單片機小白學步(22) IO口：蜂鳴器的使用/三極管的工作原理

這一篇繼續(xù)上一篇的內容，我們來做實驗四：按鍵控制有源蜂鳴器，按下按鍵蜂鳴器響，釋放按鍵不響。

蜂鳴器

實驗四之前簡單介紹下蜂鳴器。蜂鳴器有兩種，無源蜂鳴器和有源蜂鳴器，一般用于發(fā)出報警的聲音。聲音是由震動產生的，大家都見過喇叭，喇叭里面有磁鐵和線圈。給線圈通上不斷變化的電壓，在磁鐵產生的磁場中就會運動。于是和線圈固定在一起的振膜就會震動，于是就能聽見聲音了，而無源蜂鳴器和喇叭效果基本一樣。和無源蜂鳴器不同的是，有源蜂鳴器內部就有發(fā)聲電路，通上電壓合適的直流電就會發(fā)出叫聲。另外，有源蜂鳴器有正負極之分。圖中是常用的一種工作電壓為5V的有源蜂鳴器，正面標有加號的一側引腳為正極，如果器件是全新的沒有剪過引腳，正極引腳比負極長。

驅動電路

從上面的介紹來看，有源蜂鳴器和LED一樣，只要通電就能工作（如果沒有特殊說明，后面蜂鳴器就是指有源蜂鳴器）。但是為什么要單獨作為一個實驗呢？

前面我們說了，單片機IO口能通過的電流是有限的，過大的電流可能會燒壞管腳，或者不能正常工作。蜂鳴器和LED相比最主要的區(qū)別，就是蜂鳴器比LED需要的電流大很多，電壓一般也會高一些。

為了讓單片機驅動蜂鳴器，也就是控制蜂鳴器工作，我們需要使用一些特別的電路。不知道大家是否了解繼電器，繼電器的特點就是用小電流低電壓，控制大電流高電壓電路。但是一般的繼電器控制端需要的電流，對于單片機來說還是太大了，而且繼電器價格比較高，能控制很大的電流，用在這里大材小用了。而這里我們要用的器件是三極管。

三極管基本介紹

三極管的作用主要是放大電流。和名字一樣，三極管有三個管腳：發(fā)射極、基極、集電極，分別簡寫為E、B、C。有兩種類型，PNP型和NPN型，兩種類型的三極管工作時電流方向恰好相反，電路符號也不相同，如圖所示。發(fā)射極上的箭頭正是表示工作時電流方向的。

三極管有很多參數(shù)，實際的三極管也有很多種，封裝也各種各樣。下圖是常見的TO-92封裝的直插式小功率三極管。注意，這種外形只是封裝，并不是三極管專用，也有其他器件會用這樣的封裝，具體要看上面標示的器件型號，例如圖中的S9012表示它是9012三極管。像圖中一樣管腳朝下放置，半圓柱的平面正對自己，從左往右三個管腳分別是E、B、C。

三極管作為電子開關使用

三極管有三種工作狀態(tài)，截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。在放大區(qū)，可以放大電信號，我們用的擴音器等設備就可以通過三極管實現(xiàn)。在單片機中我們主要利用三極管的截止區(qū)和飽和區(qū)，作電子開關使用，常用下面這樣的電路圖。

左圖和右圖分別是NPN、PNP型三極管的電路圖。R1、S1和R2、S2相當于單片機IO口，三極管集電極接蜂鳴器。NPN型電路控制蜂鳴器高電平有效，即IO口輸出高電平的時候，蜂鳴器就會響。PNP型反之。為了方便觀察，我接的是LED，和蜂鳴器是一樣的道理，可以看到圖中LED就點亮了。注意三極管的管腳位置不可接反，要驅動的負載即圖中的LED也不能接反。

常用PNP三極管有9012、8550等，NPN三極管有9013，8050等。

三極管的原理和很詳細的工作情況分析，需要不少的計算過程，有興趣的讀者可以查看模擬電路相關的書籍資料。文章末尾也會簡單分析三極管工作機制，有興趣的同學可以看看。如果覺得難以理解，學習單片機過程中，可以不做深入研究。

電路設計

程序的實現(xiàn)和點亮LED差不多，不過要看你的電路確定是高電平還是低電平有效。按照前面的三極管電路，我們可以用9012實現(xiàn)蜂鳴器驅動電路，低電平有效，電路圖如下，注意蜂鳴器的正負極不能接反。

圖中P1.0上接的LED還放在那（當然也可以去掉），P2.0上接了按鍵開關，P2.1上連接了三極管驅動的蜂鳴器。

我用面包板搭建的電路。

備注：三極管在這里起到開關的狀態(tài)，建議優(yōu)先考慮使用PNP型三極管電路。因為三極管的作用是放大電流，對于同一個三極管而言，如果要輸出更大的電流，一般就要在基極輸入更大電流。而使用PNP型電路時，IO口輸出低電平有效，對于單片機來說是灌電流，此時基極能提供的電流更大，從而提供更大電流以驅動蜂鳴器。我在實際測試時，如果使用NPN型三極管9013，可以驅動LED，但不足以驅動蜂鳴器，除非自己給IO口再外接一個上拉電阻。

程序實現(xiàn)

首先是定義LED、按鍵、蜂鳴器三個IO口

sbit LED = P1^0;

sbit KEY = P2^0;

sbit BUZZER = P2^1;

然后先設置KEY=1，然后在主循環(huán)中處理即可。這里我用的是PNP驅動，蜂鳴器和LED一樣，是低電平有效。

void main()

{

KEY = 1;

while(1) {

LED = KEY;

BUZZER = KEY;

}

}

搭建完電路并燒寫好程序，按下按鍵，LED會被點亮，同時蜂鳴器就能發(fā)出聲音了。

三極管工作機制簡要分析

三極管的特性分析比較復雜，這里我通過仿真進行簡單介紹，三極管的原理和更多的深入知識，可以查閱相關模擬電路書籍。下圖是我用Multisim軟件仿真的電路（如果有興趣自己仿真，請自行安裝學習Multisim軟件）。

圖中左邊的VCC通過可調電阻Rp分壓，接到三極管基極，右邊VCC通過一個電阻接到三極管集電極，三極管發(fā)射極接地。兩個綠色箭頭是Multisim中的探針，可以在黃色的框中顯示導線上通過的電流大小，以及導線上的電壓（也就是相對于GND的電壓）。

我們把這個電路看成兩個電流通路，分別是由紫色和橙色箭頭標注。調節(jié)Rp到合適的位置，就會有電流通過基極，大小為Ib，也就是紫色通路的電流。由于三極管的特性，Ic即橙色通路的電流也會根據(jù)Ib而變化。從圖中也可以看出來，左右兩個探針顯示的直流電流I(dc)分別為1.71nA和172nA（即Ib和Ic）。

如果調節(jié)Rp，如圖Ib=3.33uA，此時Ic=333uA。多調整幾次并觀察結果，可以發(fā)現(xiàn)在一定范圍內，始終近似有Ic=100*Ib（在模擬電路中，常直接用等號代表約等于，誤差在所難免）。這正是三極管的放大特性。如果在基極接的是話筒，在集電極接喇叭，就可以放大聲音信號了。當然實際電路還需要添加一些器件。而這里的100就是圖中三極管的放大倍率，是三極管很重要的一個參數(shù)（所謂參數(shù)，就像電阻的阻值一樣的道理）。

如果調節(jié)Rp，使基極電流Ib很大，例如圖中Ib=1mA，此時Ic只有4.95mA，而不是100mA，不滿足前面的條件了。前面說的是在一定范圍內，Ic=100*Ib，也就是兩者成正比，叫做三極管的線性區(qū)，也叫放大區(qū)。而如果基極和發(fā)射極之間電壓太大，超過一定范圍，就進入了三極管的飽和區(qū)，Ic的值比較大；反之，如果電壓太小就會進入截止區(qū)，在截止區(qū)，Ic很小，幾乎為0。正是利用這個特性，我們可以把單片機IO口接在基極，而在三極管集電極連接蜂鳴器，從而進行控制。

備注1：仿真電路有很大的局限性，只能在一定程度上模擬實際電路。實際電路很復雜，例如導線有電阻，但是仿真軟件的設計很難考慮這么多因素，還有一些目前仍然未知的問題也不能考慮到。所以仿真結果只能作為參考。例如上面這個電路，我發(fā)現(xiàn)即使不斷調節(jié)Rp，讓滑片直接移動到5V的那一端，基極電壓卻仍然沒有達到5V，和實際電路中并不相符。

備注2：前面說單片機IO口使用了電子開關，就類似于上面的三極管電路，不過單片機中實際用的一般是MOS管。

備注3：為了讓三極管工作在放大區(qū)，常常使用電阻使基極和發(fā)射極之間電壓保持在一定的范圍內。這個過程叫做靜態(tài)工作點的設置。設置好靜態(tài)工作點，然后在其上疊加需要放大的幅度較小的交流信號（如果直接加交流信號，不會工作在放大區(qū)）。

備注4：三極管作為電子開關時，雖然不工作在放大區(qū)，但是仍然起到了電流放大的作用，只是不滿足線性區(qū)的放大倍數(shù)關系。上圖中的Rp如果換成一個固定電阻和一個阻值隨溫度變化的熱敏電阻，三極管放大倍數(shù)足夠大的情況下，就可以做成熱敏開關，可以根據(jù)溫度控制LED的開關，而電子開關也因此得名。

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