单片机小白学步(22) IO口：蜂鸣器的使用/三极管的工作原理

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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