Мелодия на зуммере: функция tone, ноты и длительности

Зуммер умеет не только пищать. Если он пассивный, частоту звука задаёт плата — а значит, из него можно извлечь любую ноту и сыграть мелодию. Всё, что для этого нужно, уже встроено в Arduino: функции tone и noTone, никаких библиотек.

Сразу важная оговорка: на активном зуммере мелодия не получится никогда. У него внутри собственный генератор с одной фиксированной частотой, и tone на неё не влияет — он будет пищать одинаково на любой ноте. Как отличить один от другого, написано на странице про подключение зуммера.

Как работает tone

Функция принимает номер вывода и частоту в герцах: tone(8, 440) — это нота ля. Плата начинает дёргать вывод с нужной частотой в фоне и сразу возвращает управление программе: звук идёт сам по себе, пока его не остановят.

Остановить можно двумя способами: вызвать noTone(8) или заранее указать третьим аргументом длительность — tone(8, 440, 500) отыграет полсекунды и замолчит сам.

const int PIN_BUZZER = 8;

void setup() {
  pinMode(PIN_BUZZER, OUTPUT);
}

void loop() {
  tone(PIN_BUZZER, 440);   // ля первой октавы
  delay(500);

  noTone(PIN_BUZZER);      // тишина
  delay(500);
}

Частоты нот

Ноты — это просто частоты. Вот первая октава, с неё начинают почти все мелодии; каждая следующая октава — умножение частоты на два.

нота	обозначение	частота, Гц
до	C4	262
ре	D4	294
ми	E4	330
фа	F4	349
соль	G4	392
ля	A4	440
си	B4	494
до второй октавы	C5	523

В чужих примерах эти же числа часто лежат в отдельном файле pitches.h с именами вроде NOTE_C4. Это то же самое: константы с частотами, ничего волшебного в файле нет.

Мелодия из массива нот

Мелодия — два массива одинаковой длины: в первом ноты, во втором длительности. Дальше цикл проходит по ним и отдаёт каждую ноту в tone.

const int PIN_BUZZER = 8;

// ноты первой октавы, частоты в герцах
const int DO = 262, RE = 294, MI = 330, FA = 349, SOL = 392;

// сама мелодия и длительность каждой ноты в миллисекундах
int melody[]    = { MI, RE, DO, RE, MI, MI, MI };
int durations[] = { 300, 300, 300, 300, 300, 300, 600 };

void setup() {
  pinMode(PIN_BUZZER, OUTPUT);
}

void loop() {
  for (int i = 0; i < 7; i++) {
    tone(PIN_BUZZER, melody[i], durations[i]);

    // пауза чуть длиннее самой ноты, иначе ноты сольются:
    // tone не задерживает программу, и следующая начнётся поверх предыдущей
    delay(durations[i] * 1.3);
  }

  noTone(PIN_BUZZER);
  delay(2000);
}

Скетч собирается arduino-cli под Arduino UNO. Коэффициент 1,3 в паузе — не магия: это зазор между нотами, без него мелодия звучит слитно.

Почему ноты сливаются в один непрерывный писк

Самая частая ошибка новичка. tone не задерживает программу: вызвали — звук пошёл, а выполнение сразу идёт дальше. Если в цикле нет паузы или она короче самой ноты, следующая нота начинается поверх предыдущей, и мелодия превращается в один писк. Пауза должна быть чуть длиннее длительности ноты.

Пауза внутри мелодии

Ноль в массиве удобно держать как метку паузы, но передавать его в toneнельзя — нулевой частоты не бывает. Ноль обрабатывают сами: видим его — вместо ноты вызываем noTone и просто выжидаем нужное время.

// пауза внутри мелодии — нота с частотой 0 не годится,
// нужен просто delay без tone
int melody[]    = { MI, RE, 0, DO, RE };
int durations[] = { 300, 300, 200, 300, 300 };

for (int i = 0; i < 5; i++) {
  if (melody[i] == 0) {
    noTone(PIN_BUZZER);          // пауза
  } else {
    tone(PIN_BUZZER, melody[i], durations[i]);
  }
  delay(durations[i] * 1.3);
}

После tone перестал работать analogWrite на пинах 3 и 11

Функция забирает себе аппаратный таймер, который на Arduino UNO отвечает ещё и за широтно-импульсную модуляцию на третьем и одиннадцатом выводах. Пока звучит нота, плавно менять яркость на этих двух выводах не получится. Если в проекте нужны и звук, и плавный свет, перенесите светодиод на пятый, шестой или девятый вывод.

Сирена: плавно меняем частоту

Мелодия — не единственное, что умеет пассивный зуммер. Если менять частоту не ступенями, а в цикле с маленьким шагом, получается сирена: звук плавно ползёт вверх и обратно вниз. Это самый заметный сигнал тревоги, который можно сделать без единой дополнительной детали.

const int PIN_BUZZER = 8;

void setup() {
  pinMode(PIN_BUZZER, OUTPUT);
}

void loop() {
  // вверх: от 400 до 1200 Гц шагом по 10
  for (int f = 400; f <= 1200; f += 10) {
    tone(PIN_BUZZER, f);
    delay(5);
  }

  // и обратно вниз
  for (int f = 1200; f >= 400; f -= 10) {
    tone(PIN_BUZZER, f);
    delay(5);
  }
}

Шаг и задержка задают характер: шаг побольше и задержка поменьше — резкая «полицейская» сирена, мелкий шаг и delay(15) — тягучий вой.

Высота звука с потенциометра

Ещё один способ понять, что tone принимает любое число: скормить ему показания потенциометра. Получается инструмент вроде терменвокса — крутите ручку, и звук едет за ней.

const int PIN_BUZZER = 8;
const int PIN_POT = A0;

void setup() {
  pinMode(PIN_BUZZER, OUTPUT);
}

void loop() {
  int raw = analogRead(PIN_POT);          // 0…1023 с потенциометра
  int freq = map(raw, 0, 1023, 200, 2000); // в частоту 200…2000 Гц

  tone(PIN_BUZZER, freq);
  delay(20);
}

Функция map переводит диапазон потенциометра (от нуля до 1023) в диапазон частот. Подробнее про сам потенциометр — на его странице.

Файл pitches.h: откуда его берут

В чужих примерах ноты почти всегда подключают из файла pitches.h, а сам файл при этом никто не показывает — и новичок застревает на ошибке No such file or directory. Скачивать его неоткуда: это просто список констант, который каждый носит с собой. Вот он — создайте в скетче вкладку с таким именем и вставьте.

// первая октава
#define NOTE_C4  262
#define NOTE_CS4 277
#define NOTE_D4  294
#define NOTE_DS4 311
#define NOTE_E4  330
#define NOTE_F4  349
#define NOTE_FS4 370
#define NOTE_G4  392
#define NOTE_GS4 415
#define NOTE_A4  440
#define NOTE_AS4 466
#define NOTE_B4  494

// вторая октава — те же ноты, частоты вдвое выше
#define NOTE_C5  523
#define NOTE_D5  587
#define NOTE_E5  659
#define NOTE_F5  698
#define NOTE_G5  784
#define NOTE_A5  880
#define NOTE_B5  988

После этого в мелодии можно писать NOTE_E4 вместо числа 330 — читается гораздо понятнее. Диез обозначается буквой S: NOTE_CS4 — это до-диез.

Чего tone не умеет

Одновременно звучит только одна нота: второй вызов tone на другом выводе просто перебьёт первый. Аккорд или двухголосие встроенными средствами не сыграть — для этого берут отдельные библиотеки, которые формируют сигнал иначе.

И ещё: пьезоизлучатель — не динамик. Он честно воспроизводит частоту, но тембра у него нет, поэтому любая мелодия звучит как писк из старой игрушки. Это не ошибка схемы, а физика: для приличного звука нужен динамик с усилителем.

Что дальше

Мелодия — частный случай работы с массивами: если цикл в примере выше кажется непонятным, начните со страницы про программирование.