【PWM】无源蜂鸣器播放音乐

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CubeIDE代码请按照 例程使用方法🔗 导入例程，否则下载的可能不是例程而是其他工程。

前置知识

请参考视频教程 STM32】使用蜂鸣器播放美妙旋律~与文档【PWM】无源蜂鸣器

如何使用例程

下载程序，即可听到效果

程序效果

烧录例程后，按下 KEY1 会开始使用无源蜂鸣器播放《莫愁乡》的曲子，再次按下KEY1会暂停播放
可以尝试修改例程代码，播放其他曲子

例程讲解

下面介绍了该例程的主要代码

1、工程配置

开启外部晶振：在Pinout&Configuration -> System Core -> RCC 页面，将 High Speed Clock (HSE) 配置为 Crystal/Ceramic Resonator

配置时钟频率：在Clock Configuration 页面，将PLL Source 选择为 HSE，将System Clock Mux 选择为 PLLCLK，然后在HCLK (MHz) 输入72并回车，将HCLK频率配置为 72 MHz

分配引脚：在Pinout&Configuration页面，配置如下引脚
- 将PB9配置为TIM4_CH4，
- 将PB12设置为GPIO_Input，并分别设置User Label为KEY1
配置TIM4：在Pinout&Configuration -> Timers -> TIM4
- 勾选 Internal Clock，开启 TIM4 的内部时钟源
- Configuration -> Mode，将 Channel4 配置为 PWM Generation CH4
- Configuration -> Parameter Settings -> Counter Settings，将 Prescaler 配置为 72-1

2、代码

1. 定义不同每个音调的频率

这里定义了低音、中音和高音的各7中音符的频率，使用宏定义来表示每个音符的频率。主要，这里的低中高音频率是基于标准音高的，小伙伴们如果需要其他音高的音符，可以自行查询相应音高的频率后修改这些宏定义。

  /* USER CODE BEGIN Includes */
  #include "main.h"
  #include "stm32f1xx_hal.h"
```c
  /* USER CODE BEGIN PD */
  #define P0 	0	// 休止符频率

  #define L1 262  // 低音频率
  #define L2 294
  #define L3 330
  #define L4 349
  #define L5 392
  #define L6 440
  #define L7 494

  #define M1 523  // 中音频率
  #define M2 587
  #define M3 659
  #define M4 698
  #define M5 784
  #define M6 880
  #define M7 988

  #define H1 1047 // 高音频率
  #define H2 1175
  #define H3 1319
  #define H4 1397
  #define H5 1568
  #define H6 1760
  #define H7 1976

2. 定义结构体，存储歌曲中每个音符的频率与持续时间

  typedef struct
  {
      uint16_t frequency; // 音符频率
      float period; // 音符持续时间，单位为拍
  } Bate;

3. 定义歌曲的音符

定义一个Bate数组，存储一首歌的每个音符的持续时间。(最近我比较喜欢《莫愁乡》，所以这里以《莫愁乡》为例)

本文后面会介绍如何将其他歌曲转换为这种格式的音符数组

  const Bate MoChouXiang[] = {
    // 我被困在了
    {M6, 1}, {M5, 1}, {M3, 1}, {M5, 0.5f}, {M5, 0.5f},
    // 这片混沌 柳暗
    {M6, 0.5f}, {M5, 1}, {M5, 0.5f}, {M3, 0.5f}, {M3, 0.5f}, {M3, 0.5f}, {M3, 0.5f},
    // 花明 一村一村一村
    {M2, 0.5f}, {M3, 0.5f}, {M5, 0.5f}, {M3, 0.5f}, {M2, 0.5f}, {M3, 0.5f}, {M5, 0.5f}, {M3, 0.5f},
    // 一村又一村
    {M2, 0.5f}, {M3, 0.5f}, {M3, 0.5f}, {L7, 0.5f}, {M3, 1}, {M1, 1},
    // 不能理顺我
    {M2, 1}, {M3, 1}, {M2, 1}, {M3, 0.5f}, {M3, 0.5f},
    
    // ......
    
    // 娃儿抬头望
    {M3, 0.5f}, {M2, 0.5f}, {M2, 0.5f}, {M3, 0.5f}, {M3, 0.5f}, {M2, 1.5f},
    // 姥姥在天上
    {M1, 0.5f}, {M3, 0.5f}, {M2, 0.5f}, {M3, 0.5f}, {M2, 1}, {M1, 1},
  };  

4. 计算定时器计数频率

因为我们需要知道定时器的频率来计算PWM的频率，因而封装了一个函数来计算定时器的计数频率。

当然不优雅的方法是在程序里写死，因为我们知道用的定时器是TIM4，且Prescaler配置为72-1，那么定时器的计数频率就是72MHz / 72 = 1MHz

不理解程序里为何×2的小伙伴请复习【STM32】超清晰STM32时钟树动画讲解

  /**
  * 计算定时器计数频率
  */
  uint32_t TIM_GetCounterFreq(TIM_HandleTypeDef *htim) {
      uint32_t timer_clock;
      // 高级定时器是APB2
      if (htim->Instance == TIM1) {
          timer_clock = HAL_RCC_GetPCLK2Freq();
          // 如果APB分频不为1，定时器时钟会翻倍
          if (HAL_RCC_GetPCLK2Freq() != (HAL_RCC_GetHCLKFreq() / 1)) {
              timer_clock *= 2;
          }
      } else {
        // 其他定时器是APB1
          timer_clock = HAL_RCC_GetPCLK1Freq();
          // 如果APB分频不为1，定时器时钟会翻倍
          if (HAL_RCC_GetPCLK1Freq() != (HAL_RCC_GetHCLKFreq() / 1)) {
              timer_clock *= 2;
          }
      }

      uint32_t prescaler = htim->Instance->PSC;
      return timer_clock / (prescaler + 1);
  }

5.在while循环中检测按键并遍历数组播放其中的音符

  /* USER CODE BEGIN 2 */
  // 开始PWM输出
  HAL_TIM_PWM_Start(&htim4, TIM_CHANNEL_4);
  // TIM4的计数频率
  uint32_t timFrequency = TIM_GetCounterFreq(&htim4);
  // 播放状态
  uint8_t playState = 0;
  // 播放进度
  uint32_t playIndex = 0;
  // 节拍速度(每分钟多少拍)
  uint8_t bpm = 132;
  // 每拍的持续时间
  float noteDuration = 1000 * 60 / bpm;
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    // 按键检测，切换播放与暂停
    if (HAL_GPIO_ReadPin(KEY1_GPIO_Port, KEY1_Pin) == GPIO_PIN_RESET){
      HAL_Delay(10);
      if (HAL_GPIO_ReadPin(KEY1_GPIO_Port, KEY1_Pin) == GPIO_PIN_RESET){
        playState = !playState;
        while(HAL_GPIO_ReadPin(KEY1_GPIO_Port, KEY1_Pin) == GPIO_PIN_RESET);
      }
    }
    // 播放
    if (playState){
      const Bate bate = MoChouXiang[playIndex];
      if (bate.frequency == P0) {
        // 休止符
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim4, TIM_CHANNEL_4, 0);
      } else {
        // 将频率转换为计数值, 设置到自动重装载寄存器
        uint32_t arr = timFrequency / bate.frequency;
        __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim4,arr);
        // 设置占空比为20%
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim4, TIM_CHANNEL_4, arr / 5); // 20%占空比
        // 从0开始计数 重置PWM波形
        __HAL_TIM_SetCounter(&htim4, 0);
      }
      // 延时该音符的持续时间 (5ms的空白以区分连续两个相同的音符)
      HAL_Delay((uint32_t) (bate.period * noteDuration) - 5);
      __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim4, TIM_CHANNEL_4, 0);
      HAL_Delay(5);

      // 下一个音符
      playIndex++;
      // 播放结束
      if (playIndex >= sizeof(MoChouXiang)){
        playState = 0;
        playIndex = 0;
      }
    }else{
      __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim4, TIM_CHANNEL_4, 0);
    }

如何把其他歌曲转换为音符数组

首先需要从网上找到这首歌曲的简谱，例如莫愁乡的简谱如下：

1. 基本信息

在简谱中的 4/4 下面的4表示以四分音符为一个拍，上面的4表示每小节4拍。

然后bmp是指曲子的速度，单位是每分钟多少拍，这里的132就表示每分钟132拍。

我们的程序中就有bmp变量，可以通过修改这个变量来调整曲子的速度。

2. 高低中音

一半的数字我们都认为是中音，1 2 3使用M1 M2 M3宏定义的频率即可，如若数字下有·，则表示低音，我们使用L1 L2 L3宏定义的频率，若数字上有·，则表示高音，我们使用H1 H2 H3宏定义的频率。

3. 音符的持续时间

在简谱中，一个普通的，下面没有带横线的数字，就是一个四分音符，持续1拍的时间。

例如谱子刚上来的 6 5 3 就是3个四分音符，分别是6、5、3，每个音符持续1拍。所以转换到程序中就是：

    {M6, 1}, {M5, 1}, {M3, 1},

而如果数字下面有一根横线，就表示这个音符是一个八分音符，持续的时间便是四分音符的一半，也就是0.5拍。

例如第一句的后面的 5 5 就是两个八分音符，持续0.5拍，所以转换到程序中就是：

    {M5, 0.5f}, {M5, 0.5f},

而假若数字下面带有两个横线，就表示这个音符是一个十六分音符，持续的时间便是四分音符的四分之一，也就是0.25拍。同理，若数字下有三个横线，则表示三十二分音符，持续的时间便是四分音符的八分之一，也就是0.125拍。

例如简谱中“呼吸声”三个字对应的 1 3 5，其中1 3下有三个横线 5下有两个横线，转换到程序中就是：

    {M1, 0.125f}, {M3, 0.125f}, {M5, 0.25f},

假若数字后有•，则表示这个音符延长半拍，也就是四分音符的1.5倍时间。例如“不能理顺我自己的疑问”中的“疑”对应的音符5•，转换到程序中就是：

    {M5, 1.5f},

而若数字后有横杠-，则表示音频延长一拍，也就是四分音符的2倍时间。而且延音符号可以叠加，例如数字后面若有--•，则表示延长2.5拍。

4. 耐心

按照以上规则，就可以将简谱转换为程序中的音符数组了~ 扒谱是一个比较繁琐的工作，小伙伴要有耐心和细心哦~

前置知识​

如何使用例程​

程序效果​

例程讲解​

1、工程配置​

2、代码​

如何把其他歌曲转换为音符数组​

1. 基本信息​

2. 高低中音​

3. 音符的持续时间​

4. 耐心​