PWM (Arduino IDE + ESP マイコン用ボードマネージャ)

圧電ブザーを鳴らすプログラムの書き方

音は波であるため, 音を出したい時には電圧の HIGH と LOW を繰り返すことで, プログラム的に下記に示すような特定の周波数を持つ波 (矩形波) を作れば良い. HIGH と LOW の持続時間の和が波の周期に対応する.

矩形波を作るのには ESP32 の LEDC ライブラリ (Arduino の ESP32 拡張) を用いると良い. C 言語版 esp-idf の API Reference の LED Control のドキュメントを参照して雰囲気を掴むことが必要となる．Overview に書かれているように, 以下の操作が必要となる. 

//使用するピンのGPIOを指定
const int Pin = 19; 

//pwmの設定. 最初の引数が channel, 次が周波数, 最後が解像度（ここでは8bit = 256段階）
ledcSetup(0,12800,8); 

//ピンをチャンネルに接続
ledcAttachPin(Pin,0)

//チャンネル 0 に接続されたピンに 128 / 256 = 0.5 = 50% のデューティー比で出力. 
ledcWrite(0,128);

ESP32 は最大で 16 チャンネル分の PWM 制御を行うことができ, 複数のピンを同じチャンネルにまとめて一度に制御することもできる.

また, デューティー比は比率 (%) で与えるのではなく, 下図でいうところの「閾値」として与える.

なお, ESP32 のクロックは 80 MHz = 12.5 μs で動作するため, 分解能をそれよりも小さくすることはできない. 逆に言うと, タイマの解像度によって表現できる最大波長が決まる. 1 bit ならば 1 / (12.5e-6 * 2) = 40 MHz, 8 bit ならば 1 / (12.5e-6 * 256) = 312.5 kHz, 13 bit ならば 1 / (12.5e-6 * 8192) = 9765 Hz, である.

ブザーを鳴らす

LEDC のサンプルを利用する. 「スケッチ例」-> 「ESP32」-> 「AnalogOut」-> 「LEDCSoftwareFade」を選択.

スケッチ例 (LEDCSoftwareFade) を単純化したものが以下である. 

1  // use first channel of 16 channels (started from zero)
2  #define LEDC_CHANNEL_0     0
3 
4  // use 8 bit precission for LEDC timer (0 ~ 255)
5  #define LEDC_TIMER_8_BIT  8 
6 
7  // use 5000 Hz as a LEDC base frequency
8  #define LEDC_BASE_FREQ     5000
9 
10 // ブザーの Pin
11 #define buzzerPin 15
12 
13 void setup() {
14   // Setup timer and attach timer to a buzzer pin
15   ledcSetup(LEDC_CHANNEL_0, LEDC_BASE_FREQ, LEDC_TIMER_8_BIT);
16   ledcAttachPin(buzzerPin, LEDC_CHANNEL_0);
17 }
18 
19 void loop() {
20   uint32_t pwm = 128;  //duty比 0.5 (8 bit 256 の半分)
21   ledcWrite(LEDC_CHANNEL_0, pwm);
22   // wait for 30 milliseconds to see the dimming effect
23   delay(30);
24 }
  • 2 行目: チャンネル 0 用のマクロを用意.
  • 5 行目: タイマの設定. ここでは 8 bit の分解能用のマクロを用意.
  • 8 行目: 周波数を設定. 周波数を高くすれば当然音も高くなり, キーンという感じになる.
  • 11 行目: 圧電ブザーの接続されているピンの GPIO を設定.
  • 15 行目: pwmの設定. 最初の引数 がchannel, 次が周波数, 最後が解像度（ここでは8bit = 256段階）
  • 16 行目: ピンをチャンネルに接続
  • 20-21 行目: デューティー比 50% で矩形波を作成し出力.

課題

LED, スイッチ, ブザーを用いたプログラムを作成してみよ.

例
  • スイッチを入れたら音が鳴る
  • スイッチを入れると, ブザーで「ドレミファソラシド」が鳴る.
  • LED の点灯に合わせてブザーから曲が流れる.
  • その他