單片機小白學步(22) IO口:蜂鳴器的使用/三極體的工作原理

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這一篇繼續上一篇的內容，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。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201611/318511.htm

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，一般用於發出報警的聲音。聲音是由震動產生的，大家都見過喇叭，喇叭裡面有磁鐵和線圈。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。於是和線圈固定在一起的振膜就會震動，於是就能聽見聲音了，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聲電路，通上電壓合適的直流電就會發出叫聲。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，後面蜂鳴器就是指有源蜂鳴器）。但是為什麼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，對於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，用在這裡大材小用了。而這裡我們要用的器件是三極體。

三極體基本介紹

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

三極體有很多參數，實際的三極體也有很多種，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體。注意，這種外形只是封裝，並不是三極體專用，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9012三極體。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。

三極體作為電子開關使用

三極體有三種工作狀態，截止區、放大區、飽和區。在放大區，可以放大電信號，我們用的擴音器等設備就可以通過三極體實現。在單片機中我們主要利用三極體的截止區和飽和區，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型三極體的電路圖。R1、S1和R2、S2相當於單片機IO口，三極體集電極接蜂鳴器。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。注意三極體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三極體有9012、8550等，NPN三極體有9013，8050等。

三極體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體工作機制，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。按照前面的三極體電路，我們可以用9012實現蜂鳴器驅動電路，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上連接了三極體驅動的蜂鳴器。

我用麵包板搭建的電路。

備註：三極體在這裡起到開關的狀態，建議優先考慮使用PNP型三極體電路。因為三極體的作用是放大電流，對於同一個三極體而言，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，對於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型三極體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

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;

然後先設置KEY=1，然後在主循環中處理即可。這裡我用的是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;

}

}

搭建完電路並燒寫好程序，按下按鍵，LED會被點亮，同時蜂鳴器就能發出聲音了。

三極體工作機制簡要分析

三極體的特性分析比較複雜，這裡我通過仿真進行簡單介紹，三極體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軟體仿真的電路（如果有興趣自己仿真，請自行安裝學習Multisim軟體）。

圖中左邊的VCC通過可調電阻Rp分壓，接到三極體基極，右邊VCC通過一個電阻接到三極體集電極，三極體發射極接地。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（也就是相對於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註。調節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。由於三極體的特性，Ic即橙色通路的電流也會根據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Rp，如圖Ib=3.33uA，此時Ic=333uA。多調整幾次並觀察結果，可以發現在一定範圍內，始終近似有Ic=100*Ib（在模擬電路中，常直接用等號代表約等於，誤差在所難免）。這正是三極體的放大特性。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。而這裡的100就是圖中三極體的放大倍率，是三極體很重要的一個參數（所謂參數，就像電阻的阻值一樣的道理）。

如果調節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。前面說的是在一定範圍內，Ic=100*Ib，也就是兩者成正比，叫做三極體的線性區，也叫放大區。而如果基極和發射極之間電壓太大，超過一定範圍，就進入了三極體的飽和區，Ic的值比較大；反之，如果電壓太小就會進入截止區，在截止區，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，而在三極體集電極連接蜂鳴器，從而進行控制。

備註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。實際電路很複雜，例如導線有電阻，但是仿真軟體的設計很難考慮這麼多因素，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，我發現即使不斷調節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，和實際電路中並不相符。

備註2：前面說單片機IO口使用了電子開關，就類似於上面的三極體電路，不過單片機中實際用的一般是MOS管。

備註3：為了讓三極體工作在放大區，常常使用電阻使基極和發射極之間電壓保持在一定的範圍內。這個過程叫做靜態工作點的設置。設置好靜態工作點，然後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）。

備註4：三極體作為電子開關時，雖然不工作在放大區，但是仍然起到了電流放大的作用，只是不滿足線性區的放大倍數關係。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，三極體放大倍數足夠大的情況下，就可以做成熱敏開關，可以根據溫度控制LED的開關，而電子開關也因此得名。

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