一 本章简介
本章介绍如何使用 MicroPython 的 PWM 功能驱动筑基学习板上的无源蜂鸣器。与有源蜂鸣器只能发出固定音调不同，无源蜂鸣器可以通过改变 PWM 频率来发出不同音调的声音，甚至可以演奏简单的旋律。
IMPORTANT
筑基学习板上的有源蜂鸣器和无源蜂鸣器共用同一个引脚 PA6，通过 8 路拨码开关的 BIT4 来切换。使用无源蜂鸣器时，BIT4 必须拨到 ON 位置（向上拨）。如果 BIT4 处于 OFF 位置（默认状态），PA6 的信号会被路由到有源蜂鸣器，无源蜂鸣器将不会响。
1.1 学习目标
| 序号 | 学习目标 | 重要程度 |
|---|---|---|
| 1 | 理解无源蜂鸣器的驱动原理（PWM 频率决定音调） | ⭐⭐⭐⭐⭐ |
| 2 | 掌握使用 pyb.Timer 输出指定频率 PWM 驱动蜂鸣器的方法 | ⭐⭐⭐⭐⭐ |
| 3 | 理解拨码开关 BIT4 对蜂鸣器选择的作用 | ⭐⭐⭐⭐⭐ |
| 4 | 能够实现音阶播放和简单旋律演奏 | ⭐⭐⭐⭐ |
1.2 重点提示
- 无源蜂鸣器的控制引脚为 PA6，对应 TIM13_CH1（AF9）。
- 使用前必须确认拨码开关 BIT4 处于 ON 位置（向上拨）。BIT4 的默认状态是 OFF（有源蜂鸣器），需要手动切换。
- 无源蜂鸣器靠 PWM 的频率决定音调，靠占空比决定音量。通常占空比设为 50% 即可获得最大音量。
- 人耳可听频率范围约为 20Hz~20kHz，常用音符频率在 262Hz（中央 C）到 1047Hz（高音 C）之间。
1.3 基础概念与术语
- 无源蜂鸣器（Passive Buzzer）：内部没有振荡电路，需要外部提供特定频率的方波信号才能发声。频率不同，音调不同。
- 音调（Pitch）：声音的高低，由振动频率决定。频率越高，音调越高。
- 音符频率：每个音符对应一个固定频率，例如中央 C（C4）= 262Hz，A4（标准音）= 440Hz。
二 硬件说明
左边的是无源蜂鸣器，右边的是有源蜂鸣器。
筑基学习板上，PA6 的信号经过一个单刀双掷模拟开关后，分别连接到有源蜂鸣器和无源蜂鸣器：
2.1 无源蜂鸣器驱动原理
无源蜂鸣器内部是一个压电陶瓷片或电磁线圈，当施加交变信号时，陶瓷片/线圈振动产生声音。振动频率等于输入信号的频率，因此改变 PWM 频率就能改变音调。
PA6 (TIM13_CH1) → 模拟开关(BIT4=ON) → 无源蜂鸣器2.1.1 谐振频率与音量的关系
筑基学习板板载的无源蜂鸣器的谐振频率约为 2.7kHz，在这个频率下蜂鸣器的音量最大。
为什么会这样？这和蜂鸣器的物理结构有关。无源蜂鸣器内部的压电陶瓷片（或振膜）是一个弹性体，就像吉他弦一样，它有一个 天生 最容易振动的频率——这就是谐振频率。当外部驱动信号的频率恰好等于谐振频率时，振膜的振幅最大，推动空气的力度最强，声音自然也就最响亮。
偏离谐振频率越远，振膜的振动幅度越小，音量也就越低：
| 频率范围 | 相对音量 | 说明 |
|---|---|---|
| < 500Hz | 很小 | 远低于谐振频率，振膜几乎不动 |
| 1kHz~2kHz | 中等 | 接近谐振区，音量逐渐增大 |
| ~2.7kHz | 最大 | 谐振频率，振幅最大 |
| 3kHz~4kHz | 中等 | 偏离谐振区，音量逐渐减小 |
| > 5kHz | 较小 | 远高于谐振频率，响应变差 |
TIP
在实际应用中，如果你只是想让蜂鸣器发出最响亮的提示音（比如报警），直接用 2.7kHz 驱动即可。如果要演奏旋律，不同音符的音量会有差异——靠近 2.7kHz 的音符（如 E7=2637Hz）会比较响，远离的音符（如 C4=262Hz）会比较轻。这是无源蜂鸣器的物理特性决定的，无法通过软件完全消除。
2.2 无源蜂鸣器资源汇总
| 参数 | 说明 |
|---|---|
| 控制引脚 | PA6 |
| 定时器通道 | TIM13_CH1（AF9） |
| 驱动方式 | PWM（频率决定音调，占空比决定音量） |
| 谐振频率 | ~2.7kHz（此频率下音量最大） |
| 拨码开关 | BIT4 = ON（向上拨） |
| 推荐占空比 | 50%（最大音量） |
2.3 拨码开关 BIT4 设置
CAUTION
使用无源蜂鸣器前，请务必将 8 路拨码开关的 BIT4 拨到 ON 位置（向上拨）。出厂默认是 OFF（有源蜂鸣器），如果不切换，无源蜂鸣器不会发声。
| BIT4 状态 | 效果 |
|---|---|
| OFF（默认，向下） | PA6 连接到有源蜂鸣器 |
| ON（向上） | PA6 连接到无源蜂鸣器 |
三 软件设计
3.1 基础部分
3.1.1 发出固定频率的声音
先让蜂鸣器发出一个 1kHz 的声音，验证硬件配置是否正确：
python
# 无源蜂鸣器基本测试
from pyb import Pin, Timer
import time
# PA6 -> TIM13_CH1, AF9
pin = Pin('PA6', Pin.AF_PP, af=9) # AF9 = TIM13
tim = Timer(13, freq=1000) # 1kHz
ch = tim.channel(1, Timer.PWM, pin=pin)
# 50% 占空比发声
ch.pulse_width_percent(50)
time.sleep(1)
# 停止发声
ch.pulse_width_percent(0)
tim.deinit()
print("测试完成")TIP
如果没有声音，请检查：
- 拨码开关 BIT4 是否拨到了 ON（向上）
- 筑基学习板是否正常供电
- AF 编号是否正确（AF9 对应 TIM13）
3.1.2 播放不同音调
通过改变定时器频率来发出不同音调：
python
# 播放不同音调
from pyb import Pin, Timer
import time
pin = Pin('PA6', Pin.AF_PP, af=9)
tim = Timer(13, freq=1000)
ch = tim.channel(1, Timer.PWM, pin=pin)
def play_tone(freq, duration_ms):
"""播放指定频率和时长的音调"""
if freq == 0:
ch.pulse_width_percent(0)
else:
tim.freq(freq)
ch.pulse_width_percent(50)
time.sleep_ms(duration_ms)
ch.pulse_width_percent(0)
time.sleep_ms(50) # 音符间隔
# 从低到高播放几个音
for freq in [262, 330, 392, 523, 659, 784, 1047]:
print("频率: {}Hz".format(freq))
play_tone(freq, 300)
tim.deinit()
print("播放完成")3.1.3 音符频率表与音阶播放
python
# 音阶播放（C4 到 C5）
from pyb import Pin, Timer
import time
pin = Pin('PA6', Pin.AF_PP, af=9)
tim = Timer(13, freq=1000)
ch = tim.channel(1, Timer.PWM, pin=pin)
# 音符频率表（Hz）
NOTES = {
'C4': 262, 'D4': 294, 'E4': 330, 'F4': 349,
'G4': 392, 'A4': 440, 'B4': 494, 'C5': 523,
'D5': 587, 'E5': 659, 'F5': 698, 'G5': 784,
'A5': 880, 'B5': 988, 'C6': 1047,
'REST': 0,
}
def play_tone(freq, duration_ms):
if freq == 0:
ch.pulse_width_percent(0)
else:
tim.freq(freq)
ch.pulse_width_percent(50)
time.sleep_ms(duration_ms)
ch.pulse_width_percent(0)
time.sleep_ms(50)
# 播放 C 大调音阶（上行+下行）
scale_up = ['C4', 'D4', 'E4', 'F4', 'G4', 'A4', 'B4', 'C5']
scale_down = ['B4', 'A4', 'G4', 'F4', 'E4', 'D4', 'C4']
print("C 大调音阶上行")
for note in scale_up:
print(" {} {}Hz".format(note, NOTES[note]))
play_tone(NOTES[note], 300)
time.sleep_ms(300)
print("C 大调音阶下行")
for note in scale_down:
play_tone(NOTES[note], 300)
ch.pulse_width_percent(0)
tim.deinit()
print("播放完成")3.2 进阶部分
3.2.1 演奏《小星星》
python
# 演奏《小星星》
from pyb import Pin, Timer
import time
pin = Pin('PA6', Pin.AF_PP, af=9)
tim = Timer(13, freq=1000)
ch = tim.channel(1, Timer.PWM, pin=pin)
NOTES = {
'C4': 262, 'D4': 294, 'E4': 330, 'F4': 349,
'G4': 392, 'A4': 440, 'B4': 494, 'C5': 523,
'REST': 0,
}
def play_tone(freq, duration_ms):
if freq == 0:
ch.pulse_width_percent(0)
else:
tim.freq(freq)
ch.pulse_width_percent(50)
time.sleep_ms(duration_ms)
ch.pulse_width_percent(0)
time.sleep_ms(50)
def play_melody(melody):
"""播放旋律，格式: [(音符名, 时长ms), ...]"""
for note, duration in melody:
freq = NOTES.get(note, 0)
play_tone(freq, duration)
# 《小星星》旋律
twinkle = [
('C4', 400), ('C4', 400), ('G4', 400), ('G4', 400),
('A4', 400), ('A4', 400), ('G4', 800),
('F4', 400), ('F4', 400), ('E4', 400), ('E4', 400),
('D4', 400), ('D4', 400), ('C4', 800),
('G4', 400), ('G4', 400), ('F4', 400), ('F4', 400),
('E4', 400), ('E4', 400), ('D4', 800),
('G4', 400), ('G4', 400), ('F4', 400), ('F4', 400),
('E4', 400), ('E4', 400), ('D4', 800),
('C4', 400), ('C4', 400), ('G4', 400), ('G4', 400),
('A4', 400), ('A4', 400), ('G4', 800),
('F4', 400), ('F4', 400), ('E4', 400), ('E4', 400),
('D4', 400), ('D4', 400), ('C4', 800),
]
print("演奏《小星星》")
play_melody(twinkle)
ch.pulse_width_percent(0)
tim.deinit()
print("演奏完成")3.2.2 通用旋律播放器类
python
# 通用旋律播放器类
from pyb import Pin, Timer
import time
class MelodyPlayer:
"""
无源蜂鸣器旋律播放器
pin_name: 蜂鸣器引脚
tim_id: 定时器编号
af: 复用功能编号
"""
# 标准音符频率表
NOTE_FREQ = {
'C4': 262, 'C#4': 277, 'D4': 294, 'D#4': 311,
'E4': 330, 'F4': 349, 'F#4': 370, 'G4': 392,
'G#4': 415, 'A4': 440, 'A#4': 466, 'B4': 494,
'C5': 523, 'C#5': 554, 'D5': 587, 'D#5': 622,
'E5': 659, 'F5': 698, 'F#5': 740, 'G5': 784,
'G#5': 831, 'A5': 880, 'A#5': 932, 'B5': 988,
'C6': 1047,
'REST': 0, '_': 0,
}
def __init__(self, pin_name='PA6', tim_id=13, af=9):
self.pin = Pin(pin_name, Pin.AF_PP, af=af)
self.tim = Timer(tim_id, freq=1000)
self.ch = self.tim.channel(1, Timer.PWM, pin=self.pin)
self.ch.pulse_width_percent(0)
def tone(self, freq, duration_ms):
"""播放单个音调"""
if freq == 0:
self.ch.pulse_width_percent(0)
else:
self.tim.freq(freq)
self.ch.pulse_width_percent(50)
time.sleep_ms(duration_ms)
self.ch.pulse_width_percent(0)
time.sleep_ms(30)
def play(self, melody, tempo=1.0):
"""
播放旋律
melody: [(音符名, 时长ms), ...]
tempo: 速度倍率，>1 加快，<1 减慢
"""
for note, duration in melody:
freq = self.NOTE_FREQ.get(note, 0)
self.tone(freq, int(duration / tempo))
def stop(self):
"""停止播放"""
self.ch.pulse_width_percent(0)
def deinit(self):
"""释放资源"""
self.ch.pulse_width_percent(0)
self.tim.deinit()
# 使用示例
player = MelodyPlayer('PA6', 13, 9)
# 《欢乐颂》片段
ode_to_joy = [
('E4', 400), ('E4', 400), ('F4', 400), ('G4', 400),
('G4', 400), ('F4', 400), ('E4', 400), ('D4', 400),
('C4', 400), ('C4', 400), ('D4', 400), ('E4', 400),
('E4', 600), ('D4', 200), ('D4', 800),
]
print("演奏《欢乐颂》片段")
player.play(ode_to_joy)
# 加速播放
print("1.5 倍速播放")
player.play(ode_to_joy, tempo=1.5)
player.deinit()
print("完成")四 常见问题
Q: 代码运行了，但蜂鸣器没有声音或者声音完全不对？
第一优先级：检查拨码开关 BIT4 是否拨到了 ON（向上）。这是最常见的原因。BIT4 默认是 OFF（有源蜂鸣器），使用无源蜂鸣器必须手动切换。
Q: 声音很小或者有杂音？
- 占空比设为 50% 可获得最大音量
- 频率过低（<100Hz）或过高（>5kHz）时，蜂鸣器的响应会变差
- 确认供电正常，蜂鸣器使用 5V 驱动
Q: 有源蜂鸣器和无源蜂鸣器能同时使用吗？
不能。它们共用 PA6 引脚，通过模拟开关二选一。同一时间只能使用其中一个。
Q: 做完无源蜂鸣器实验后，想切回有源蜂鸣器怎么办？
把拨码开关 BIT4 拨回 OFF（向下）即可。同时代码也要改回普通 GPIO 输出方式（Pin.OUT_PP），不再需要 PWM。
五 本节参考文档
- MicroPython pyb.Timer 文档：
- MicroPython pyb.Pin 文档：
- 天空星硬件资料（原理图）：