51单片机 | 蜂鸣器实验

一、 蜂鸣器介绍

  蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、 打印机、 复印机、 报警器、 电子玩具、 汽车电子设备、 电话机、 定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
  压电式蜂鸣器（无源蜂鸣器）主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.5~15V 直流工作电压），多谐振荡器起振，输出 1.5～5kHZ 的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
  电磁式蜂鸣器（有源蜂鸣器）由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。
  其实一句话就可概括它们之间的区别，想要压电式蜂鸣器发声，需提供一定频率的脉冲信号（高低电平）；想要电磁式蜂鸣器发声，只需提供电源即可。
  我们开发板上使用的蜂鸣器是无源蜂鸣器，属于压电式蜂鸣器类型。这里说的有源和无源，并不是指电源的意思，而是指蜂鸣器内部是否含有振荡电路，有源蜂鸣器内部自带振荡电路，只需提供电源即可发声，而无源蜂鸣器则需提供一定频率的脉冲信号才能发声，频率大小通常在 1.5-5KHz 之间。蜂鸣器实物图如下图所示：

  对于无源蜂鸣器，如果改变频率就可以调节蜂鸣器音调，产生各种不同音色、音调的声音。如果改变输出电平的高低电平占空比，则可以改变蜂鸣器的声音大小。
  对于有源蜂鸣器，通常内部已经固定了频率，对于调节频率或占空比可能改变不了蜂鸣器的音调和音量，当然也有的有源蜂鸣器可以实现和无源蜂鸣器一样的效果。

二、硬件设计

  在前面章节中我们已经对 51 单片机的 GPIO 做了简单介绍，并且还使用了其中 IO 口直接控制开发板上的 LED。对于本章要实现蜂鸣器的控制，我们能否直接使用单片机的 IO 口驱动呢？答案是否定的，因为 51 单片机 IO 口的驱动能力较弱（即使外接上拉电阻），而蜂鸣器驱动需要约 30mA，所以非常困难，即使可以驱动，那对于整个芯片的其它 IO 剩下驱动能力就更加弱甚至无法工作。所以，我们不会直接使用 IO 口驱动蜂鸣器，而是通过三极管把电流放大后再驱动蜂鸣器，这样 51 单片机的 IO 口只需要提供不到 1mA 的电流就可控制蜂鸣器。所以我们也经常说到 51 单片机是用来做控制的，而不是驱动。
  我们开发板上的蜂鸣器模块电路如下图所示：

  从图中可以看出，蜂鸣器控制管脚直接连接到 51 单片机的 P2.5 管脚上。图中并没有使用三极管进行电流放大，而是使用 ULN2003 芯片来驱动，有关 ULN2003芯片只需知道当 P2.5 输出高电平，BEEP 则输出低电平；当 P2.5 输出低电平，BEEP 则输出高电平，类似一个非门。
  开发板上使用的是无源蜂鸣器，它需要一定频率的脉冲（高低电平）才会发声，因此需要让 P2.5 脚以一定频率不断输出高低电平信号才能控制蜂鸣器发出声音。

三、软件设计

  蜂鸣器实验所实现的功能是：让蜂鸣器发出声音，一段时间后再关闭，即让 P2.5管脚输出一定频率的脉冲信号（高低电平）控制无源蜂鸣器。
  我们直接复制前面创建好的工程模板，将复制过来的模板文件夹重新命名为“5-蜂鸣器实验”。打开工程直接在 main.c 源文件内进行编程，main.c 内代码如下：

/*
实验名称：蜂鸣器实验
接线说明：
实验现象：下载程序后蜂鸣器发出声音，一段时间后关闭
*/

#include "reg52.h"

//对系统默认数据类型进行重定义 
typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;

//将P2.5管脚定义为BEEP
sbit BEEP = P2^5;

/*
函 数 名 : delay_10us
函数功能 : 延时函数，ten_us=1 时，大约延时 10us
输 入 : ten_us
*/
void delay_10us(u16 ten_us)
{
	while (ten_us--);
}



void main()
{
	u16 i = 2000;	
	while (1)
	{  	
	 	while (i--)
		{
			//P2.5管脚有上拉电阻，默认输出为高电平
			BEEP = !BEEP; //产生一定频率的脉冲信号
			//假设脉冲信号频率为2Khz，那么周期为0.5ms
			delay_10us(50);
		}
		i = 0; //清零，否则会一直响不会停止
		BEEP = 0; //关闭蜂鸣器
	}
}

至此，整个程序就编写完成，我们编译一下，如下图所示:

可以看到没有错误，也没有警告。
  若要改变音调可以修改延时时间，但要注意频率不能太大或者太小。若要改变音量，可以修改 BEEP 输出高电平时间。比如：将循环中设置为：

BEEP=1;
delay_10us(190);
BEEP=0;
delay_10us(10);

四、实验现象

  使用 USB 线将开发板和电脑连接成功后（电脑能识别开发板上 CH340 串口），把编译后产生的.hex 文件烧入到芯片内，可以听到开发板上蜂鸣器发出美妙的声音，一段时间后关闭。