您的浏览器不支持CSS3,建议使用Firfox、Chrome等浏览器,以取得最佳显示效果

单片机小白学步(22) IO口:蜂鸣器的使用/三极管的工作原理

单片机小白学步 1,461℃ 0 3年前 (2014-11-18)

2014-11-22更新:感谢Ireland同学的提醒,修改了PNP型三极管驱动电路,蜂鸣器从三极管的发射极改到了集电极,这样效果会更好,电路也更合理。同时增加了备注4。

======================================

这一篇继续上一篇的内容,我们来做实验四:按键控制有源蜂鸣器,按下按键蜂鸣器响,释放按键不响。

蜂鸣器

实验四之前简单介绍下蜂鸣器。蜂鸣器有两种,无源蜂鸣器和有源蜂鸣器,一般用于发出报警的声音。声音是由震动产生的,大家都见过喇叭,喇叭里面有磁铁和线圈。给线圈通上不断变化的电压,在磁铁产生的磁场中就会运动。于是和线圈固定在一起的振膜就会震动,于是就能听见声音了,而无源蜂鸣器和喇叭效果基本一样。和无源蜂鸣器不同的是,有源蜂鸣器内部就有发声电路,通上电压合适的直流电就会发出叫声。另外,有源蜂鸣器有正负极之分。图中是常用的一种工作电压为5V的有源蜂鸣器,正面标有加号的一侧引脚为正极,如果器件是全新的没有剪过引脚,正极引脚比负极长。

IMG_2291_1.jpg
IMG_2295_1.jpg

驱动电路

从上面的介绍来看,有源蜂鸣器和LED一样,只要通电就能工作(如果没有特殊说明,后面蜂鸣器就是指有源蜂鸣器)。但是为什么要单独作为一个实验呢?

前面我们说了,单片机IO口能通过的电流是有限的,过大的电流可能会烧坏管脚,或者不能正常工作。蜂鸣器和LED相比最主要的区别,就是蜂鸣器比LED需要的电流大很多,电压一般也会高一些。

为了让单片机驱动蜂鸣器,也就是控制蜂鸣器工作,我们需要使用一些特别的电路。不知道大家是否了解继电器,继电器的特点就是用小电流低电压,控制大电流高电压电路。但是一般的继电器控制端需要的电流,对于单片机来说还是太大了,而且继电器价格比较高,能控制很大的电流,用在这里大材小用了。而这里我们要用的器件是三极管。

三极管基本介绍

三极管的作用主要是放大电流。和名字一样,三极管有三个管脚:发射极、基极、集电极,分别简写为E、B、C。有两种类型,PNP型和NPN型,两种类型的三极管工作时电流方向恰好相反,电路符号也不相同,如图所示。发射极上的箭头正是表示工作时电流方向的。

三极管有很多参数,实际的三极管也有很多种,封装也各种各样。下图是常见的TO-92封装的直插式小功率三极管。注意,这种外形只是封装,并不是三极管专用,也有其他器件会用这样的封装,具体要看上面标示的器件型号,例如图中的S9012表示它是9012三极管。像图中一样管脚朝下放置,半圆柱的平面正对自己,从左往右三个管脚分别是E、B、C。

IMG_2296_1.jpg

三极管作为电子开关使用

三极管有三种工作状态,截止区、放大区、饱和区。在放大区,可以放大电信号,我们用的扩音器等设备就可以通过三极管实现。在单片机中我们主要利用三极管的截止区和饱和区,作电子开关使用,常用下面这样的电路图。

2078bdd8-d0b9-43e1-adc5-ed3a89b4367e

左图和右图分别是NPN、PNP型三极管的电路图。R1、S1和R2、S2相当于单片机IO口,三极管集电极接蜂鸣器。NPN型电路控制蜂鸣器高电平有效,即IO口输出高电平的时候,蜂鸣器就会响。PNP型反之。为了方便观察,我接的是LED,和蜂鸣器是一样的道理,可以看到图中LED就点亮了。注意三极管的管脚位置不可接反,要驱动的负载即图中的LED也不能接反。

常用PNP三极管有9012、8550等,NPN三极管有9013,8050等。

三极管的原理和很详细的工作情况分析,需要不少的计算过程,有兴趣的读者可以查看模拟电路相关的书籍资料。文章末尾也会简单分析三极管工作机制,有兴趣的同学可以看看。如果觉得难以理解,学习单片机过程中,可以不做深入研究。

电路设计

程序的实现和点亮LED差不多,不过要看你的电路确定是高电平还是低电平有效。按照前面的三极管电路,我们可以用9012实现蜂鸣器驱动电路,低电平有效,电路图如下,注意蜂鸣器的正负极不能接反。

bbd49924-47b1-4ec4-9ba4-3831adecd804

图中P1.0上接的LED还放在那(当然也可以去掉),P2.0上接了按键开关,P2.1上连接了三极管驱动的蜂鸣器。

我用面包板搭建的电路。

12cbb9b4-a87c-4ad2-8601-58b9fd2ba540

备注:三极管在这里起到开关的状态,建议优先考虑使用PNP型三极管电路。因为三极管的作用是放大电流,对于同一个三极管而言,如果要输出更大的电流,一般就要在基极输入更大电流。而使用PNP型电路时,IO口输出低电平有效,对于单片机来说是灌电流,此时基极能提供的电流更大,从而提供更大电流以驱动蜂鸣器。我在实际测试时,如果使用NPN型三极管9013,可以驱动LED,但不足以驱动蜂鸣器,除非自己给IO口再外接一个上拉电阻。

程序实现

首先是定义LED、按键、蜂鸣器三个IO口

sbit LED = P1^0;

sbit KEY = P2^0;

sbit BUZZER = P2^1;

然后先设置KEY=1,然后在主循环中处理即可。这里我用的是PNP驱动,蜂鸣器和LED一样,是低电平有效。

void main()

{

    KEY = 1;

    while(1) {

        LED = KEY;

        BUZZER = KEY;

    }

}

搭建完电路并烧写好程序,按下按键,LED会被点亮,同时蜂鸣器就能发出声音了。

三极管工作机制简要分析

三极管的特性分析比较复杂,这里我通过仿真进行简单介绍,三极管的原理和更多的深入知识,可以查阅相关模拟电路书籍。下图是我用Multisim软件仿真的电路(如果有兴趣自己仿真,请自行安装学习Multisim软件)。

图中左边的VCC通过可调电阻Rp分压,接到三极管基极,右边VCC通过一个电阻接到三极管集电极,三极管发射极接地。两个绿色箭头是Multisim中的探针,可以在黄色的框中显示导线上通过的电流大小,以及导线上的电压(也就是相对于GND的电压)。

我们把这个电路看成两个电流通路,分别是由紫色和橙色箭头标注。调节Rp到合适的位置,就会有电流通过基极,大小为Ib,也就是紫色通路的电流。由于三极管的特性,Ic即橙色通路的电流也会根据Ib而变化。从图中也可以看出来,左右两个探针显示的直流电流I(dc)分别为1.71nA和172nA(即Ib和Ic)。

1.png

如果调节Rp,如图Ib=3.33uA,此时Ic=333uA。多调整几次并观察结果,可以发现在一定范围内,始终近似有Ic=100*Ib(在模拟电路中,常直接用等号代表约等于,误差在所难免)。这正是三极管的放大特性。如果在基极接的是话筒,在集电极接喇叭,就可以放大声音信号了。当然实际电路还需要添加一些器件。而这里的100就是图中三极管的放大倍率,是三极管很重要的一个参数(所谓参数,就像电阻的阻值一样的道理)。

如果调节Rp,使基极电流Ib很大,例如图中Ib=1mA,此时Ic只有4.95mA,而不是100mA,不满足前面的条件了。前面说的是在一定范围内,Ic=100*Ib,也就是两者成正比,叫做三极管的线性区,也叫放大区。而如果基极和发射极之间电压太大,超过一定范围,就进入了三极管的饱和区,Ic的值比较大;反之,如果电压太小就会进入截止区,在截止区,Ic很小,几乎为0。正是利用这个特性,我们可以把单片机IO口接在基极,而在三极管集电极连接蜂鸣器,从而进行控制。

备注1:仿真电路有很大的局限性,只能在一定程度上模拟实际电路。实际电路很复杂,例如导线有电阻,但是仿真软件的设计很难考虑这么多因素,还有一些目前仍然未知的问题也不能考虑到。所以仿真结果只能作为参考。例如上面这个电路,我发现即使不断调节Rp,让滑片直接移动到5V的那一端,基极电压却仍然没有达到5V,和实际电路中并不相符。

备注2:前面说单片机IO口使用了电子开关,就类似于上面的三极管电路,不过单片机中实际用的一般是MOS管。

备注3:为了让三极管工作在放大区,常常使用电阻使基极和发射极之间电压保持在一定的范围内。这个过程叫做静态工作点的设置。设置好静态工作点,然后在其上叠加需要放大的幅度较小的交流信号(如果直接加交流信号,不会工作在放大区)。

备注4:三极管作为电子开关时,虽然不工作在放大区,但是仍然起到了电流放大的作用,只是不满足线性区的放大倍数关系。上图中的Rp如果换成一个固定电阻和一个阻值随温度变化的热敏电阻,三极管放大倍数足够大的情况下,就可以做成热敏开关,可以根据温度控制LED的开关,而电子开关也因此得名。

=======================================================

《单片机小白学步》系列教程(原名《单片机入门指南》)介绍

本系列教程从最基本的入门知识开始,逐步深入介绍单片机系统设计,内容包括:
1、入门篇:单片机等基本概念、各种电子设计基本知识
2、思想篇:单片机/计算机系统设计的工程思想
3、学习篇:单片机学习过程、方法和技巧,以51单片机为例介绍,并推广到其他单片机
4、应用篇:遵循规范的工程方法,设计单片机系统实例(计划设计的系统有:计算器、电子表、密码锁、简易手机,具体看有没有时间再确定)
5、原理篇:从模拟电路、数字电路开始,逐步深入介绍单片机/计算机系统原理,并自行设计简易的CPU(由于个人水平有限,这部分没有把握写好,具体内容视情况而定)

教程特点

1、技术知识点全面,从入门到精通

包含了各种基本知识,尤其是对单片机基本概念的介绍、为什么要用单片机等,在很多同类书籍教程中都被忽略了。同时也包含了一些深入的知识,包括原理篇考虑对单片机的基本原理进行介绍,有助于深入理解单片机。

本系列教程以51单片机为例进行介绍。通过51介绍完单片机的基本知识,我会再把430进行简要介绍,尤其是对比两者之间的优缺点,让大家很快感受到430的巨大优势,而学习51正好为快速了解430打下了坚实的基础。

2、除了单片机知识,还有思想、方法、技巧的介绍

本系列教程中,介绍单片机各种模块编程知识的主要是学习篇,而学习篇只是整个教程的一部分。在学习篇中我会贯穿各种方法技巧,如何理解一些模块功能,怎么看时序图,严格遵守工程思想进行编程,程序发生了错误怎么调试等等。而在思想篇中会总体介绍很多重要的思想,为后面的学习做好准备工作。

3、知识先后顺序的设计

单片机学习过程中,涉及大量的知识,而且很多知识之间相互依赖,关联很强。

本系列教程对知识的先后顺序进行比较明确的规划,尽最大可能符合人的认知过程。但是实际规划时发现,无论怎么调整知识的顺序,总有一些知识之间相互依赖,关系复杂。例如开始讲IO口的时候肯定会提到寄存器,而寄存器这个词的理解,需要深厚的背景知识。但是这些背景知识在没有进行实践的时候也很难理解。

初学者常常就会在这样的地方感觉疑惑不解,不知所措。而每次遇到类似这样的知识,我会向初学者指出,应该如何对待。这个知识是应该自己去学习补充,还是等到学完原理篇再做理解,而现在又应该怎么去看待这个名词。

另外,在整个教程的学习前,需要掌握一定的C语言等基础知识,具体可参考教程第〇篇《序》中的相关说明
http://www.paincker.com/mcu-primer-0

4、语言通俗易懂

本系列教程力求语言通俗易懂,而不会用一堆新手不懂的词语去解释另一个不懂的词语。但是受限于个人语言表达能力,可能有些地方表述的比较繁琐,或者不清楚,希望大家能够帮忙指出。

《单片机小白学步》交流群

欢迎单片机爱好者加入《单片机小白学步》交流群。此群目标:

1、较高质量的单片机等技术的学习交流群
2、为《单片机小白学步》读者及时提供更新通知
3、结交爱好思考学习,对技术感兴趣,志同道合的朋友

加群原则是宁可少加人,也要保证质量(不懂技术没关系,关键是有一颗不怕困难、热爱学习的心)。有空的时候我会重点在里面回答一些技术问题。也鼓励大家相互讨论和促进~群里主要话题为单片机相关,但是也可以讨论各种想法等内容,爱学习爱思考的也可以加。群号:124083011,请正确回答问题后进入,也希望帮忙推荐周围合适的人加群。

其他问题

如果觉得我写的对你有帮助,欢迎多多反馈,包括写的不正确、不合理、不太明白都可以指出来,这样方便我对其进行完善。

更多可参见:《如何以学习单片机为契机,逐步成为优秀的工程师》
http://www.paincker.com/mcu-engineer

本系列教程首发于我的个人主页,欢迎访问(由于是国外服务器,速度稍微有点慢):
http://www.paincker.com/category/hacker/mcu-primer

同时会将其转发到CSDN、电子发烧友等站点,欢迎关注。
CSDN专栏网址 http://blog.csdn.net/column/details/mcu-introduction.html
电子发烧友论坛 http://bbs.elecfans.com/zhuti_mcu_1.html

如果觉得我的文章对您有用,请随意打赏。您的支持将鼓励我继续创作!

0

暂无评论

评论前:需填写以下信息,或 登录

用户登录

忘记密码?