第 9 章
蜂鳴器
9-1 功能簡介
本次實驗主要介紹發聲元件－蜂鳴器，希望透過 Arduino 開發環 境的 Serial Monitor ，輸入不同的音階代碼，讓蜂鳴器發出所 指定的單一音階聲音，或是連續的音階聲音；本實驗系統方塊圖如 圖 9-1 所示。
9-2 電路說明
喇叭（ Speaker ）與蜂鳴器（ Buzzer ）是一種將電氣信號轉換 為聲音的轉換裝置，是電子產品中常用的發聲元件，例如音響喇叭
、主機板上的蜂鳴器等。喇叭的基本動作原理，主要是利用電流通 過線圈時的磁極物理作用，作反磁或相吸運動讓音盆進行往復運動
，當音盆振動空氣時，即會以空氣為媒介傳遞至人類耳膜而感受到 聲音，其中通過線圈的電流大小決定聲音的大小、往復運動的快慢
（次 / 秒； Hz ）決定聲調的高低，振動聲波持續的時間決定聲 音的音長。
蜂鳴器與喇叭的發聲原理很像，但使用不同的材質；蜂鳴器分為電 磁式及壓電式二大類，在耗電流、尺寸、頻率、驅動方式上有些不 同，本實驗使用電磁式蜂鳴器，所使用的工作電壓為 3V ～
7.5V ，其原理是通電時將金屬振動膜吸下，不通電時依振動膜的 彈力彈回的電磁原理，耗電量較壓電式大，但使用較低的電壓即可 工作。
9-2 電路說明
蜂鳴器只要給定頻率即能發出聲音， 例如要發出低音 La 的聲音
（ 440Hz ，週期 2.27ms ），只要送半週期高準位、半週期低準 位，並持續輸出方波給蜂鳴器即可發聲，如圖 9‑2 所示。
9-2 電路說明
但要如何計算其它音階的頻率呢？首先以低音 A （ La ）頻率
440Hz 為基準，然後每隔半度音之頻率是前一個音的 12 2 ≒ 1.059463 倍為原則來計算即可，表 9-1 為音階與頻率表；其 中需注意的是 Mi 到 Fa 、 Si 到 Do 為半度音， 其餘皆為一個 全音， 例如 La 到 Si 為一個全音， 因此 Si 的頻率為
440×1.059×1.059 ≒ 494Hz ， Si 到 Do 為半音， 因此 Do 的頻率為 494×1.059 ≒ 523Hz ，比對圖 9-3 鋼琴上所示的鍵 盤便可清晰了解。
9-2 電路說明
9-2 電路說明
9-2 電路說明
圖 9‑4 為本實習 的電路圖，只要將 蜂鳴器的正端接至 Arduino 的 D10
，負端接地即可進 行實驗。
9-2 電路說明
9-2 電路說明
本實驗使用的蜂鳴器工作電壓為 3V ～ 7.5V ， 以 Arduino 輸出的電壓 5V ，可順利推動蜂鳴器。如果選用的蜂鳴器（或喇 叭）驅動電壓或電流過大時，請務必在蜂鳴器前接上電晶體或達靈 頓電路，才能順利推動蜂鳴器。另請注意蜂鳴器接腳上的正負端，
有註明十字符號者為正端與 D10 相接，另一端則接地，如果蜂鳴 器未標示正負，則接腳較長端為正端。
9-2 電路說明
1. Arduino Leonardo + 麵包板的接線圖
如圖 9-6 所示，本電路使用 USB 提供的 5V ，不需外加電源。
9-2 電路說明
2. 圖 9-7 為 Leonardo 板（或 OZONE ） +Arminno 多功 能實驗板接線情況，為簡化顯示，圖 9-7 只畫出多功能實驗板 的區塊 5 及區塊 15 。
9-3 程式設計
本實驗的程式主要是處理字串，依據 Serial Monitor 中所傳 送的文字列進行逐字判斷，其中文字列的 1 ～ 7 代表要讓蜂鳴器發 出第 4 八度音的 Do ～ Si ，字母 C 、 D 、 E 、 F 、 G 、 A 、 B 代表要發出第 5 八度音的 Do ～ Si ，每個單字音的音長固定為 200ms ，所有單字發聲完畢後停止發聲，回至等待使用者輸入的狀 態，整個程序如圖 9-8 所示。
9-3 程式設計
9-3 程式設計
本程式分為二個檔案，以下分別介紹。
1.音調標頭檔（程式 \ 第 9 章 \chap9_1 \pitches.h ）音調 標頭檔中定義了 8 個八度音所有音調的音名及頻率，例如
NOTE_C4 代表第 4 八度音的 C （ Do ），頻率為 262Hz ，方便 在主程式中引用；由於 pitches.h 內容很多，下列僅列出第 4 及第 5 八度音的定義。
9-3 程式設計
9-3 程式設計
9-3 程式設計
本程式分為二個檔案，以下分別介紹。
2.主程式（檔名：程式 \ 第 9 章 \chap9_1 \chap9_1.in o ）
9-3 程式設計
9-3 程式設計
1. #define ：定義宣告
#define 是一個很有用的指令，它允許程式在編譯前，賦予 一個名稱對應一個恆定值或計算式的功能，此命令與常數宣告 指令 const 功能很像，適合定義一些在執行期間數值不會變 動的常數；不同於 const 指令的是 #define 為定義，不需 指定資料型態，使用上彈性較大。
2. 標頭檔 pitches.h
標頭檔 pitches.h 可在書籍光碟→程式→第 9
章 \chap9_1 \ 中找到，可在開啟的 Arduino IDE 中，
點選 Sketch → Add File ，將此檔案加入即可，加入後可 看到 Arduino IDE 中增加一個檔案頁籤。）
9-3 程式設計
9-3 程式設計
3. #include ：引入標頭檔
一個專案的常數或定義通常都很多，而且是主程式、副程式共 同使用，因此可將這些常數或定義儲存在一個標頭檔中（副屬 檔名為 .h ），方便主副程式使用。當標頭檔建立完成，要引 入使用，只要在 Arduino IDE 中點選 Sketch → Add File 加入標頭檔，然後在主程式中，利用 #include 指令即可引用
。
9-3 程式設計
4. tone(pin, frequency, duration) ：音調產生指令 此指令可在指定的 pin 腳輸出一個工作週期 50% ， 頻率為 frequencyHz 的方波，持續輸出 duration （單位 ms ）後 關閉（ tone 指令的音調產生為背景動作，執行 tone 指令 後主控權會立即交回主程式，並非等待 duration 後才交 回）；參數 duration 若省略，代表會持續發聲，直到執行 noTone(pin) 指令時關閉。
9-3 程式設計
1. 字元資料型態的運算：程式中宣告了 chr 及 index 為字元 資料型態， chr 變數儲存從串列埠緩衝區讀取下一個有效的單 一字元資料，在運算上，可利用 ASCII 的特性進行加減運算
，判斷 chr 是否為 '1' ～ '7' 間的字元，或是 'A' ～ 'G' 間的字元。例如 chr='0' ， 其 ASCII 為 48 ， '1' 的 ASCII 為 49 ， '7' 的 ASCII 為 55 ，代入底下的判斷 式可知 (chr-'1')>=0 與 (chr-'7')<=0 均不成立，因此 可知 chr='0' 未介於 '1' ～ '7' 間。
9-3 程式設計
2. 行號 22 、 26 的 tone 發聲長度為 200ms ，理論上行號 31 的 delay 應也是 200ms ，但經由實驗測試，若同樣為
200ms ，各音調間連在一起並不好聽，多 30% 的 delay ，可 讓各音調間有些斷音，聽起來比較正常。
9-4 實驗成果
一切準備就緒後，即可開始進行編譯程式，以及下載、燒錄、測試 的工作；燒錄成功後，請點選 Tools → Serial Monitor ，並 開始底下的測試：
1.單音測試：在 Serial Monitor 輸入 1 ， 按 Enter 鍵或按 Send ，
應可聽到單音的 Do ， 且在 Serial Monitor
上顯示 Tone 1 ，接著可試試 輸入 2 ，按 Enter 或 Send ， 可聽到 Re ，如右圖所示。
9-4 實驗成果
2. 連續音調測試：在 Serial Monitor 輸入 CDEFGAB ，然後 按 Enter ，聽聽程式是否會依續發出第 5 八度音的 Do ～ Si ；由於 Serial Monitor 具有串列緩衝區，因此不管在 Serial Monitor 中輸入多少字元，程式皆會逐一讀入字元
，並逐一處理及發聲。
3. 輸入音調以外的字元測試：在 Serial Monitor 輸入 533x422x1234555 ，然後按 Enter ，聽聽程式中指定字 元 '1' ～ '7' ， 'A' ～ 'G' 外的字元是如何處理的，
其實由程式即可看得很清楚，指定字元外的字元是不發聲，但 延遲一樣時間，故變成靜音。試一下下列兩個字串，可以聽出 是什麼歌嗎？
(1) 533x422x1234555x533x422x13551 (2)
11135555666C5x4446333322225x511135555666C5x444 6333322231
9-5 延伸應用與練習
9-5.1 音樂盒
延伸本章蜂鳴器的發聲練習，思考一下，加上音長控制後，如何做 出一個完整的音樂播放程式呢？請修改 chap9_1.ino 的程式，
完成開機後自動播放「新不了情」歌曲的實驗，製作方式及說明如 下，可依自己的喜好，搜尋欲編碼的曲目來練習。
9-5 延伸應用與練習
1. 音樂盒的音樂資料編碼有二個資訊很重要，一是音高表（每個 樂音的頻率值），二是歌譜表（含每個音的音高及音長），本 實驗以歌曲「新不了情」的一小段為例，說明如何進行歌譜資 料的編碼。
2. 首先制訂音高表，可根據歌譜中涵蓋的最高及最低音，整理成 程式中的音高陣列，例如「新不了情」只需第 4 、第 5 兩個 八度音即可完成，故本程式的音高陣列 pitch[] 可宣告如下
，第一筆資料放 0 只是為了方便歌譜的編碼，使 pitch[1]
代表中音的 Do ， itch[1+7] 代表高音的 Do 。
9-5 延伸應用與練習
3. 接著制訂程式的歌譜表編碼格式，歌譜表陣列格式設計為 { 第 1 個音的音高 , 第 1 個音的音長 , 第 2 個音的音高 , 第 2 個音的音長… , 第 n 個音的音高 , 第 n 個音的音
長 , -1} ，若有 n 個音，則會有 2×n+1 筆資料，最後一筆 的 -1 是歌譜的結束代碼。
4. 音長部分為了方便編碼，以 1 拍為基本單位，可以使用小數 點，因此若音長資料為 0.25 ，代表的是 0.25 拍（四分之一 拍），若是三連音，則每個音為 0.33 拍。
5. 圖 9-10 為「新不了情」的一小段簡譜，此音樂一小節有 4 拍，首先必須會算拍子，以「回憶過去」的四個音為例，其拍 子依序為「 1 拍、 1.5 拍、 0.5 拍、 1 拍」，故此四個 音的音長編碼應為「 1 、 1.5 、 0.5 、 1 」，實際編碼到歌 譜陣列內容應為 {5,1, 3+7,1.5, 6,0.5, 6,1} ，其中 +7 代表升高一個八度音，故 3+7 為高音的 Mi 。
9-5 延伸應用與練習
6. 歌譜中「痛苦的」為 3 連音占一拍，因此皆為 1/3 拍，實際 編碼到歌曲陣列內容應為 {6,0.33, 7, 0.33, 1+7,0.33}
。
7. 歌譜中 0 為休止符（蜂鳴器不發聲），故程式中需有休止符 的處理。
8. 以「回憶過去痛苦的相思忘不了為何你還來撥動我心跳。愛你 怎麼能了，今夜的你應該明了」為例，編碼的結果如下，最後 一筆資料 -1 為此首歌的結束代碼。 song 陣列中的每一行 代表一小節的歌譜，方便萬一唱錯音時，可與歌譜比對除錯。
9-5 延伸應用與練習
6. 歌譜中「痛苦的」為 3 連音占一拍，因此皆為 1/3 拍，實際 編碼到歌曲陣列內容應為 {6,0.33, 7, 0.33, 1+7,0.33}
。
7. 歌譜中 0 為休止符（蜂鳴器不發聲），故程式中需有休止符 的處理。
8. 以「回憶過去痛苦的相思忘不了為何你還來撥動我心跳。愛你 怎麼能了，今夜的你應該明了」為例，編碼的結果如下，最後 一筆資料 -1 為此首歌的結束代碼。 song 陣列中的每一行 代表一小節的歌譜，方便萬一唱錯音時，可與歌譜比對除錯。
9-5 延伸應用與練習
9-5 延伸應用與練習
9-5 延伸應用與練習
9-5 延伸應用與練習
9-5 延伸應用與練習
音樂盒程式中最精髓的部分是音高表 pitch 的設定與歌譜表
song 的編碼，完成後，只要在迴圈程式 loop() 中使用 index 指標，依序讀出音高值存入 song_tone ，讀出音長值並計算發音 時間後存入 SoungLeng 變數，然後進行二種音高值的條件判斷 即可，分別是結束識別碼、休止符，其餘皆為正常要發音的音調。
為了讓各音調間有些斷音，實際延遲的時間比發聲時間多了 30% 。
9-5 延伸應用與練習
一切準備就緒後，接著就可開始進行編譯程式，以及下載燒錄、測 試的工作。燒錄完成後應可正常聽到「新不了情」這首歌的片段，
若有不正確的音高或音長，可針對歌譜表 song 部分進行修改。
9-5 延伸應用與練習
9-5.2 摩斯電碼
1.摩斯電碼（ morse code ）是一種時通時斷的數位訊號代碼，
分為短音（滴）與長音（答）二種，透過不同的滴答滴答排列可用 來表達不同的字母、數字或標點符號，在早期通訊及無線電界用的 很多，此種滴答滴答聲音對喜愛看電影或電視劇的人來說應該不陌 生。
2.請使用本章的蜂鳴器電路，完成一個可透過 Serial Monitor 控制，發出指定摩斯電碼的控制，其特性要求如下：
(1)摩斯電碼有短音（滴）與長音（答）兩種狀態，假設短音 的頻率為 440Hz ，音長為 0.1 秒，而長音是三個短音的
長度。
(2) 同一個字元中，短音與長音的間隔為 1 個短音的長度，
字
元與字元間的間隔為 3 個短音的長度。
3.試完成在 Serial Monitor 中傳送不同字元，蜂鳴器可對應 發出如表 9‑4 所示的信號。收到 A ～ Z 以外的字元或未收到 任何字元時，蜂鳴器不發聲。圖 9‑11 為傳送一個字組 ABC 的 示意圖。
9-5 延伸應用與練習
3. 試完成在 Serial Monitor 中傳送不同字元，蜂鳴器可對應 發出如表 9‑4 所示的信號。收到 A ～ Z 以外的字元或未 收到任何字元時，蜂鳴器不發聲。圖 9‑11 為傳送一個字組 ABC 的示意圖。
9-5 延伸應用與練習
觀察表 9‑4 的字元與摩斯電碼對照表可發現，每個字元的電碼 長度不同，因此本小節的程式應用，主要在解決不同長度編碼、讀 值，以及最後發聲的問題。
1. 編 碼
1) 為了方便程式處理，首先宣告摩斯電碼的字元陣列，其 中 "0" 代表滴， "1" 代表答，故字元 A 可宣告
為 "01" ，字元 B 可宣告為 "1000" ，以此類推。
2) 由於 A ～ Z 的字元陣列長度不一， 故需宣告一個字元 指標陣列 *morse ，將這 26 個字的字元陣列組合起來，
讓程式可以很方便的指到 "01" 的開頭，或是 "1000"
的開頭，宣告的內容如下。（有關指標的基本指令說明參閱 第 3-2.8 節）
9-5 延伸應用與練習
9-5 延伸應用與練習
2. 讀 值
1)宣告一個如下所示的字元指標變數 *ptr 。
2)若 ptr=morse[0] ，代表指標 ptr 指到 "01" 的開頭，此時
*ptr 可讀到 "0" 的字元， *(ptr+1) 可讀到 "1" 的字元，
*(ptr+2) 可讀到字元陣列結尾 \0 的字元。
3)同理，若 ptr=morse[5] ，代表指標 ptr 指到 "0010" 的開 頭，此時 *ptr 可讀到 "0" 的字元， *(ptr+4) 可讀到字元陣 列結尾 \0 的字元。
4)透過此種指標讀取的方式，可藉由判斷是否讀取到字元陣列結 尾 \0 知道該字元的摩斯電碼是否結束。
9-5 延伸應用與練習
3. 發聲控制
1) 藉由讀值程序中所讀到的 "0" 或 "1" 字元，決定發聲的 長度， "0" 為 0.1s ，頻率 440Hz 的聲音， "1" 為 0.3s ，頻率 440Hz 的聲音。
2) 短音與長音間需有 0.1s 的延遲（不發聲）。
3) 字元間的間隔為 0.3s 的延遲（不發聲）。
9-5 延伸應用與練習
9-5 延伸應用與練習
9-5 延伸應用與練習
9-5 延伸應用與練習
9-5 延伸應用與練習
接著，請編譯並下載程式至 Arduino Leonardo 控制板，並點 選 Tools→ Serial Monitor ，依以下流程測試結果是否正常。
1.請輸入單一字元，對應表 9‑4 的字元與摩斯電碼對照表，測 試結果是否正確，例如輸入 S ，然後按 Enter 或 ，蜂鳴 器應會發出滴滴滴的聲音。接著可測試其它的單一字元。
2.輸入連續字元，測試結果是否正確，例如輸入 ABC ，應可聽到圖 9‑11 的結果。
3.無線電摩斯電碼的對話中，常以縮寫來表示如下，可測試一下喔
！可在網路上找到更多（ http://zh.wikipedia.org/wiki/
摩斯電碼）相關內容。
(1) ABT 代表大約（ about ）。
(2) AGN 代表再一次（ again ）。
(3) CY 代表抄收（ copy ）。
(4) SOS 代表求救訊號。
