TinyLab: Piezo bzučák

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

Obsah článku:

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:

https://www.youtube.com/watch?v=9kIDWvAj-iE

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

About
Latest Posts

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.

Napsat komentář Zrušit odpověď na komentář

Pro přidávání komentářů se musíte nejdříve přihlásit.

Bastlírna HWKITCHEN