Урок 19. Зуммер: сигналы и мелодии

До сих пор плата разговаривала с нами только светом. Сегодня у неё появится голос. Деталь для этого крошечная — чёрная таблетка размером с монетку, — а возможностей она даёт неожиданно много: сигналы, сирены, мелодии и даже музыкальные инструменты.

Заодно мы разберём, что такое звук с точки зрения платы. Оказывается, ничего таинственного: всё сводится к одному числу.

Что такое зуммер

Внутри зуммера — кольцевой магнит, катушка и тонкая металлическая мембрана. Когда через катушку идёт ток, она притягивает мембрану; ток пропал — мембрана отскочила назад. Если включать и выключать ток много раз в секунду, мембрана начинает дрожать и толкать воздух. Эти толчки и есть звук.

Главное число здесь — частота: сколько раз в секунду мембрана качнулась туда-обратно. Считают её в герцах (Гц). Чем больше герц, тем выше звук.

У зуммера есть полярность

Собираем схему

Сегодня на макетке будет сразу три детали: зуммер, крутилка из четырнадцатого урока и кнопка. Так мы сможем не только пищать, но и управлять звуком.

Шаг 1. Первый сигнал

Программа получилась короче некуда — и в ней сразу две новые команды.

const int BUZZER = 12;  // зуммер подключён к выводу 12

void setup() {
  // Зуммеру, как и светодиоду, нужен режим «выход».
  pinMode(BUZZER, OUTPUT);
}

void loop() {
  tone(BUZZER, 1000);  // подаём сигнал частотой 1000 Гц
  delay(300);          // держим треть секунды
  noTone(BUZZER);      // выключаем звук
  delay(1000);         // и целую секунду молчим
}

tone(вывод, частота) — «подай на этот вывод сигнал такой частоты». Плата начинает щёлкать выводом сама, в фоне, а программа спокойно идёт дальше. Именно поэтому сразу за tone идёт delay: он просто отмеряет, сколько времени звуку звучать.

noTone(вывод) — «замолчи». Без неё зуммер будет пищать бесконечно: командаtone запускает звук и не выключает его сама.

Шаг 2. Два тона подряд

Одна частота — один звук. Поставим два подряд и получим знакомый дверной сигнал.

const int BUZZER = 12;

void setup() {
  pinMode(BUZZER, OUTPUT);
}

void loop() {
  tone(BUZZER, 988);  // «динь» — это нота си
  delay(250);
  tone(BUZZER, 784);  // «дон» — нота соль, она ниже
  delay(400);
  noTone(BUZZER);
  delay(2000);
}

Обратите внимание: между двумя tone нет noTone. Новая команда просто заменяет частоту у уже звучащего сигнала — получается переход от одной ноты к другой без паузы.

Шаг 3. Ноты и гамма

Нота — это тоже просто частота, за которой закрепили название. Ноте «ля» первой октавы соответствуют 440 герц — по ней настраивают все инструменты в мире. Соберём восемь нот в массив и сыграем гамму.

const int BUZZER = 12;

// Частоты нот первой октавы в герцах:
// до   ре   ми   фа   соль ля   си   до
const int NOTES[8] = {262, 294, 330, 349, 392, 440, 494, 523};

void setup() {
  pinMode(BUZZER, OUTPUT);
}

void loop() {
  for (int i = 0; i < 8; i++) {
    tone(BUZZER, NOTES[i]);
    delay(300);
  }
  noTone(BUZZER);
  delay(1000);
}

Массив мы уже собирали в шестом уроке для светодиодов — здесь он ровно такой же, только вместо номеров выводов лежат частоты. Цикл for проходит по нему от начала до конца.

Шаг 4. Сирена

А если менять частоту не восемью ступеньками, а сотней маленьких шажков? Получится сирена.

const int BUZZER = 12;

void setup() {
  pinMode(BUZZER, OUTPUT);
}

void loop() {
  // Вверх: частота растёт от 400 до 1200 герц маленькими шагами.
  for (int f = 400; f <= 1200; f = f + 10) {
    tone(BUZZER, f);
    delay(5);
  }
  // И тем же путём вниз.
  for (int f = 1200; f >= 400; f = f - 10) {
    tone(BUZZER, f);
    delay(5);
  }
}

Здесь for считает не элементы массива, а саму частоту: от 400 до 1200 с шагом 10. Восемьдесят шажков по 5 миллисекунд — и звук плавно уезжает вверх за полсекунды. Попробуйте поменять шаг с 10 на 40: сирена станет «ступенчатой», и вы услышите, из чего она собрана.

Шаг 5. Крутилка задаёт высоту

Соединим звук с тем, что уже умеем: пусть частотой управляет ручка потенциометра.

const int BUZZER = 12;
const int POT = A0;

void setup() {
  pinMode(BUZZER, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int raw = analogRead(POT);              // 0…1023 с крутилки
  int freq = map(raw, 0, 1023, 100, 2000);  // переводим в герцы

  tone(BUZZER, freq);

  Serial.print("крутилка: ");
  Serial.print(raw);
  Serial.print("   частота: ");
  Serial.print(freq);
  Serial.println(" Гц");

  delay(50);
}

Всё уже знакомо: analogRead даёт число от 0 до 1023, map растягивает его в диапазон частот, tone отправляет результат зуммеру. Откройте монитор порта — и вы увидите, как одно число превращается в другое.

Шаг 6. Мелодия

У настоящей мелодии есть не только ноты, но и длительности: одна нота короткая, другая тянется. Значит, нужны два массива — и они работают в паре.

const int BUZZER = 12;

// Частоты нот…
const int MELODY[9] = {392, 392, 392, 311, 466, 392, 311, 466, 392};
// …и сколько миллисекунд звучит каждая.
const int DURATION[9] = {350, 350, 350, 250, 100, 350, 250, 100, 700};

void setup() {
  pinMode(BUZZER, OUTPUT);
}

void loop() {
  for (int i = 0; i < 9; i++) {
    tone(BUZZER, MELODY[i]);
    delay(DURATION[i]);

    noTone(BUZZER);          // крошечная тишина между нотами,
    delay(DURATION[i] / 5);  // иначе они сливаются в одну
  }

  delay(2000);  // пауза перед повтором
}

Секрет в двух последних строках цикла. Если играть ноты вплотную, три одинаковые ноты подряд сольются в одну длинную — ухо не услышит границы. Поэтому после каждой ноты мы делаем крошечную тишину: noTone и пауза примерно в пятую часть длительности. Это и есть разница между «пищит» и «играет».

Шаг 7. Свои сигналы

В настоящих приборах зуммер чаще всего не играет музыку, а подтверждает действия: пикнул — принято, пикнул дважды — ошибка. Сделаем такую же вещь и у нас.

const int BUZZER = 12;
const int BUTTON = 2;

// Наш собственный сигнал: сколько раз пискнуть и на какой высоте.
void beep(int times, int freq) {
  for (int i = 0; i < times; i++) {
    tone(BUZZER, freq, 80);  // третье число — сколько миллисекунд звучать
    delay(160);              // 80 мс звук + 80 мс тишина
  }
}

void setup() {
  pinMode(BUZZER, OUTPUT);
  pinMode(BUTTON, INPUT_PULLUP);
  beep(2, 1200);  // «я включилась и готова»
}

void loop() {
  if (digitalRead(BUTTON) == LOW) {
    beep(1, 880);  // «принято»
    delay(300);
  }
}

Здесь появился третий вид команды: tone(вывод, частота, длительность). Третье число говорит, сколько миллисекунд звучать, и noTone уже не нужен — плата выключит звук сама.

А наша функция beep из седьмого урока превращает всё это в один понятный приказ: beep(2, 1200) — «пикни дважды высоким». Дальше по курсу мы будем вставлять такие сигналы в устройства, не задумываясь об их устройстве.

Важно: звук занимает таймер

И ещё одно ограничение: одновременно звучит только одна нота. Аккорд плата сыграть не сможет — tone работает с одним выводом за раз.

Не работает? Разбираемся

• Полная тишина. Проверьте вывод: в программе 12 — и провод должен идти именно в него. Затем полярность: «плюс» зуммера к плате, вторая ножка на землю.
• Зуммер пищит один раз и замолкает навсегда. Скорее всего, где-то потерялся noTone или программа застряла в delay. Перезалейте скетч первого шага — он самый простой.
• Звук есть, но высота не меняется. Возможно, вам попался активный зуммер — со встроенным генератором. Такой умеет только один тон, какую частоту ему ни задавай. В наборе идёт обычный, но проверить просто: залейте гамму из третьего шага — если все восемь нот звучат одинаково, зуммер активный.
• Звук тихий и хриплый. Зуммер перевёрнут. Выньте его, найдите знак «+» и вставьте заново.
• Мелодия звучит как один сплошной вой. Пропущена тишина между нотами — посмотрите две последние строки цикла в шестом шаге.

Задания для тренировки

• РазминкаСделайте «обратный отсчёт»: три низких сигнала с паузой в секунду, а затем один длинный высокий — как на старте соревнований.
• ПосложнееСоедините сирену со светодиодом: пусть на высоких частотах он горит ярко, а на низких тускло. Подсказка: analogWrite и map — но светодиод возьмите не на выводе 3 или 11.
• Со звёздочкой ⭐Сделайте тревогу, которую включает и выключает кнопка. Пока она воет, программа должна оставаться живой — без длинных delay. Разбор ниже.

const int BUZZER = 12;
const int BUTTON = 2;
const int LED = LED_BUILTIN;  // встроенный светодиод платы, ничего паять не надо

bool alarm = false;       // тревога включена?
bool wasPressed = false;  // кнопка была нажата на прошлом проходе?
bool soundHigh = false;   // сейчас звучит высокий тон?
unsigned long lastChange = 0;

void setup() {
  pinMode(BUZZER, OUTPUT);
  pinMode(LED, OUTPUT);
  pinMode(BUTTON, INPUT_PULLUP);
}

void loop() {
  bool pressed = (digitalRead(BUTTON) == LOW);

  // Ловим момент нажатия, а не удержание.
  if (pressed && !wasPressed) {
    alarm = !alarm;  // восклицательный знак означает «наоборот»
    if (!alarm) {
      noTone(BUZZER);
      digitalWrite(LED, LOW);
    }
    delay(30);  // антидребезг
  }
  wasPressed = pressed;

  // Тревога переключает тон каждые 400 мс — и при этом не мешает
  // программе делать что-то ещё: никаких длинных delay.
  if (alarm && millis() - lastChange > 400) {
    lastChange = millis();
    soundHigh = !soundHigh;

    if (soundHigh) {
      tone(BUZZER, 1400);
      digitalWrite(LED, HIGH);
    } else {
      tone(BUZZER, 900);
      digitalWrite(LED, LOW);
    }
  }
}

Что мы узнали

• Звук для платы — это частота, число колебаний в секунду. Больше герц — выше звук.
• tone(вывод, частота) запускает звук в фоне, noTone(вывод) выключает, а третье число в tone задаёт длительность.
• Нота — это просто частота с именем. Мелодия — два массива: ноты и длительности, которые читаются одним и тем же номером.
• Между нотами нужна крошечная тишина, иначе одинаковые ноты сливаются.
• У зуммера есть полярность: «плюс» на корпусе идёт к выводу платы.
• Пока идёт звук, плавная яркость не работает на выводах 3 и 11.

В следующем уроке зуммер получит клавиши — точнее, пять фоторезисторов, которые будут играть от тени вашей ладони.

Частые вопросы

← Все уроки курса