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
    • 가청 주파수 : 20Hz ~ 20,000Hz(20kHz)
  • 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

#twinkle_buzzer.py
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
  • 전압, 전류, 저항, 전력
    • 전압 (V)  →  수압 (물을 밀어주는 힘)
    • 전류 (A)  →  수량 (실제 흐르는 물의 양)
    • 저항 (Ω)  →  파이프 좁기 (굵을수록 저항 작음, 좁을수록 저항 큼)
    • 전력 (W)  →  물레방아 회전력 (실제 일하는 양)
  • 공급 전압 V_supply = 3.3V (라즈베리파이 GPIO 기준), 저항 R = 50Ω (GPIO 내부 저항), 듀티사이클 80%
  • LED 순방향 전압(V_f)은 색상마다 다름 (데이터시트 KY-009 5050 RGB 기준)
    • 빨강: 1.8V ~ 2.4V (대표값 2.0V)
    • 초록: 2.8V ~ 3.6V (데이터시트 기준, 실사용 시 약 2.7V로 낮아짐)
    • 파랑: 2.8V ~ 3.6V (데이터시트 기준, 실사용 시 약 2.7V로 낮아짐)
  • LED 밝기 단위 : mcd (밀리칸델라)
    • mcd는 특정 방향으로 얼마나 밝게 빛나는지를 나타내는 광도 단위이다.
    • 데이터시트 기준값 (KY-009 5050 RGB, 20mA 기준)
      • 빨강: 300 ~ 500 mcd
      • 초록: 500 ~ 700 mcd
      • 파랑: 200 ~ 400 mcd
    • 단, 데이터시트 mcd 값은 20mA 정격 전류 기준이므로, 이 실습(GPIO 내부 저항만 사용, 전류 다름)에서는 데이터시트 값을 그대로 적용할 수 없다.
    • 정확한 밝기(mcd)와 평균 전류의 비례 관계는 직접 실험으로 측정해야 한다.
      • 조도계 (lux meter) 준비
      • LED와 조도계 거리 고정
      • 듀티사이클 10% ~ 100% 단계별 변화
      • 각 단계별 조도 (lux) 측정
      • 평균 전류 vs 조도 그래프 작성

1. 순간 전류 (옴의 법칙):
   I = (V_supply − V_f) / R
2. 평균 전류 (옴의 법칙 × 듀티사이클) ∝ LED 밝기 :
   I_avg = I × 듀티사이클

※ 색상별 순간 전류 (3.3V 기준, R = 50Ω GPIO 내부 저항)

※ 초록/파랑은 데이터시트 기준 V_f가 3.2V이지만, LED는 비선형 소자이므로 전류가 낮아지면 실제 V_f도 함께 낮아진다. 3.3V GPIO 환경에서는 약 2.7V 수준에서 동작점이 형성되어 정상 발광한다.

※ Keyes CNT1 모듈은 전류 제한 저항이 내장되어 있지 않으므로, GPIO 내부 저항(약 50Ω)만으로 전류가 제한된다. 빨강의 경우 GPIO 핀 권장 전류(16mA)를 초과하므로, 정식 회로 설계 시에는 외부 저항(150Ω 권장) 추가를 권장한다.

※ 위 mcd 값은 20mA 정격 전류 기준이며, 실습 환경의 전류와 다르므로 실제 밝기는 데이터시트 값과 다를 수 있다. 정확한 밝기 측정이 필요한 경우 조도계를 이용한 직접 실험이 필요하다.

빨강 LED 기준 듀티사이클별 평균 전류 (I = 26mA)

• 다음 작은별 악보를 보고 부저 프로그램을 완성하여라.

import RPi.GPIO as GPIO
import time
# GPIO 설정
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
BUZZER_PIN = 27
GPIO.setup(BUZZER_PIN, GPIO.OUT)
# PWM 초기화
pwm = GPIO.PWM(BUZZER_PIN, 100)
pwm.start(0)
one_beat = 0.4 # 1박 = 0.4초  -> 60 / 0.4 = 150 BPM
# 음표 주파수 (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,
}
# 반짝반짝 작은별 멜로디 (one_beat 기준으로 구성)
melody = [
    ('C4', 1), ('C4', 1), ('G4', 1), ('G4', 1),
    ('A4', 1), ('A4', 1), ('G4', 2),
    ('F4', 1), ('F4', 1), ('E4', 1), ('E4', 1),
    ('D4', 1), ('D4', 1), ('C4', 2),
    ('G4', 1), ('G4', 1), ('F4', 1), ('F4', 1),
    ('E4', 1), ('E4', 1), ('D4', 2),
    ('G4', 1), ('G4', 1), ('F4', 1), ('F4', 1),
    ('E4', 1), ('E4', 1), ('D4', 2),
    ('C4', 1), ('C4', 1), ('G4', 1), ('G4', 1),
    ('A4', 1), ('A4', 1), ('G4', 2),
    ('F4', 1), ('F4', 1), ('E4', 1), ('E4', 1),
    ('D4', 1), ('D4', 1), ('C4', 2),
]
# 음 재생 함수
def play(note, beats):
    pwm.ChangeFrequency(notes[note])
    pwm.ChangeDutyCycle(50)
    time.sleep(one_beat * beats)
    pwm.ChangeDutyCycle(0)
    time.sleep(0.05)
# 연주 실행
try:
    print(f"{60/one_beat}bpm으로 연주합니다.")
    for note, beats in melody:
        play(note, beats)
finally:
    if pwm is not None:
        try:
            pwm.stop()
        except:
            pass
        del pwm
    GPIO.cleanup()

• 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()