버저(Buzzer)를 이용한 작은별 동요 실행 > 스마트기기시스템

• 라즈베리파이에 버저(Buzzer) 액추레이터 사용법을 이해한다.
• 버저(Buzzer) 액추레이터를 응용하여 단음 작은별 동요를 실행한다.

• 액티브 버저 모듈
  • 액티브 버저 모듈은 전기 신호를 받았을 때 소리를 내는 장치임.
  • 내장된 발진 회로를 가지고 있어서 단순히 전원을 공급하면 특정 주파수로 소리를 낼 수 있음.
  • 액티브 버저는 로봇, 알람 시스템, 사용자 인터페이스 피드백 등 다양한 응용 프로그램에 사용됨.
• 기본 사양
  • 전원 공급: 일반적으로 3.3V 또는 5V DC
  • 소비 전류: 약 30mA
  • 작동 주파수: 주로 2kHz 내외
  • 소리 크기: 약 85 dB 정도
• GPIO 연결
  • VCC : 3.3V 또는 5V Power(핀 1 또는 2)
  • GND : Ground 접지(핀 2)
  • IN : 입력 핀으로 LOW 또는 HIGH 신호에 따라 버저가 활성화됨
    • GPIO 17(핀 11)

• 기본 구동 프로그램 : 라즈베리파이 가상환경에서 파이썬 코딩
  • VSCode에서 buzzer.py 파일 생성
  • GPIO 17핀(핀 11)을 출력 모드로 설정
  • GPIO 17핀을 순회하면 On/Off 코딩

import RPi.GPIO as GPIO
import time

# GPIO 모드 설정
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# 사용할 GPIO 핀의 번호를 설정한다. 여기서는 17번 핀을 사용한다.
BUZZER_PIN = 17
GPIO.setup(BUZZER_PIN, GPIO.OUT)

try:
    while True:
        # 부저를 켠다.
        GPIO.output(BUZZER_PIN, GPIO.HIGH)
        print("Buzzer on")
        time.sleep(1) # 1초 동안 대기

        # 부저를 끈다.
        GPIO.output(BUZZER_PIN, GPIO.LOW)
        print("Buzzer off")
        time.sleep(1) # 1초 동안 대기

except KeyboardInterrupt:
    # 프로그램 종료 시 GPIO 핀 상태를 초기화한다.
    GPIO.cleanup()

• 계이름 응용 구동 프로그램 : 라즈베리파이 가상환경에서 파이썬 코딩
  • VSCode에서 buzzer_melody.py 파일 생성
  • 주파수 대역과 음 지속 시간을 이용하여 계이름(도레미파...시도) 소리 출력

import RPi.GPIO as GPIO
import time
# GPIO 모드 설정
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
# Buzzer 핀 설정
BUZZER_PIN = 17
GPIO.setup(BUZZER_PIN, GPIO.OUT)
pwm = None
# PWM 인스턴스 생성 및 초기 주파수 설정
pwm = GPIO.PWM(BUZZER_PIN, 100) #부저의 경우 MAX 2000(2kHz), 출력 범위(약 1Hz ~ 10kHz)
pwm.start(0)  
# 주요 음표의 주파수 (단위: Hz)
notes = {
    'C4': 261.63,
    'D4': 293.66,
    'E4': 329.63,
    'F4': 349.23,
    'G4': 392.00,
    'A4': 440.00,
    'B4': 493.88,
    'C5': 523.25  # 추가된 높은 도 음표
}
# 간단한 멜로디 (음표와 지속 시간)
melody = [('C4', 0.5), ('D4', 0.5), ('E4', 0.5), ('F4', 0.5),
          ('G4', 0.5), ('A4', 0.5), ('B4', 0.5), ('C5', 0.5)]  # 마지막 음을 높은 도로 변경
def play(note, duration):
    pwm.ChangeFrequency(notes[note])
    pwm.ChangeDutyCycle(50)  # 켜짐
    time.sleep(duration)  # 음표 지속 시간
    pwm.ChangeDutyCycle(0)  # 꺼짐
try:  
    for note, duration in melody:
        play(note, duration)
        time.sleep(0.1)  # 음표 사이의 간격
finally:
    if pwm is not None:
        try:
            pwm.stop()
        except:
            pass
        del pwm  # __del__ 호출 시 오류 방지
    GPIO.cleanup()

• PWM(Pulse Width Modulation) 이론

• 소리의 원리

• PWM에서 LED 밝기 조절 공식
  • 공급 전압 V_supply = 5V, LED 순방향 전압 V_LED = 3V, 저항 R = 220Ω, 듀티사이클 80%

1. 순간 전류 (옴의 법칙):
   I = (V_supply − V_LED) / R = (5 − 3) / 220 = 9.09mA
2. 평균 전류 (옴의 법칙 × 듀티사이클):
   I_avg = 9.09mA × 0.8 = 7.27mA
3. 평균 전력 (전압 × 평균 전류):
   P = 2V × 7.27mA = 14.54mW

• 다음 작은별 악보를 보고 부저 프로그램을 완성하여라.

• 3컬러 RGB LED는 아래와 같이 연결되어 있다.
  • 빨강: GPIO 18
  • 초록: GPIO 23
  • 파랑: GPIO 24
• 작은별 멜로디를 부저로 연주한다.
• 각 음이 재생될 때, 해당 음에 지정된 색상으로 RGB LED가 점등된다.
• 음이 끝나면 LED는 꺼진다.
• 사용된 음표에 대한 색상 매핑은 아래와 같다.

import RPi.GPIO as GPIO
import time
# GPIO 설정
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
# 핀 번호
BUZZER_PIN = 17
RED_PIN = 18
GREEN_PIN = 23
BLUE_PIN = 24
# 핀 모드 설정
GPIO.setup(BUZZER_PIN, GPIO.OUT)
GPIO.setup(RED_PIN, GPIO.OUT)
GPIO.setup(GREEN_PIN, GPIO.OUT)
GPIO.setup(BLUE_PIN, GPIO.OUT)
# 부저 PWM 초기화
pwm = GPIO.PWM(BUZZER_PIN, 100)
pwm.start(0)
# 음표 주파수
notes = {
    'C4': 261.63,
    'D4': 293.66,
    'E4': 329.63,
    'F4': 349.23,
    'G4': 392.00,
    'A4': 440.00,
    'B4': 493.88,
    'C5': 523.25
}
# 색상 매핑 (C5도 빨강으로 수정)
colors = {
    'C4': (1, 0, 0),  # 빨강
    'D4': (0, 1, 0),  # 초록
    'E4': (0, 0, 1),  # 파랑
    'F4': (1, 1, 0),  # 노랑
    'G4': (0, 1, 1),  # 하늘
    'A4': (1, 0, 1),  # 보라
    'B4': (1, 1, 1),  # 흰색
    'C5': (1, 0, 0)   # 빨강으로 수정
}
# 작은별 멜로디
# melody = [('C4', 0.5), ('C4', 0.5), ('G4', 0.5), ('G4', 0.5)]
melody = [
    ('C4', 0.5), ('C4', 0.5), ('G4', 0.5), ('G4', 0.5),
    ('A4', 0.5), ('A4', 0.5), ('G4', 1.0),
    ('F4', 0.5), ('F4', 0.5), ('E4', 0.5), ('E4', 0.5),
    ('D4', 0.5), ('D4', 0.5), ('C4', 1.0),
    ('G4', 0.5), ('G4', 0.5), ('F4', 0.5), ('F4', 0.5),
    ('E4', 0.5), ('E4', 0.5), ('D4', 1.0),
    ('G4', 0.5), ('G4', 0.5), ('F4', 0.5), ('F4', 0.5),
    ('E4', 0.5), ('E4', 0.5), ('D4', 1.0),
    ('C4', 0.5), ('C4', 0.5), ('G4', 0.5), ('G4', 0.5),
    ('A4', 0.5), ('A4', 0.5), ('G4', 1.0),
    ('F4', 0.5), ('F4', 0.5), ('E4', 0.5), ('E4', 0.5),
    ('D4', 0.5), ('D4', 0.5), ('C4', 1.0)
]
# LED 색상 출력 함수
def set_color(r, g, b):
    GPIO.output(RED_PIN, r)
    GPIO.output(GREEN_PIN, g)
    GPIO.output(BLUE_PIN, b)
# 음 재생 함수
# 음 재생 함수
def play_note(note, duration):
    freq = notes.get(note, None)  # 기본값을 None으로 설정하고 유효한 주파수인지 확인
    rgb = colors.get(note, (0, 0, 0))
    if freq:  # freq가 None이 아니면 실행
        pwm.ChangeFrequency(freq)
        pwm.ChangeDutyCycle(50)
        set_color(*rgb)
        time.sleep(duration)
        pwm.ChangeDutyCycle(0)
        set_color(0, 0, 0)
        time.sleep(0.05)
# 실행
try:
    for note, dur in melody:
        play_note(note, dur)
except Exception as e:
    print(f"실행 중 예외 발생: {e}")
finally:
    if pwm is not None:
        try:
            pwm.stop()
        except:
            pass
        del pwm  # __del__ 호출 시 오류 방지
    GPIO.cleanup()