • 0xC06C — (init_pattern) — код инициализации следующего паттерна.

  • 0xC082 — (init_next_note_in_current_pattern) — большой кусок кода по инициализации следующей ноты в паттерне. Здесь четырежды вызывается подпрограмма init_note_in_channel, которая читает управляющие команды и высоту нот, которые надо проиграть из данных паттерна, и сохраняет эти данные в оперативной памяти. Замечу, что четвертый канал отсутствует в звукогенераторе. Очевидно, этот псевдо канал задумывался для специальных команд управления состоянием. Не ясно, почему эти команды нельзя было помещать в оставшиеся три канала, сэкономив память. Кстати, здесь широко используются индексные регистры ix и iy, которые выгодно отличали процессор Z80 от его прародителя Intel 8080. При должном использовании они являлись своего рода контекстом исполнения, эдакий this, если угодно. Использование iy также указывает, что плеер не старались сделать универсальным, потому что этот регистр использовался во встроенном бейсике и изменять его в прерываниях (а плеер мог вызываться и через прерывания) не рекомендовалось.

  • 0xC0B4 — (manage_current_note) — если сменять ноты надо было не каждые 20 мс, а в соответствии с заданной скоростью, то текущие проигрываемые ноты нуждались в обслуживании постоянно. Этот код трижды вызывает подпрограмму manage_current_note_in_channel, обслуживающую инструменты, — по одному разу для каждого канала. Напомним, что инструменты могут динамически менять частоту ноты (сэмпл) или высоту тона ноты (орнамент).

  • 0xC0F5 — 0xC1E2 — (manage_current_note_in_channel) — обслуживание инструмента для данной ноты в канале. Наряду с инструментом, здесь же обрабатываются и шумовые эффекты. По результатам вычисления нового состояния для инструментов в этой процедуре заполняется буфер регистров, который позже передается в регистры звукогенератора.

  • 0xC1E3 — (ay_out) — перенос данных из буфера в регистры звукогенератора.

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.

2 Извлекаем звук из пьезоизлучателяс помощью функции analogWrite()

Пьезопищалку можно задействовать разными способами. Самый простой из них – это использовать функцию analogWrite(). Пример скетча – во врезке. Данный скетч попеременно включает и выключает звук с частотой 1 раз в 2 секунды.

/* Объявляем переменную с номером вывода, 
к которому подключён пьезоэлемент: */
int soundPin = 3; 

void setup() {
  // ставим пин "3" в режим работы "Выход":
  pinMode(soundPin, OUTPUT);
}

void loop() {
    analogWrite(soundPin, 50); // включаем пьезоизлучатель
    delay(1000);  // на 1000 мс (1 сек),
    analogWrite(soundPin, 0); // выключаем звук
    delay(1000); // на 1 сек.
}

Задаём номер пина, определяем его как выход. Функция analogWrite() принимает в качестве аргументов номер вывода и уровень, который может быть от 0 до 255, т.к. ШИМ-выводы Ардуино имеют 8-битный ЦАП. Это значение будет изменять громкость пьезопищалки в небольших пределах. Чтобы выключить пьезопищалку, нужно послать в порт значение «0».

Используя функцию analogWrite(), нельзя изменять тональность звука, к сожалению. Пьезоизлучатель всегда будет звучать на частоте примерно 980 Гц, что соответствует частоте работы выводов с широтно-импульсной модуляцией сигнала (ШИМ) на платах Arduino UNO и подобных.

Пример скетча для пьезодимнамика

Для “оживления” подключенного к плате ардуино зуммера потребуется программное обеспечение Arduino IDE, которое можно скачать на нашем сайте.

Одним из простейших способов заставить заговорить пищалку является использование функции «analogwrite». Но лучше воспользоваться встроенными функциями. За запуск звукового оповещения отвечает функция «tone()», в скобках пользователю следует указывать параметры частоты звука и номера входа, а также времени. Для отключения звука используется функция «noTone()».

Пример скетча с функцией tone() и noTone()

Схема подключения для примера выглядит следующим образом:

Подключение пищалки к 3 пину Ардуино

Когда вы используете функцию tone(), то возникают следующие ограничения.

Вариант скетча для активного зуммера чрезвычайно прост. С помощью digitalWrite() мы выставляем значение 1 в порт, к которому подключена пищалка.

Вариант скетча для зуммера без tone()

Пример скетча для варианта без функции tone() представлен на изображении внизу. Этот код задает частоту включения звука один раз в две секунды.

Пример скетча

Для корректной работы устройства необходимо задать номер PIN, определить его как «выход». Функция analogWrite использует в качестве аргументов номер вывода и уровень, который изменяет свое значение от 0 до 255. Это все по причине того, что шим-выводы Arduino имеют ЦАП (цифроаналоговый преобразователь) 8-бит. Изменяя этот параметр, пользователь меняет громкость зуммера на небольшую величину. Для полного выключения следует пропитать в порте значение «0». Следует сказать, что используя функцию «analogwrite», пользователь не сможет изменять тональность звука. Для пьезоизлучателя будет определена частота 980 Гц. Это значение совпадает с частотой работы выводов с шим на платах Ардуино и аналогов.

Подготовка к работе

На нашем TutorShield’е установлен пьезоизлучатель. Для его подключения установите перемычку между отмеченными выводами. Эти контакты подписаны как «buz». При их замыкании пьезоизлучатель подключается к выводу микроконтроллера PC5.

Подключение пьезоизлучателя

Пьезоизлучатели бывают двух типов — со встроенным генератором и без. Зуммеры со встроенным генератором излучают фиксированный тональный сигнал сразу после подачи на них номинального напряжения. Они не могут воспроизводить произвольный сигнал. Их обычно используют для простого звукового оповещения. Если требуется проиграть мелодию, или в разных ситуациях по-разному «пищать», то используют пьезоизлучатели без встроенного генератора и генерируют сигнал отдельно. На нашем шилде установлен зуммер без встроенного генератора и мы сможем воспроизводить различные мелодии. Если вы не используете наш шилд, то можете просто подключить зуммер между выводом PC5 и землей, и все примеры будут работать и у вас тоже на микроконтроллере Atmega8.

Пример скетча для пьезодимнамика

Для “оживления” подключенного к плате ардуино зуммера потребуется программное обеспечение Arduino IDE, которое можно .

Одним из простейших способов заставить заговорить пищалку является использование функции «analogwrite». Но лучше воспользоваться встроенными функциями. За запуск звукового оповещения отвечает функция «tone()», в скобках пользователю следует указывать параметры частоты звука и номера входа, а также времени. Для отключения звука используется функция «noTone()».

Пример скетча с функцией tone() и noTone()

Схема подключения для примера выглядит следующим образом:

Когда вы используете функцию tone(), то возникают следующие ограничения.

Невозможно одновременно использовать ШИМ на пинах 3 и 11 (они используют одинаковый внутренний таймер), а также нельзя запустить одновременно две мелодии двумя командами tone() – в каждый момент времени будет исполняться только одна.Еще одно ограничение: нельзя извлечь звук частотой ниже 31 Гц.

Вариант скетча для активного зуммера чрезвычайно прост. мы выставляем значение 1 в порт, к которому подключена пищалка.

Вариант скетча для зуммера без tone()

Пример скетча для варианта без функции tone() представлен на изображении внизу. Этот код задает частоту включения звука один раз в две секунды.

Для корректной работы устройства необходимо задать номер PIN, определить его как «выход». Функция analogWrite использует в качестве аргументов номер вывода и уровень, который изменяет свое значение от 0 до 255. Это все по причине того, что шим-выводы Arduino имеют ЦАП (цифроаналоговый преобразователь) 8-бит. Изменяя этот параметр, пользователь меняет громкость зуммера на небольшую величину. Для полного выключения следует пропитать в порте значение «0». Следует сказать, что используя функцию «analogwrite», пользователь не сможет изменять тональность звука. Для пьезоизлучателя будет определена частота 980 Гц. Это значение совпадает с частотой работы выводов с шим на платах Ардуино и аналогов.

Исправление проблем

Если датчик звука работает неправильно, попробуйте выполнить следующие действия.

  1. Дважды проверьте, что источник питания обеспечивает чистое напряжение питания. Поскольку звуковой датчик – это аналоговая схема, он более чувствителен к шуму, создаваемому блоком питания.
  2. Электретный микрофон в звуковом датчике также чувствителен к механическим вибрациям и шуму ветра. Установка с помощью эластичных/упругих материалов может помочь поглотить вибрацию.
  3. Диапазон чувствительности этого звукового датчика очень мал, возможно, всего 10 дюймов (примерно 25 см), поэтому, чтобы получить хорошую реакцию, вам нужно создавать шум намного ближе.

Объяснение работы программы

Полный текст программы приведен в конце статьи, здесь же объяснены ее наиболее важные части. Если у вас нет опыта в добавлении заголовочных файлов вы можете скачать код в форме ZIP и непосредственно загрузить его в плату Arduino.

В нашей программе мы будем использовать два заголовочных файла:
— “pitches.h” – для приравнивания каждой музыкальной ноты к определенной частоте;
— “themes.h” – содержит значения нот и их длительность для всех 4-х мелодий.

Для каждой мелодии при необходимости ее проигрывания вызывается соответствующая функция. К примеру, для проигрывания мелодии “He is a Pirate” вызывается функция Play_Pirates(). Эта функция генерирует необходимые частоты на контакте 8 платы Arduino. Если вы хотите проиграть какую то свою мелодию, измените Pirates_note и Pirates_duration на новые значения нот и длительности нот, которые вы сохранили в файле “themes.h”.

Контакты 2, 3, 4 и 5 используются для выбора мелодии, которую необходимо проиграть. На эти контакты благодаря внутренним подтягивающим резисторам подается высокий потенциал, а при нажатии кнопки на соответствующий контакт подается земля.

Следующий фрагмент кода используется для проигрывания песни когда кнопка нажата. В нем анализируется значение на контактах, к которым подключены кнопки, и когда на каком-нибудь контакте обнаруживается низкий потенциал, запускается проигрывание соответствующей мелодии.

Питание плат Arduino

Перед рассмотрением способов снижения электроэнергии стоит отметить, что энергоэффективность устройства повышается с понижением питающего напряжения. Большинство плат Arduino поддерживают входное напряжение до 12В, при этом сам микроконтроллер питается напряжением 5В. Таким образом, учитывая, что в большинстве плат Arduino установлены линейные регуляторы напряжения, получается, что при питании платы напряжением больше 5В, значительная часть мощности будет рассеиваться в тепло.

Пример потребления электроэнергии платой Arduino Mini Pro:

Питающее напряжение, В Ток, мА Потребляемая мощность, мВт
9 42 378
5 22 110
3.3 8 26.4

На нашем сайте вы можете найти описание схем энергопитания для плат Arduino Uno, Nano, Mega и Leonardo.

В рамках данной темы мы рассмотрим 4 основных метода снижения энергопотребления:

  • использование режимов энергосбережения;
  • использование библиотеки Narcoleptic;
  • выключение компонентов микроконтроллера;
  • снижение тактовой частоты;

Описание и схема работы зуммера

Зуммер, пьезопищалка – все это названия одного устройства.  Данные модули используются для звукового оповещения в тех устройствах и системах, для функционирования которых в обязательном порядке нужен звуковой сигнал. Широко распространены зуммеры в различной бытовой технике и игрушках, использующих электронные платы. Пьезопищалки преобразуют команды, основанные на двухбитной системе счисления 1 и 0, в звуковые сигналы.

Пьезоэлемент “пищалка”

Пьезопищалка 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 зуммера основан на открытом братьями Кюри в конце девятнадцатого века пьезоэлектрическом эффекте. Согласно ему, при подаче электричества на зуммер он начинает деформироваться. При этом происходят удары о металлическую пластинку, которая и производит “шум” нужной частоты.

Устройство пьезодинамика пищалки

Нужно также помнить, что зуммер бывает 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. Подробнее об этом чуть ниже.

Модуль пищалки для Ардуино

Если сравнивать с обыкновенными электромагнитными преобразователями звука, то пьезопищалка имеет более простую конструкцию, что делает ее использование экономически обоснованным. Частота получаемого звука задается пользователем в программном обеспечении (пример скетча представим ниже).

Принципы работы функции Tone() в Arduino

Прежде чем рассматривать функцию Tone() сначала рассмотрим как работает пьезоэлектрический зуммер (Piezo Buzzer). По сути, это кристалл, который преобразует механические колебания в электрические или наоборот. В этом проекте мы используем переменный ток (частоту) под действием которой кристалл вибрирует и, таким образом, производит звук. То есть чтобы заставить пьезоэлектрический зуммер издавать какой-нибудь шум (звук), мы должны заставить его вибрировать, тон этого звука будет зависеть от того как быстро кристалл вибрирует. То есть тоном звука можно управлять с помощью частоты подаваемого на кристалл тока.

А каким образом мы можем получить переменную частоту в плате Arduino? И здесь как раз на помощь приходит функция tone (). Эта функция позволяет генерировать определенную частоту на заданном контакте. Можно регулировать и время генерации частоты если это необходимо. Синтаксис функции tone () выглядит следующим образом:

В качестве pin может выступать любой цифровой контакт платы Arduino. Мы в нашем проекте использовали контакт 8. Генерируемая частота зависит от размера таймера в вашей плате Arduino. Для Arduino Uno и других подобных ей плат минимальная частота звука составляет 31 Гц, а максимальная – 65535 Гц. Диапазон воспринимаемых ухом обычного человека частот значительно меньше.

Пример скетча для пьезодимнамика

Для “оживления” подключенного к плате ардуино зуммера потребуется программное обеспечение Arduino IDE, которое можно скачать на нашем сайте.

Одним из простейших способов заставить заговорить пищалку является использование функции «analogwrite». Но лучше воспользоваться встроенными функциями. За запуск звукового оповещения отвечает функция «tone()», в скобках пользователю следует указывать параметры частоты звука и номера входа, а также времени. Для отключения звука используется функция «noTone()».

Пример скетча с функцией tone() и noTone()

//Пин, к которому подключен пьезодинамик.int piezoPin = 3; void setup() { }void loop() { /*Функция принимает три аргумента 1) Номер пина 2) Частоту в герцах, определяющую высоту звука 3) Длительность в миллисекундах. */ tone(piezoPin, 1000, 500); // Звук прекратится через 500 мс, о программа останавливаться не будет! /* Вариант без установленной длительности */ tone(piezoPin, 2000); // Запустили звучание delay(500); noTone(); // Остановили звучание}

Схема подключения для примера выглядит следующим образом:

Подключение пищалки к 3 пину Ардуино

Когда вы используете функцию tone(), то возникают следующие ограничения.

Невозможно одновременно использовать ШИМ на пинах 3 и 11 (они используют одинаковый внутренний таймер), а также нельзя запустить одновременно две мелодии двумя командами tone() – в каждый момент времени будет исполняться только одна.Еще одно ограничение: нельзя извлечь звук частотой ниже 31 Гц. 

Вариант скетча для активного зуммера чрезвычайно прост. С помощью digitalWrite() мы выставляем значение 1 в порт, к которому подключена пищалка.

Вариант скетча для зуммера без tone()

Пример скетча для варианта без функции tone() представлен на изображении внизу. Этот код задает частоту включения звука один раз в две секунды.

Пример скетча

Для корректной работы устройства необходимо задать номер PIN, определить его как «выход». Функция analogWrite использует в качестве аргументов номер вывода и уровень, который изменяет свое значение от 0 до 255. Это все по причине того, что шим-выводы Arduino имеют ЦАП (цифроаналоговый преобразователь) 8-бит. Изменяя этот параметр, пользователь меняет громкость зуммера на небольшую величину. Для полного выключения следует пропитать в порте значение «0». Следует сказать, что используя функцию «analogwrite», пользователь не сможет изменять тональность звука. Для пьезоизлучателя будет определена частота 980 Гц. Это значение совпадает с частотой работы выводов с шим на платах Ардуино и аналогов.

Пример скетча для пьезодимнамика

Для “оживления” подключенного к плате ардуино зуммера потребуется программное обеспечение Arduino IDE, которое можно скачать на нашем сайте.

Одним из простейших способов заставить заговорить пищалку является использование функции «analogwrite». Но лучше воспользоваться встроенными функциями. За запуск звукового оповещения отвечает функция «tone()», в скобках пользователю следует указывать параметры частоты звука и номера входа, а также времени. Для отключения звука используется функция «noTone()».

Пример скетча с функцией tone() и noTone()

Схема подключения для примера выглядит следующим образом:

Подключение пищалки к 3 пину Ардуино

Когда вы используете функцию tone(), то возникают следующие ограничения.

Вариант скетча для активного зуммера чрезвычайно прост. С помощью digitalWrite() мы выставляем значение 1 в порт, к которому подключена пищалка.

Вариант скетча для зуммера без tone()

Пример скетча для варианта без функции tone() представлен на изображении внизу. Этот код задает частоту включения звука один раз в две секунды.

Пример скетча

Для корректной работы устройства необходимо задать номер PIN, определить его как «выход». Функция analogWrite использует в качестве аргументов номер вывода и уровень, который изменяет свое значение от 0 до 255. Это все по причине того, что шим-выводы Arduino имеют ЦАП (цифроаналоговый преобразователь) 8-бит. Изменяя этот параметр, пользователь меняет громкость зуммера на небольшую величину. Для полного выключения следует пропитать в порте значение «0». Следует сказать, что используя функцию «analogwrite», пользователь не сможет изменять тональность звука. Для пьезоизлучателя будет определена частота 980 Гц. Это значение совпадает с частотой работы выводов с шим на платах Ардуино и аналогов.

Отличия активного и пассивного зуммера

Главное отличие активного зуммера от пассивного заключается в том, что активный зуммер генерирует звук самостоятельно. Для этого пользователь должен просто включить или выключить его, другими словами, подав напряжение на контакты или обесточив. Пассивный зуммер же требует источника сигнала, который задаст параметры звукового сигнала. В качестве такого источника может выступать плата Ардуино. Активный зуммер будет выдавать более громкий звуковой сигнал в сравнении с его конкурентом. Частота излучаемого звука активного зуммера составляет значения 2,5 кГц +/- 300Гц. Напряжение питания для пищалки варьируется от 3,5 до 5 В.

Активный пьезоизлучатель предпочтительней еще из-за того, что в скетче не потребуется создавать дополнительный фрагмент кода с задержкой, влияющий на рабочий процесс. Также для определения того, что за элемент находится перед пользователем, можно измерить сопротивление между двумя проводами. Более высокие значения будут указывать на активный зуммер ардуино.

По своей геометрической форме пищалки никак не различаются, и отнести элемент к тому или иному виду по данной характеристике не представляется возможным. Визуально зуммер можно идентифицировать, как активный, если на плате присутствуют резистор и усилитель. В пассивном зуммере в наличии только маленький пьезоэлемент на плате.

Похожие записи:

Запекаем картошку в микроволновке в пакете: 3 простейших рецепта Суперконденсаторы вместо аккумуляторов Как увеличить громкость наушников Отделка стен: современные идеи и бюджетные варианты на любой вкус Как_расплющить_стеклянную_бутылку_в_домашних_условиях Как чистить яйца за пару секунд