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，讓蜂鳴器發出我們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。
一、 相關知識
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。
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），我們只要送半週期高準位、半週期低準位，並持續輸出的方波給蜂鳴器即可發聲，如圖 9‑2所示。
圖 9‑2 低音La（440Hz）的聲音頻率示意圖
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
≒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，黑鍵為半度音。
【註】每個八度音共有12個半音，故每個半音的差值倍率為。
圖 9‑3 鋼琴鍵盤示意圖（Mi到Fa、Si到Do為半度音，餘為一個全音）
表 9‑2 第4個八度音域的音階頻率計算表
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C 261.63×1.059 = 277.18 = C#
C# 277.18×1.059 = 293.66 = D
D 293.66×1.059 = 311.12 = D#
D# 311.13×1.059 = 329.62 = E
E 329.63×1.059 = 349.23 = F
F 349.23×1.059 = 369.99 = F#
F# 369.99×1.059 = 391.99 = G
G 392.00×1.059 = 415.30 = G#
G# 415.30×1.059 = 440.00 = A
A 440.00×1.059 = 466.16 = A#
A# 466.16×1.059 = 493.88 = B
B 493.88×1.059 = 523.25 = C
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二、 電路圖
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。
三、 材料清單
表 9‑2 零件清單與規格表
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零件名稱
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規格型號
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數量
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備註
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微電腦控制板
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Arduino Leonardo（UNO或OZONE）
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1
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蜂鳴器
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3-7V電磁式蜂鳴器MB12A05
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1
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Arminno多功能實驗板已配接
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按鈕開關
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Tack switch（Push Button）
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1
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四、 注意事項
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。另外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。
圖 9‑5 蜂鳴器正視圖與底視圖
五、 實體接線圖（MEB實驗板）：
本章實驗主要學習蜂鳴器的發聲控制，以及在Serial Monitor偵錯視窗中，如何逐字讀入資料並發聲的控制。
一、 流程圖
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，整個程序如下圖所示。
圖 9‑8 程式流程圖
二、 程式碼
本程式分為二個檔案，底下分別介紹。
(一)
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，底下僅列出第4及第5八度音的定義。
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/*************************************************
* Public Constants
*************************************************/
省略
#define NOTE_C4 262 // Do 第4八度音
#define NOTE_CS4 277 // Do#
#define NOTE_D4 294 // Re
#define NOTE_DS4 311 // Re#
#define NOTE_E4 330 // Mi
#define NOTE_F4 349 // Fa
#define NOTE_FS4 370 // Fa#
#define NOTE_G4 392 // So
#define NOTE_GS4 415 // So#
#define NOTE_A4 440 // La
#define NOTE_AS4 466 // La#
#define NOTE_B4 494 // Si
#define NOTE_C5 523 // Do 第5八度音
#define NOTE_CS5 554 // Do#
#define NOTE_D5 587 // Re
#define NOTE_DS5 622 // Re#
#define NOTE_E5 659 // Mi
#define NOTE_F5 698 // Fa
#define NOTE_FS5 740 // Fa#
#define NOTE_G5 784 // So
#define NOTE_GS5 831 // So#
#define NOTE_A5 880 // La
#define NOTE_AS5 932 // La#
#define NOTE_B5 988 // Si
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(二)
主程式（檔名：程式\第9章\chap9_1 \chap9_1.inb）
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/* Beep + Serial Monitor 的發聲控制 */
#include
"pitches.h" // 引入音調的標頭檔 (包含8個八度音)
const byte
Buzzer = 10; //
蜂鳴器的接腳 D10
char chr,
index;
// 宣告一個字元 1~7 對應到第4八度音
Do~Si 的音調陣列
int notes4[] =
{ NOTE_C4,NOTE_D4,NOTE_E4,NOTE_F4,NOTE_G4,NOTE_A4,NOTE_B4 };
// 宣告字元 A~G 對應到第5八度音La,Si,Do,Re,Mi,Fa,So的音調陣列
int notes5[] =
{ NOTE_A5,NOTE_B5,NOTE_C5,NOTE_D5,NOTE_E5,NOTE_F5,NOTE_G5 };
void setup() {
pinMode(Buzzer,OUTPUT);
}
void loop() {
// 判斷串列埠緩衝區有無資料
if (Serial.available()) {
chr=Serial.read(); // 從串列埠緩衝區讀取下一個有效的字元資料
if ((chr-'1')>=0 &&
(chr-'7')<=0) { // 判斷讀入的字元是否介於'1'～'7'
index=chr-'1'; // 取得音調陣列中的索引值
tone(Buzzer, notes4[index], 200); // 發出指定音調, 維持200ms
}
else if ((chr-'A')>=0 &&
(chr-'G')<=0) { // 判斷讀入的字元是否介於'A'～'G'
index=chr-'A'; // 取得音調陣列中的索引值
tone(Buzzer, notes5[index], 200); // 發出指定音調, 維持200ms
}
Serial.print("Tone "); // 在
Serial Monitor 中顯示訊息
Serial.println(chr); //
delay(200*1.3); // 延遲
200*1.3 ms
}
}
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三、 指令介紹
(一)
#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。
(二)
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。
圖 9‑9 標頭檔pitches.h的檔案頁籤
(三)
#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。
#include
"pitches.h" // 引入位於同一專案資料夾下的檔案pitches.h
#include // 引入位於libraries資料夾下的Servo函式庫
(四)
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frequency Hz的方波，持續輸出duration（單位ms）後自動關閉（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）；其中參數duration可省略，代表會持續發聲，直到執行noTone(pin)指令時關閉。
四、 程式說明
(一)
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，我們可利用ASCII的特性進行加減運算，即可判斷chr是否為'1'～'7'間的字元，或是'A'～'G'間的字元，其中'?'代表某字元的ASCII碼。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不成立，因此可知chr='0'未介於'1'～'7'間。
if ((chr-'1')>=0
&& (chr-'7')<=0)
(二)
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。
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，如下圖所示。
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，因此不管我們在Serial Monitor中輸入多少字元，程式皆會逐一讀入字元，並逐一處理並發聲。
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。試一下底下這二個字串，你可以聽出是什麼歌嗎？雖然沒進行音長控制，但還是可聽出個大概。
(1) 533x422x1234555x533x422x13551
(2) 11135555666C5x4446333322225x511135555666C5x4446333322231
→輸入「cmd」→在搜尋到的「命令提示字元」上按右鍵點選「以系統管理員身份執行」。
