Пьезогенераторы в схемах на микроконтроллере. Пьезогенераторы в схемах на микроконтроллере Личный опыт использования

Опубліковано 21.10.2014

В электронике часто используют звуковые пьезоэлектрические динамики или буззеры пьезоэлектрические (piezo buzzer). В народе – пищалки или пьезо пищалки. Они могут быть разных размеров, но идея у них одинаковая: использование обратного пьезоэффекта для генерирования звука. Такие пьезо пищалки могут быть со встроенным генератором. Достаточно подать на них напряжение и они будут монотонно пищать. Но большинство из них – без генератора. О них и пойдет речь. Основная проблема при использовании таких пищалок – это повышение их громкости. Вы должны понимать, что речь идет о генерации звука дискретным выходом в цифровых схемах, а не о повышении мощности аналогового звукового сигнала.

Если подключить такую ​​пьезопищалку к микроконтроллеру, как показано на схеме, – громкость будет слабой.

На самом деле, чтобы добиться нормальной громкости пьезопищалки надо обеспечить три основных условия:

• оптимальное напряжение, подаваемое на пьезопищалку (около 20 В);
• частота должна быть близкой к резонансной. Для многих – в диапазоне 2500..3500 Гц;
• правильно подобранный резонансный объем.

Кстати, об этом почти никто не говорит, хотя правильный подбор геометрии объема эффективно влияет на повышение громкости. Вы наверное обратили внимание, что “фирменные” пищалки продаются в корпусе. Этот корпус и создает оптимальный резонансный объем и имеет оптимальное отверстие для выхода звука.

Схема повышения напряжения

Существуют различные схемы повышения напряжения. Я перебрал несколько из них и остановился на той, с которой добился лучших результатов:

Эта схема выдает монополярные импульсы, но она достаточно проста и компактна. Самая большая деталь по размеру – это дроссель. Работает схема следующим образом: когда открывается транзистор, через дроссель начинает течь ток. Ток на дросселе не может вырасти скачком, на индуктивностях ток нарастает постепенно. Когда транзистор закрывается, ток уменьшается, а на выводе дросселя скачком увеличивается напряжение. Уровень этого напряжения зависит от номинала дросселя, входного напряжения питания, и других параметров схемы. В этой схеме задействованы следующие элементы:

• пьезопищалка – диаметром 27 мм;
• дроссель – RCH855NP-332K 3.3 мГн;
• транзистор – полевой IRLML2402. Можно использовать и другие транзисторы, выдерживающие напряжение 20 В и ток 100 мА;
• диод – любой;
• конденсатор – любой, желательно танталовый или электролитический, включен в параллель с керамическим, общей емкостью от 100 мФ.

Надо позаботиться о том, чтобы транзистор не открывался сам по себе. Поэтому не включайте эту схему, когда затвор транзистора “висит в воздухе”.

Частота

Для того, чтобы добиться громкого звука, частота сигнала должна совпадать с резонансной частотой пищалки. Она обычно указывается в документации и для большинства пьезопищалок лежит в пределах 2500..3500 Гц. При желании можно подобрать ее экспериментально. Если в приборе частота звука должна изменяться в зависимости от измеряемых параметров, частота звука почти никогда не попадет в резонансную. В таких случаях надо стараться, чтобы диапазон звуковых частот был как можно ближе к резонансной частоте.

Резонансный объем

Правильный выбор акустического объема – это самая важная вещь, о которой почти никогда не пишут. Что это такое и зачем он нужен? Все вы когда-нибудь видели гитару. Я имею в виду акустическую гитару. У нее тоже есть коробка, которая усиливает звук. Если ее убрать и оставить только гриф со струнами звук будет в разы тише. Аналогичный объем нужен и для нашей пищалки. Обычно, пищалки монтируют в корпус прибора, поэтому элементы корпуса и будут формировать нужный объем. Я реализовал его с помощью кольца, которое вклеивается внутри корпуса. На фото кольца напечатаны на 3D принтере. Вы можете изготовить его из любого прочного материала – пластика, древесины и т.д.. Звук выходит через отверстие в корпусе. Размеры кольца и отверстия:

Диаметр кольца – примерно 28мм
Высота кольца – 2.6мм
Диаметр выходного отверстия – 5мм.

1 Схема подключения пьезоизлучателя к Arduino

Пьезоизлучатель, или пьезоэлектрический излучатель, или «пьезопищалка» - это электроакустическое устройство воспроизведения звука, использующие обратный пьезоэлектрический эффект . Принцип действия его основан на том, что под действием электрического поля возникает механическое движение мембраны, которое и вызывает слышимые нами звуковые волны. Обычно такие излучатели звука устанавливают в бытовую электронную аппаратуру в качестве звуковых сигнализаторов, в корпуса настольных персональных компьютеров, в телефоны, в игрушки, в громкоговорители и много куда ещё.

Пьезоизлучатель имеет 2 вывода, причём полярность имеет значение. Поэтому чёрный вывод подключаем к земле (GND), а красный - к любому цифровому пину с функцией ШИМ (PWM). В данном примере положительный вывод излучателя подключён к выводу "D3".

Схема подключения пьезоизлучателя к Arduino и схема, собранная на макетной плате

2 с помощью функции analogWrite()

Пьезопищалку можно задействовать разными способами. Самый простой из них - это использовать функцию analogWrite() . Пример скетча - во врезке. Данный скетч попеременно включает и выключает звук с частотой 1 раз в 2 секунды.

/* Объявляем переменную с номером вывода, к которому подключён пьезоэлемент: */ int soundPin = 3; void setup() { // ставим пин "3" в режим работы "Выход": pinMode(soundPin, OUTPUT); } void loop() { analogWrite(soundPin, 50); // включаем пьезоизлучатель delay(1000); // на 1000 мс (1 сек), analogWrite(soundPin, 0); // выключаем звук delay(1000); // на 1 сек. }

Задаём номер пина, определяем его как выход. Функция analogWrite() принимает в качестве аргументов номер вывода и уровень, который может быть от 0 до 255, т.к. ШИМ -выводы Ардуино имеют 8-битный ЦАП. Это значение будет изменять громкость пьезопищалки в небольших пределах. Чтобы выключить пьезопищалку, нужно послать в порт значение "0".

Используя функцию analogWrite() , нельзя изменять тональность звука, к сожалению. Пьезоизлучатель всегда будет звучать на частоте примерно 980 Гц, что соответствует частоте работы выводов с широтно-импульсной модуляцией сигнала (ШИМ) на платах Arduino UNO и подобных.

3 Извлекаем звук из пьезоизлучателя с помощью функции tone()

Но частоту звучания можно менять по-другому. Для этого извлечём звук из пьезоизлучателя посредством встроенной функции tone() . Пример простейшего скетча приведён на врезке.

Int soundPin = 3; /* объявляем переменную с номером пина, на который мы подключили пьезоэлемент */ void setup() { pinMode(soundPin, OUTPUT); //объявляем пин 3 как выход. Serial.begin(9600); // будем выводить в порт текущую частоту } void loop() { for (int i=20; i

Функция tone() принимает в качестве аргументов номер вывода Arduino и звуковую частоту. Нижний предел частоты - 31 Гц, верхний предел ограничен параметрами пьезоизлучателя и человеческого слуха. Чтобы выключить звук, посылаем в порт команду noTone() .

А вот так будет выглядеть временная диаграмма сигнала, который генерирует функция tone() . Видно, что каждые 100 мс частота увеличивается, что мы и слышим:

Как видите, с помощью пьезоизлучателя из Ардуино можно извлекать звуки. Можно даже написать несложную музыкальную композицию, задав ноты соответствующими частотами, а также определив длительность звучания каждой ноты посредством функции delay() .

Обратите внимание, что если к Ардуино подключены несколько пьезоизлучателей, то единовременно будет работать только один. Чтобы включить излучатель на другом выводе, нужно прервать звук на текущем, вызвав функцию noTone() .

Важный момент: функция tone() накладывается на ШИМ сигнал на "3" и "11" выводах Arduino. Т.е., вызванная, например, для пина "5", функция tone() может мешать работе выводов "3" и "11". Имейте это в виду, когда будете проектировать свои устройства.

В этом опыте, мы снова будем преодолевать разрыв между миром цифровым и аналоговым.
Мы будем использовать BUZZER, пищалку или зуммер, кому как нравится, который делает небольшой «щелчок», если кратковременно дотронуться его контактами до питания +5 вольт и «-» GND, попробуйте!
Само по себе это не очень интересно, но если вы подадите на него напряжение и тут же отключите, и так со скоростью 100 раз в секунду
зуммер начнет пищать. И если собрать сотни строк тонов вместе, у вас появится музыка!

Внимание в наборе Arduino Starter KIT, обычно идут похожие, как две капли воды, пищалка, и пъезо-керамический излучатель, они хоть и похожи, но принцип работы разный. У пищалки (буззера), на верхней стороне, там где дырочка, наклеен белый кружочек, у излучателя ничего не наклеено.

В этом опыте ардуино будет играть мелодию, во всяком случае мы на это надеемся!
Схема, очень простая, собрать сможет почти любой, специальных знаний и опыта совсем не требуется.

Выше, вы видите принципиальную схему к этому уроку, сложностей, повторяю еще раз, во время сборки возникнуть не должно.

Для этого опыта вам понадобится:

1. Arduino UNO — 1 шт.

2. Buzzer (пищалка) — 1 шт.

6. Соединительные провода.

Если зуммер на вписывается в отверстия на плате, попробуйте его немного повернуть, так чтобы его выводы вошли в соседние отверстия, как бы по диагонали.

Схема соединений к уроку 11. Ардуино и пищалка

Скачать код к опыту 11. Скетч и подробное описание (Обязательно прочтите весь скетч!):

Набор для экспериментов ArduinoKit
Код программы для опыта №11:

Вид созданного урока на макетной схеме:

Arduino и Пищалка (buzzer). Урок 11

В результате проделанного опыта Вы должны увидеть, а что вы должны увидеть, — да нечего. Вы должны услышать!!!

Вы должны услышать электронную мелодию «Twinkle, Twinkle Little Star», или подобную, это не столь важно, главное чтобы услышали.

Код написан так, что вы легко можете добавить свои собственные мелодии.

Возможные трудности:

Нет звука
Учитывая размер и форму пищалки легко промахнуться мимо нужного отверстия в плате.
Попробуйте еще раз проверить его размещение.
Все равно не работает, не пойму почему
Попробуйте вытянуть пищалку из платы и снова воткнуть ее на свое место, а потом загрузите код программы в плату Arduino.

Всем удачи! Ждём ваши комментарии к ARDUINO УРОК 11 — BUZZER.

В данной статье расскажем что такое зуммер, его области применения, и как его подключать.

Бузер, Зуммер, Пьезоэлектрический излучатель, Пищалка или как нибудь ещё? — существует большое количество названий этой маленькой пищащей заразы, которая говорит о том, что случилось что-то не очень хорошее. Как часто я просто ненавидел этот звуковой зуммер с противным писком. Наверное я не одинок в этом желании. Наверняка вы слышали крайне неприятный приятный звук, который на вас по ошибке (или не очень) давала система на входе/выходе из магазина. Согласитесь, что это крайне неприятный звук. В дальнейшей статье, я буду называть их всех зуммером, так как привык к этому названию.

Зуммер – устройство позволяющее генерировать звук определённой частоты. Обычно диапазон частот находиться в диапазоне от 1 – 10 кгц и если вам попался звуковой зуммер, то идёт характерный звук: «пиииииип».

Он является самым простым способом сделать писк, который хорошо и далеко слышно. Последнее зуммер делает особенно хорошо, так как стандартные зуммеры создают звуковые волны, с коэффициентом затухания 85-90дб на 30 см. В результате маленького зуммера хватает на небольшой ангар.

Мне лично попал вот такой экземпляр (модель sl1i-12fsp):

С ним я и проводил все свои пробы зуммеров. Оказалось, что его хорошо слышно даже в толпе орущих детей, так как сигнал содержит высокую частоту, которой мало в человеческом голосе. Это позволяет практически всегда сказать, работает он или нет. В случае, если у вас нет толпы детей, а есть работающий вентилятор/двигатель/что-то похожее, то не сомневайтесь, слышно его будет очень хорошо.

Подключение Зуммера.

Подключение к схеме проводиться как у батарейки или диода. На устройстве есть обозначения «+» и «-». Подключаем их к питающему напряжению от 3 до 20 вольт, и радуемся получаемому звуку. У зуммера есть небольшая инерционность, и после отключения питания он ещё некоторое время будет звучать. Поэтому на нём моделировать звук не получиться, а вот как тревожная сигнализация получиться что надо.

Управляют ими обычно при помощи усилителя на биполярных транзисторах с общим эмиттером. Это позволяет от вашего МК(ARDUINO/SMT32/MSP430) делать даже полифоничный звук. Но при этом надо учитывать то, что есть зумеры с встроенным генератором. Они пищат прерывисто, с определённой частотой. Это позволяет используя разные зумеры, которые говорят о разных событиях. Стоят они дороже, но если вы собираете что-то без микроконтроллера, то это отличный финт ушами.

Области применения Зуммера.

Я предлагаю применить данную схему в следующих направлениях:

1)охранные системы

2)датчики, сигнализирующие о воздействиях любого рода.

3)бытовая техника (например в микроволновках, где сигнал о окончании работы подаётся именно зуммером).

4)игрушках.

5)в любых устройствах, где требуется звуковое оповещение.

Личный опыт использования.

Мне встречались зуммеры различных конструкций и характеристик. Пищали они всегда очень стабильно, и не требуя практически никаких дорогостоящих усилителей звуковых частот. Многие разработчики их очень любят, но я выявил ряд сложностей при работе с ними:

1) Крайне противный звук при отработке. Конечно, если у вас частота работы данной части раз в несколько дней, то ещё ничего, но во время тестов пищать он будет постоянно, что неминуемо отразится на вашей восприимчивости и желании работать.

2) Достаточное энергопотребление для носимой электроники. Ставить в то, что вы будете носить с собой такую штуку определённо не стоит.

3) Достаточная инерционность. В своё время я потратил кучу времени, чтобы сделать на основе дешёвого зуммера midi-клавиатуру. После всех моих стараний, хорошей звукопередачи не получилось, но музыку из старой SEGA восстановить получилось, чему мой заказчик был крайне рад.

Если добавить к пьезокерамическому излучателю транзисторный автогенератор и разместить их в одном корпусе, то получится активный пьезогенератор. Английское название «buzzer» («buzz» - жужжать), на сленге «бузер», хотя более точно «базер». Для работы пьезогенератора достаточно подать на него постоянное напряжение правильной полярности, звук будет генерироваться автоматически.

Типовые параметры пьезогенераторов: рабочее напряжение 3; 5; 6; 9; 12; 24 В (Табл. 2.8), диапазон частот основного тона генерации 1700…3500 Гц, звуковое давление 75…90 дБ(А), стоимость выше, чем у пьезоизлучателей.

Таблица 2.8. Параметры пьезогенераторов фирмы Kepo Electronic

Номинальное напряжение пьезогенератора является мягко рекомендуемым, поскольку имеется определённый «запас прочности». Например, пьезогенератор SC235 (фирма Sonitron) вместо 12 В допускает работу при напряжении 2…35 В. Функционирование при пониженном питании будет сопровождаться снижением громкости, а подачу сверхвысоких напряжений лучше вообще не допускать. Золотой серединкой как раз и является безопасный «микроконтроллерный» диапазон напряжений 3…5 В.

Пьезогенераторы выпускаются в виде капсюлей следующих разновидностей:

Двухвыводные одночастотные, генерирующие звук одного тона в диапазоне частот примерно 2.5…4 кГц при заводском разбросе ±15…20%;

Двухвыводные двухчастотные, звучание которых напоминает милицейскую сирену, звоноктелефонного аппарата или трель сверчка;

Трёхвыводные многочастотные, перестраиваемые по частоте установкой внешнего подборного конденсатора.

Следует отличать «пьезобузеры» (piezo buzzer) от «магнитных бузеров» (magnetic buzzer), содержащих электромагнитную систему с диафрагмой и транзисторным автогенератором. В руководстве по применению звуковых генераторов фирмы Advanced Acoustic Technology содержатся следующие отличительные признаки:

Рабочие напряжения у «магнитных бузеров» 1.5…24 В, а у «пьезобузеров» -

3.. .220 В, при этом КПД последних в 2…3 раза выше;

Рабочие токи у «магнитных бузеров» составляют десятки-сотни, а у «пьезобузеров» - единицы-десятки миллиампер;

Диаметры корпусов у «магнитных бузеров» 7…25 мм, а у «пьезобузеров» -

12.. .50 мм. И главное, к «магнитным бузерам» притягиваются магниты.

На Рис. 2.51, a…3 приведены схемы подключения пьезогенераторов к MK. Полярность их выводов должна быть отмаркирована на корпусе. Если знаков «+» и «-» не видно, то скорее всего это пьезоизлучатель. Он не имеет встроенного генератора, поэтому при подаче постоянного напряжения будет «молчать, как рыба».

Рис. 2.51. Схемы подключения пьезогенераторов к MK (начало):

а) при прямом подключении пьезогенератора A1 к MK надо следить за допустимым током нагрузки. Чтобы избежать «стрессов» для линии порта, ставят низкоомный защитный резистор R1, который, правда, несколько снижает громкость звучания;

б) аналогично Рис. 2.51, а, но с подключением пьезогенератора А1 не к общему проводу, а к источнику питания. В качестве А1 можно использовать «бузеры» с напряжением 3…12 В;

в) тумблер S1 в разомкнутом состоянии позволяет отключать звук, но не полностью. Благодаря конденсатору С/, пьезогенератор А1 издаёт звук, напоминающий тихо тикающие часы;

г) «высоковольтный» пьезогенератор A1 подключается через транзисторный ключ. Максимальный ток коллектора транзистора VT1 должен быть с запасом больше рабочего тока A1. Защитный диод VD1 позволяет подключать вместо «магнитный бузер»;

д) многочастотный трёхвыводной пьезогенератор Д/ начинает работать при переводе линии MK в режим входа с Z-состоянием. При НИЗКОМ уровне на выходе MK генерация прекращается. Конденсатор C1 изменяет частоту звука от 100 Гц (0.033 МК Ф) до 2.4 кГц (100 пФ);

е) аналогично Рис. 2.51, г, но с низковольтным питанием и с наличием двух резисторов: R1 (ограничитель тока) и R3 (закрывает транзистор VT1 при рестарте MK); О

О Рис. 2.51. Схемы подключения пьезогенераторов к MK (окончание):

ж) полный комплекс защитных мер по снижению импульсных помех и радиоизлучений. Диод VD1 препятствует попаданию всплесков напряжения в цепь питания +3.6 В;

з) прерывистое звучание пьезогенератора А1 обеспечивает мигающий светодиод HL1, который сам визуально не светится, ввиду малого протекающего через него тока.