第8课 用函数让蜂鸣器唱歌

数学中的函数一词泛指发生在集合之间的一种对应关系和变化过程。在程序设计领域，函数实际上就是一段具有特定功能、完成特定任务的程序，以减少重复编写程序的工作量。使用 PWM 模拟信号除了能够控制灯光亮度外，还能控制许多其他的电子设备，蜂鸣器就是其中一种。在本节课程中，我们将了解关于蜂鸣器的基本知识，和它的使用方法，并学习如何使用函数来简化程序，完成一段简单的旋律。

知识锦囊

蜂鸣器

蜂鸣器是一种常见的发声装置，它常被作为发声器用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中。我们常见的蜂鸣器又分为无源蜂鸣器与有源蜂鸣器。

这其中的“源”并非指电源，而是指震荡源。

震荡源即为震荡电路，它能将输入的直流电流信号转换为震荡电流信号输出，从而驱动蜂鸣器发声。
有源蜂鸣器就内置有一个震荡源，在使用时为其提供恒定直流电压即可工作，其发声频率由内部震荡电路决定，音调一般无法改变。
而无源蜂鸣器则没有震荡源，只能靠外界输入 PWM （方波）信号来实现磁场交变，所以我们可以使用 PWM 信号驱动振动装置从而使蜂鸣器发声。而通过调整 PWM 信号的频率和占空比，我们就能控制蜂鸣器的音调高低和音量大小。
在本节课程中，我们将要使用蜂鸣器来演奏一段简单的旋律，但在开始前，我们还需要学习如何通过定义函数来降低工作量。

定义函数

在数学定义中，函数是指发生在集合之间的一种对应关系和变化过程。而在程序设计领域，函数实际上就是一段具有特定功能、能够完成特定任务的程序。当我们编写好这段程序后，就可以在之后的程序里重复的调用这段程序，来处理相同任务，以提高代码的重复利用率。
在之前的学习中，你已经使用了许多 Python 的内置函数，例如 print() , Pin() 等。当然，我们也可以自己自定义函数来进行使用。
在 Python 中我们使用 def 来定义函数，其定义函数的语法如下：

def 函数名(参数列表):
    函数体

在定义函数时，函数代码块以 def 关键词开头，后接函数名称和小括号” () “，小括号后的冒号” : “表示函数体的开始。函数体，即为定义一个函数功能的所有代码组成的整体，当你完成了函数的定以后，每一次调用该函数时系统都会执行一次函数体中的代码。

直接来看示例程序：

def HelloWorld():
    print("Hello World")

HelloWorld()

该程序的执行结果为：

Hello World

在该程序中，我们定义了一个名为 HelloWorld 的函数，在每次使用 “HelloWorld()” 调用该函数时，都会执行一次函数体中的 “print(“Hello World”) “ 语句。

在函数名后的括号中，我们还可以写入需要被引入该函数的参数，例如：

a = 4
b = 5
def max(a, b):
    if a > b:
        return a
    else:
        return b
print(max(a, b))

在该程序中，我们创建了一个名为 max() 的函数，该函数会在参数列表中引入两个参数。在函数体中，程序会比较两个数的大小，并返回较大的数。
其中 return [表达式] 代表函数的结束，它会返回一个值给调用它的函数。例如在该程序中，我们会通过 if 条件判断来判断出 a,b 中较大的那一个数，并返回它的值。所以该程序的执行结果为5，即 a，b 中较大的 b 的值。
该程序的执行结果为：

5

这就是函数的定义方法。

实践操作

项目一：演奏基本音节

首先，我们先来控制蜂鸣器演奏 do、re、mi、fa、sol、la、si 七个基本音节。

硬件连接

在该项目中，我们所需要使用的硬件有：

• 树莓派 Pico
• 树莓派 Pico 拓展板
• Grove - 蜂鸣器

插接好 Pico 和拓展板，使用 Grove 数据线将蜂鸣器连接到 A1 接口。

编写程序

我们要想使用蜂鸣器来演奏乐曲，就需要学会控制蜂鸣器发出的声音的两个维度：音量和音调。
对于音量而言，我们同样可以像控制 LED 灯亮度一样，通过改变 PWM 信号的占空比来实现。而对于音调来说，声音的音调高低是由声音的频率决定的，所以我们只需要修改 PWM 信号的频率，即可实现对音调的控制。
我们先来编写一个程序，让蜂鸣器发出 do、re、mi、fa、sol、la、si 七个音节。
在该程序中。我们需要定义引脚，并使用 sleep() 函数控制每个音节的持续时间，所以我们需要在程序的开头声明用到的函数库：

from machine import Pin, PWM
from time import sleep

接着定义引脚

buzzer = PWM(Pin(27))

接下来我们需要使用 freq() 函数和 duty_u16() 函数来定义音调与音量:

buzzer.freq(1046) #DO
buzzer.duty_u16(1000)

buzzer.freq(1175) #RE
buzzer.duty_u16(1000)

buzzer.freq(1318) #MI
buzzer.duty_u16(1000)    

buzzer.freq(1397) #FA
buzzer.duty_u16(1000)

buzzer.freq(1568) #SO
buzzer.duty_u16(1000) 

buzzer.freq(1760) #LA
buzzer.duty_u16(1000)   

buzzer.freq(1967) #SI
buzzer.duty_u16(1000)

最后，使用 sleep() 函数规定每一个音节的发声时间长短，程序就完成了，完整的程序如下：

from machine import Pin, PWM
from time import sleep

buzzer = PWM(Pin(27))
while True:
    buzzer.freq(1046) #DO
    buzzer.duty_u16(1000)
    sleep(1)   
    buzzer.freq(1175) #RE
    buzzer.duty_u16(1000)
    sleep(1)        
    buzzer.freq(1318) #MI
    buzzer.duty_u16(1000)    
    sleep(1) 
    buzzer.freq(1397) #FA
    buzzer.duty_u16(1000)
    sleep(1) 
    buzzer.freq(1568) #SO
    buzzer.duty_u16(1000) 
    sleep(1)    
    buzzer.freq(1760) #LA
    buzzer.duty_u16(1000)   
    sleep(1)  
    buzzer.freq(1967) #SI
    buzzer.duty_u16(1000)
    sleep(1)

使用 USB 数据线将 Pico 连接到电脑，点击运行按钮将程序保存到任意位置，你就能听到蜂鸣器演奏七个基本音节了。
演奏基本音节.mp4

项目二：两只老虎

接下来，我们通过定义函数简化程序，控制蜂鸣器演奏两只老虎完整的旋律。乐谱如下：

编写程序

当我们编写一段简单的乐曲时，我们可以使用逐行编写的方法来完成程序，但用这种方法所编写的程序过于冗长和重复，如果我们所想要复现一整首歌曲，不论是从提高代码重复利用率的角度，还是从程序可读性的角度出发，我们都需要使用自定义函数来简化程序。在任务一的基础上，我们可以将每一个音节都定义为一个函数，当我们想要演奏该音节时，只需要调用一次该函数即可。
以音节 DO 为例，定义函数的程序如下：

def DO():
    buzzer.freq(1046) #1
    buzzer.duty_u16(1000)

将七个音节与停止发声的执行程序都按这样的方式定义为函数：

def DO():
    buzzer.freq(1046) #1
    buzzer.duty_u16(1000)
def RE():    
    buzzer.freq(1175) #2
    buzzer.duty_u16(1000)
def MI():          
    buzzer.freq(1318) #3
    buzzer.duty_u16(1000)    
def FA():     
    buzzer.freq(1397) #4
    buzzer.duty_u16(1000)
def SO():    
    buzzer.freq(1568) #5
    buzzer.duty_u16(1000) 
def LA():    
    buzzer.freq(1760) #6
    buzzer.duty_u16(1000)   
def SI():    
    buzzer.freq(1967) #7
    buzzer.duty_u16(1000)
def N():
    buzzer.duty_u16(0) #close

在之后的程序中，我们只需要对这些函数进行调用，即可完成乐曲，演奏两只老虎的程序如下：

from machine import Pin, I2C, ADC, PWM
from time import sleep

buzzer = PWM(Pin(27))
vol = 1000
def DO():
    buzzer.freq(1046) #1
    buzzer.duty_u16(vol)
def RE():    
    buzzer.freq(1175) #2
    buzzer.duty_u16(vol)
def MI():          
    buzzer.freq(1318) #3
    buzzer.duty_u16(vol)    
def FA():     
    buzzer.freq(1397) #4
    buzzer.duty_u16(vol)
def SO():    
    buzzer.freq(1568) #5
    buzzer.duty_u16(vol) 
def LA():    
    buzzer.freq(1760) #6
    buzzer.duty_u16(vol)   
def SI():    
    buzzer.freq(1967) #7
    buzzer.duty_u16(vol)
def N():
    buzzer.duty_u16(0) #close

while True:

    DO()
    sleep(0.25)
    RE()
    sleep(0.25)
    MI()
    sleep(0.25)
    DO()
    sleep(0.25)
    N()
    sleep(0.01)

    DO()
    sleep(0.25)
    RE()
    sleep(0.25)
    MI()
    sleep(0.25)
    DO()
    sleep(0.25)

    MI()
    sleep(0.25)
    FA()
    sleep(0.25)
    SO()
    sleep(0.5)

    MI()
    sleep(0.25)
    FA()
    sleep(0.25)
    SO()
    sleep(0.5)
    N()
    sleep(0.01)

    SO()
    sleep(0.125)
    LA()
    sleep(0.125)
    SO()
    sleep(0.125)
    FA()
    sleep(0.125)
    MI()
    sleep(0.25)
    DO()
    sleep(0.25)

    SO()
    sleep(0.125)
    LA()
    sleep(0.125)
    SO()
    sleep(0.125)
    FA()
    sleep(0.125)
    MI()
    sleep(0.25)
    DO()
    sleep(0.25)

    RE()
    sleep(0.25)
    SO()
    sleep(0.25)
    DO()
    sleep(0.5)
    N()
    sleep(0.01)

    RE()
    sleep(0.25)
    SO()
    sleep(0.25)
    DO()
    sleep(0.5)

在程序的第五行，我们添加了一个名为 vol 的变量，并在之后的程序中用它来表示 PWM 信号中的占空比数值，现在，每当我们想要修改蜂鸣器的音量时，只需要修改变量 vol 的值即可。

vol = 1000

仔细看看我们的程序，比起逐行直接编写程序已经简化了不少。现在在该程序中，总是重复的部分只剩下了 sleep() 函数，由于要构成一首完整的乐曲，许多音节发声的时间都不同，所以我们不能简单的将 sleep() 函数直接添加进函数体中—-我们需要创建一个带有参数的自定义函数，同样拿音节 DO 来举例，定义音节 DO 的程序如下：

def DO(time):
    buzzer.freq(1046) #1
    buzzer.duty_u16(vol)
    sleep(time)

当我们使用该函数时，需要在括号内填上传入函数体的参数，该参数会被函数体中的 sleep() 函数调用，使我们可以自由控制音节的发音时间。例如当需要音节 DO 发音0.5秒时，我们可以这样编写程序：

DO(0.5)

怎么样，是不是又简洁了许多。通过这样定义函数，我们可以让程序的编写更加简洁，下面是该程序最终的样子：

from machine import Pin, I2C, ADC, PWM
from time import sleep

buzzer = PWM(Pin(27))
vol = 1000
def DO(time):
    buzzer.freq(1046) #1
    buzzer.duty_u16(vol)
    sleep(time)
def RE(time):    
    buzzer.freq(1175) #2
    buzzer.duty_u16(vol)
    sleep(time)
def MI(time):          
    buzzer.freq(1318) #3
    buzzer.duty_u16(vol)
    sleep(time)
def FA(time):     
    buzzer.freq(1397) #4
    buzzer.duty_u16(vol)
    sleep(time)
def SO(time):    
    buzzer.freq(1568) #5
    buzzer.duty_u16(vol)
    sleep(time)
def LA(time):    
    buzzer.freq(1760) #6
    buzzer.duty_u16(vol)
    sleep(time)
def SI(time):    
    buzzer.freq(1967) #7
    buzzer.duty_u16(vol)
    sleep(time)
def N(time):
    buzzer.duty_u16(0) #close
    sleep(time)
while True:

    DO(0.25)
    RE(0.25)
    MI(0.25)
    DO(0.25)
    N(0.01)

    DO(0.25)
    RE(0.25)
    MI(0.25)
    DO(0.25)

    MI(0.25)
    FA(0.25)
    SO(0.5)

    MI(0.25)
    FA(0.25)
    SO(0.5)  
    N(0.01)

    SO(0.125)
    LA(0.125)
    SO(0.125)
    FA(0.125)
    MI(0.25)
    DO(0.25)

    SO(0.125)
    LA(0.125)
    SO(0.125)
    FA(0.125)
    MI(0.25)
    DO(0.25)

    RE(0.25)
    SO(0.25)
    DO(0.5)
    N(0.01)

    RE(0.25)
    SO(0.25)
    DO(0.5)

使用 USB 数据线将 Pico 连接到电脑，点击运行按钮将程序保存到任意位置，就能听见蜂鸣器演奏两只老虎了。
两只老虎.mp4

思维拓展

请使用本节课所学，编写可以演奏《小星星》的程序。
乐谱如下：

程序参考如下：