一起玩转树莓派（4）——用开关控制蜂鸣器发声

2022-03-17 08:23:31

一起玩转树莓派（4）——用开关控制蜂鸣器发声

在本系列的前几篇博客中，我们使用桌面软件控制过红绿灯，也编程点亮过炫彩的3色LED 灯。在这些实验的过程中，相信你对树莓派GPIO引脚如何输出高低电平，以及如何使用PWM技术来控制电压输出等都有了了解。本篇博客，我们将再探索一些树莓派编程更多新鲜好玩的领域，来尝试使用硬件来控制硬件。

现在，我们将尝试完成这样一个实验，使用按压开关控制蜂鸣器的发声。将开关元件和蜂鸣器都连接到树莓派，当按下开关时，让蜂鸣器发声，当松开开关时，蜂鸣器停止发声。

一、主角登场

开始动手实验前，我们先来认识一下将要出场的主角们，当然，无论什么实验，树莓派都是当之无愧的第一主角，但我相信你已经对它已经有了足够的了解（如果没有，可以查看本系列的前几篇博客），因此我们将介绍的重点放在两个新登场的“角色”上：蜂鸣器与按压开关。

1.本实验的“主角甲”——有源蜂鸣器

蜂鸣器，顾名思义，其是一种发声元件。广泛应用于计算机、打印机、电话、玩具等电子设备中。

蜂鸣器可以分为“有源蜂鸣器”和“无源蜂鸣器”。其中的源并非指电源，而是指蜂鸣器内部是否有震荡源。有源蜂鸣器自带一个震荡源模块，其使用起来非常简单，只要接通直流电，其就会自动发出声音。而无源蜂鸣器内部没有震荡源，需要外接使用一定频率的方波来驱动其发声。关于无源蜂鸣器更多深入的用法，我们后续博客再专门介绍。这里，我们先着重理解有源蜂鸣器的工作原理。

本实验中，我们采用的是低电平触发的有源蜂鸣器，元件如下图所示：

一起玩转树莓派（4）——用开关控制蜂鸣器发声

其有3个引脚，GND引脚用来接地，VCC引脚用来接3.3V的电源，I/O引脚用来进行蜂鸣器是否播放声音的控制。你可能有些疑惑，为什么低电平也可以触发元件的“开”状态，这要归功于PNP型三极管的功劳，对于PNP型三极光，当输入管脚为低电平时，三极管处于导通状态，使得蜂鸣器被加电压，当输入管脚为高电平时，三极管处于截止状态，蜂鸣器无电压。原理如下图所示：

一起玩转树莓派（4）——用开关控制蜂鸣器发声

现在，我们先来编写一段简单的Python程序，来使蜂鸣器发出声音。

2. 触发蜂鸣器播放声音

我们使用的蜂鸣器的3个引脚，其中VCC接电源，GND接地，I/O引脚我们可以选择树莓派BCM编码为27的GPIO引脚，通过查表，可以得到其物理编码为13。连线示意如下：

一起玩转树莓派（4）——用开关控制蜂鸣器发声

编写Python程序代码如下：

#coding:utf-8

# 导入GPIO控制薄块
import RPi.GPIO as GPIO
# 导入time模块
import time

# 定义引脚
fm = 13
# 设置使用的引脚编码模式
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
# 进行引脚的初始化，因为是低电平触发，初始时设置为高电平
GPIO.setup(fm,GPIO.OUT, initial=GPIO.HIGH)

# 进行一长两短的声音播放
# 播放1秒声音
GPIO.output(fm, GPIO.LOW)
time.sleep(1)
GPIO.output(fm, GPIO.HIGH)
time.sleep(0.1)
# 播放0.5秒声音
GPIO.output(fm, GPIO.LOW)
time.sleep(0.5)
GPIO.output(fm, GPIO.HIGH)
time.sleep(0.1)
# 播放0.5秒声音
GPIO.output(fm, GPIO.LOW)
time.sleep(0.5)
# 停止蜂鸣器播放
GPIO.output(fm, GPIO.HIGH)
GPIO.cleanup()

在树莓派上运行代码，你应该已经可以听到蜂鸣器发出一长两短的鸣叫声了。

3.本实验的“主角乙”——按压开关

按压开关是电子设备中最为常用的一种元件，关于按压开关本身的结构和原理，其实非常简单，其按键内部会有弹簧进行控制，当没有外力作用时，弹簧会将开关自动顶起，接触器上升。当外力将按键按下时，接触器下降。通过接触器的上升和下降来控制电路的导通。如下图所示：

一起玩转树莓派（4）——用开关控制蜂鸣器发声

本次实验，我们使用的按压开关元件如下图所示：

一起玩转树莓派（4）——用开关控制蜂鸣器发声

我们使用的此开关当按键按下式，会向引脚输入低电平，当按键松开时，会向引脚输入低电平。在连线时，按压开关的“-”引脚接地，中间引脚节3.3V电压，“S”引脚接GPIO信号引脚，我们可以将其接BCM编码为GPIO5的引脚，其物理编码为29。连线如下图所示：

一起玩转树莓派（4）——用开关控制蜂鸣器发声

下面，我们要来学习点新东西了，如何获取到GPIO引脚的输入。

4. 使用GPIO输入信号

之前，我们都是将GPIO作为输出引脚进行使用，即让GPIO输出高电平或低电平从而控制元件。其实还有很多场景，需要读取GPIO的输入信号，例如各种传感器和开关元件。通常，我们可以采用两种方式来获取GPIO的输入信号：轮询式或中断式。

轮询式很好理解，即我们不停的询问当前GPIO引脚：输入的信号是什么啊？之后GPIO会将当前的输入信息告诉我们，这种不停的读取某个GPIO引脚的值的方式就是轮询式获取输入信号。更多时候，我们会采取中断式，中断式是指在程序运行过程中，如果出现外部事件，则中断当前程序运行来处理外部事件。在本实验中，开关的按下和松开就可以理解为中断事件。

需要注意，对于作为输入使用的GPIO引脚来说，当我们未接任何输入源时，其值可能是任意的，即其值是浮动且不可控的，因此我们需要为其配置一个默认值，硬件上，我们通常使用下拉电阻或上拉电阻。软件上我们也可以通过GPIO库的相关接口来实现同样的功能，例如使用下面的方式初始化引脚：

# 将引脚初始化为输入引脚，同时设置默认值为高电平
GPIO.setup(channel, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
# 将引脚初始化为输入引脚，同时设置默认值为低电平
GPIO.setup(channel, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

若要获取到某个输入引脚当前的电平情况，可以使用如下方法：

# 1表示高电平 0表示低电平
GPIO.input(channel)

例如可以通过如下的方式轮训检查某个引脚的输入：

while GPIO.input(channel) == GPIO.LOW:
    time.sleep(0.01)

我们通常只需要关心电平的变化，以及变化方向，以本实验为例，当按下开关时，电平由低变高，当松开开关时，电平由高到低。下面方法可以中断当前程序的运行，等待电平变化的信号：

# 当channel引脚由低电平变到高电平时会触发向后执行, timeout设置超时时间
GPIO.wait_for_edge(channel, GPIO.RISING, timeout=5000)

GPIO.RISING表示要等待的是由低到高的电平变化，与之对应的还有GPIO.FALLING表示由高到低的电平变化，GPIO.BOTH表示两个方向的电平变化都会触发。

对于本实验的场景，GPIO.wait\_for\_edge方法并不实用，如果我们要采用轮询的方式获取GPIO输入信号，则可以实用下面的方法：

# 为channel输入引脚添加[从低到高]的电平变化监听
GPIO.add_event_detect(channel, GPIO.RISING)  
# 下面的判断可以放在轮询中，只要有[从低到高]的电平变化，即会命中if判断
if GPIO.event_detected(channel):
    print('从低到高变化')

需要注意，GPIO.add\_event\_detect方法比直接轮询通过GPIO.input方法获取信号要可靠的多，直接轮询可能会错过某些电平变化事件，而GPIO.add\_event\_detect 不会。在使用GPIO.add\_event\_detect方法时，我们也可以直接设置回调函数，当有变化发生时，即会执行到回调函数，例如：

# 定义回调函数
def my_callback(channel):
    pass
# 注册回调函数 bouncetime参数用来进行防抖
GPIO.add_event_detect(channel, GPIO.RISING, callback=my_callback, bouncetime=200)

上面示例代码中，bouncetime参数能够提供软件防抖的功能，其单位为毫秒，200毫秒内的多次电平变化来回将被忽略。

最后，如果你不再需要监听，可以使用如下方法移除：

GPIO.remove_event_detect(channel)

5. 获取按压开关元件的状态

现在，我们可以尝试使用树莓派读取按压开关元件的开关状态了。示例代码如下：

#coding:utf-8

# 导入GPIO控制薄块
import RPi.GPIO as GPIO
# 导入time模块
import time

# 设置使用的引脚编码模式
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)

# 定义开关引脚
swi = 29
# 进行开关引脚的初始化，设置为输入引脚，且默认为高电平
GPIO.setup(swi, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_PU)
# 定义状态变化的回调函数
def switch(channel):
    # 高电平的开关松开
    if GPOI.input(channel):
        print("开关松开")
    # 低电平为开关按下
    else:
        print("开关按下")
        
# 添加输入引脚电平变化的回调函数
GPIO.add_event_detect(swi, GPIO.BOTH, callback=switch, bouncetime=200)
# 开启循环
while True:
    pass

在树莓派运行上面代码，通过按压和松开开关，观察控制台的输出是否正确。

二、开关控制蜂鸣器播放

如果你成功做完了前面的工作，那么好了，本节的内容将非常简单，只需要将上面编写的蜂鸣器程序和开关程序进行结合，你就可以使用开关来控制蜂鸣器了。示例代码如下：

#coding:utf-8

# 导入GPIO控制薄块
import RPi.GPIO as GPIO
# 导入time模块
import time

# 设置使用的引脚编码模式
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)

# 定义开关引脚
swi = 29
# 定义蜂鸣器引脚
fm = 13
# 进行开关引脚的初始化，设置为输入引脚，且默认为高电平
GPIO.setup(swi, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
# 进行蜂鸣器引脚的初始化，因为是低电平触发，初始时设置为高电平
GPIO.setup(fm,GPIO.OUT, initial=GPIO.HIGH)
# 定义状态变化的回调函数
def switch(channel):
    # 高电平的开关松开
    if GPI0.input(channel):
        GPIO.output(fm, GPIO.HIGH)
    # 低电平为开关按下
    else:
        GPIO.output(fm, GPIO.LOW)
        
# 添加输入引脚电平变化的回调函数
GPIO.add_event_detect(swi, GPIO.BOTH, callback=switch, bouncetime=200)
# 开启循环
while True:
    pass

现在，运行程序，用开关来控制蜂鸣器的声音播放吧。恭喜！你已经能够使用硬件来控制硬件了！

三、休息一下吧

通过本篇博客，你应该收获了GPIO输入信号的编程方法，以及通过GPIO读取有输入功能的传感器数据的方法。本篇博客涉及的内容很多，重点在于GPIO输入引脚中断的相关用法，需要你多多练习。说了这么多，你有没有发现这次我们完成的实验很像生活中的一种东西？没错，就是门铃，你已经可以使用树莓派实现一个简单的门铃器件啦。

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