第04章Arduino常用器件原理

第4章Arduino常用器件原理本章內(nèi)容：色環(huán)電阻阻值的識別光敏電阻的工作原理蜂鳴器的基本原理及使用二極管、三極管的基本原理及作用

數(shù)碼管的工作原理LCD1602y液晶顯示器的工作原理

4.1色環(huán)電阻阻值的識別

電阻的種類按材料分，有碳膜電阻、水泥電阻、金屬膜電阻和線繞電阻等不同類型；按功率分有1/16W、1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W電阻……最常見的就是色環(huán)碳膜電阻如圖1所示1.電阻(a)四環(huán)電阻(b)五環(huán)電阻圖1色環(huán)電阻圖色環(huán)電阻的基本單位有：歐姆(Ω)、千歐(KΩ)、兆歐(MΩ)。2.色環(huán)電阻阻值的識別

其中四環(huán)電阻前二環(huán)為數(shù)字，第三環(huán)表示阻值倍乘的數(shù)，最后一環(huán)為誤差；五環(huán)電阻前三環(huán)為數(shù)字，第四環(huán)表示阻值倍乘的數(shù)，最后一環(huán)為誤差。

誤差通常也是金、銀和棕三種顏色，金的誤差為5%，銀的誤差為10%，棕色的誤差為1%，無色的誤差為20%，另外偶爾還有以綠色代表誤差的，綠色的誤差為0.5%。圖2色環(huán)電阻識別原理圖阻值1KΩ誤差10%1MΩ2.74KΩ1KΩ560KΩ

4.2光敏電阻的工作原理

光敏電阻又稱光導(dǎo)管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長的光照下，其阻值迅速減小的特性。1.光敏電阻

光敏電阻的工作原理基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料的兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻，為了增加靈敏度2.光敏電阻工作原理圖3光敏電阻實(shí)物圖，兩電極常做成梳狀。在有光照射時(shí)，射入的光強(qiáng)，電阻減小，射入的光弱，電阻增大。光敏電阻實(shí)物圖如圖3所示。

4.3蜂鳴器的工作原理

圖4所示，為蜂鳴器的實(shí)物圖。小型蜂鳴器因其體積小(直徑只有6mm)、重量輕、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)牢靠，而廣泛地應(yīng)用在各種需要發(fā)聲的電器設(shè)備、電子制作和單片機(jī)等電路中。1.蜂鳴器圖4蜂鳴器實(shí)物圖蜂鳴器一般分為有源和無源兩種，如圖5所示。2.有源無源蜂鳴器(a)有源蜂鳴器(b)無源蜂鳴器圖5有源/無源蜂鳴器

從外觀上看，兩種蜂鳴器好像一樣，如果將蜂鳴器引腳朝上時(shí)，可以看到，有綠色電路板的是一種無源蜂鳴器，沒有電路板而使用黑膠密封的是一種有源蜂鳴器。從外觀上并不能絕對的區(qū)分出有源與無源，最可靠的做法除了查看產(chǎn)品的參數(shù)手冊以外，還有就是使用萬用表測試蜂鳴器電阻，只有8Ω或者16Ω的是無源蜂鳴器，電阻在幾百歐以上的是有源蜂鳴器。

有源蜂鳴器直接接上額定電源（新的蜂鳴器在標(biāo)簽上都有注明）就可以連續(xù)發(fā)聲，而無源蜂鳴器則和電磁揚(yáng)聲器一樣，需要接在音頻輸出電路中才能發(fā)聲。實(shí)踐操作1：參考圖6所示電路原理圖，當(dāng)正常環(huán)境光線時(shí)，蜂鳴器不發(fā)聲，當(dāng)用手遮住光敏電阻時(shí)，蜂鳴器鳴叫。圖6光敏電阻/蜂鳴器實(shí)驗(yàn)連接圖參考代碼：intphotocellPin=2;//定義變量photocellsh=2，為電壓讀取端口。intbuzzer=12;//定義變量ledPin=12，為led電平輸出端口intval=0;//定義val變量的起始值voidsetup(){

pinMode(buzzer,OUTPUT);

//使ledPin為輸出模式}voidloop(){val=analogRead(photocellPin);

//從傳感器讀取值if(val<=512)//512=2.5V{

//想讓傳感器敏感一些的時(shí)候，把數(shù)值調(diào)高

//想讓傳感器遲鈍的時(shí)候把數(shù)值調(diào)低。buzzer(100);//digitalWrite(buzzer,HIGH);//當(dāng)val小于512(2.5V)的時(shí)候，led亮。

}else{digitalWrite(buzzer,LOW);}}voidbuzzer(intn){

for(i=0;i<n;i++)//輸出一個(gè)頻率的聲音

{digitalWrite(buzzer,HIGH);

//發(fā)聲音delay(1);

//延時(shí)1msdigitalWrite(buzzer,LOW);

//不發(fā)聲音delay(1);

//延時(shí)ms}}

4.4晶體管的工作原理

二極管(diode)是一種半導(dǎo)體電子元件，由一種叫PN結(jié)的半導(dǎo)體制成，從P型半導(dǎo)體中引出導(dǎo)線叫正極，從N型半導(dǎo)體中引出導(dǎo)線叫負(fù)極。二極管的一個(gè)實(shí)物圖如圖7所示，二極管的電路符號如圖8所示。1.二極管圖7二極管實(shí)物圖圖8二極管電路符號

二極管具有正向?qū)ǎ聪蚪刂沟奶攸c(diǎn)。二極管的正向電阻很小，一般在幾歐姆至幾百歐姆，甚至更小，反向電阻很大，一般在幾十千歐姆至幾十兆歐姆。2.二極管的特性圖9二極管伏安特性曲線二極管伏安特性曲線加在PN結(jié)兩端的電壓和流過二極管的電流之間的關(guān)系曲線稱為伏安特性曲線。二極管的伏安特性如圖9所示。由二極管伏安特性曲線知，對二極管施加正向偏置電壓時(shí)，則二極管中就有正向電流通過，隨著正向偏置電壓的增加，開始時(shí)，電流隨電壓變化很緩慢，而當(dāng)正向偏置電壓增至接近二極管導(dǎo)通電壓時(shí)(鍺管為0.3V左右，硅管為0.7V左右)，電流急劇增加，二極管導(dǎo)通后，電壓的少許變化，電流的變化都很大。對二極管施加反向偏置電壓時(shí)，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，其反向電壓增加至該二極管的擊穿電壓時(shí)，電流猛增，二極管被擊穿，在二極管使用中應(yīng)竭力避免出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，這很容易造成二極管的永久性損壞。發(fā)光二極管也是由一個(gè)PN結(jié)構(gòu)成，具有單向?qū)щ娦?。但其正向工作電?開啟電壓)比普通二極管高，約為1～2.5V，反向擊穿電壓比普通二極管低，約5V左右。當(dāng)正向電流達(dá)到1mA左右時(shí)開始發(fā)光，發(fā)光強(qiáng)度近似與工作電流成正比；但工作電流達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，發(fā)光強(qiáng)度逐漸趨于飽和，與工作電流成非線性關(guān)系。一般小型發(fā)光二極管正向工作電流為10～20mA，最大正向工作電流為30～50mA。3.發(fā)光二極管

發(fā)光二極管的實(shí)物圖如圖10所示，電路符號如圖11所示。圖10發(fā)光二極管實(shí)物圖圖11發(fā)光二極管電路符號實(shí)際用到的LED從網(wǎng)上查找資料得知，其工作電壓一般為1.5-2.0V，工作電流一般為10-20ma，反向擊穿電壓為5V?？刂瓢暹壿嬰娐饭╇姙?V。根據(jù)以上參數(shù)假設(shè)LED工作電壓選用1.7，工作電流選用15ma，限流電阻=(總電壓-LED電壓)/電流，所以限流電阻=（5-1.7）/0.015=220Ω。4.限流電阻的計(jì)算

4.5三極管的基本原理三極管(Triode

)，全稱應(yīng)為半導(dǎo)體三極管，是一種電流控制電流的半導(dǎo)體器件。其作用是把微弱信號放大成幅值較大的電信號，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。1.三極管

晶體三極管按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種材料又有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)形式，但使用最多的是硅材料三極管。有三個(gè)極，分別叫做集電極C，基極B，發(fā)射極E，三極管的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號如圖12所示。(a)NPN型三極管圖12三極管結(jié)構(gòu)原理圖(b)PNP型三極管三極管的伏安特性曲線可全面反映各電極的電壓和電流之間的關(guān)系，這些特性曲線實(shí)際上就是ＰＮ結(jié)性能的外部表現(xiàn)。從使用的角度來看，可把三2.三極管的伏安特性極管當(dāng)做一個(gè)非線性電阻來研究它的伏安特性，而不必涉及它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其中最常用的是輸入輸出特性。利用圖13所示的電路即可測試三極管的特性圖13三極管伏安特性測量原理圖按照圖13的電路測量而形成的三極管輸入電壓(V1)與輸入電流(uA)形成三極管的輸入特性，輸出電壓(V2)與輸入電流(mA)形成三極管的輸出特性。(a)三極管輸入特性曲線圖14三極管I/O特性曲線(b三極管輸出特性曲線由輸出特性曲線可見，可將該圖分為三個(gè)區(qū)：

(1)放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，此時(shí)有當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓，并處于某一恰當(dāng)?shù)闹禃r(shí)，三極管的發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置，這時(shí)基極電流對集電極電流起著控制作用，使三極管具有電流放大作用，其電流放大倍數(shù)β＝ΔIc/ΔIb，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。

(2)截止區(qū)：Ube<死區(qū)電壓，IB=0，IC≈0

當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓小于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓，基極電流為零，集電極電流和發(fā)射極電流都為零，三極管這時(shí)失去了電流放大作用，集電極和發(fā)射極之間相當(dāng)于開關(guān)的斷開狀態(tài)，我們稱三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。

(3)飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏，此時(shí)有當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓，并當(dāng)基極電流增大到一定程度時(shí)，集電極電流不再隨著基極電流的增大而增大，而是處于某一定值附近不怎么變化，這時(shí)三極管失去電流放大作用，集電極與發(fā)射極之間的電壓很小，集電極和發(fā)射極之間相當(dāng)于開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)。三極管的這種狀態(tài)我們稱之為飽和導(dǎo)通狀態(tài)。實(shí)踐操作2：參考圖15所示電路原理圖，估算限流電阻的大小，編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字跑馬燈的功能。圖15光敏電阻/蜂鳴器實(shí)驗(yàn)連接圖參考代碼：intBASE=2;intNUM=6;intindex=0;voidsetup(){

for(inti=BASE+NUM;i<BASE;i++)

{

pinMode(i,OUTPUT);}}voidloop(){

for(inti=BASE;i<BASE+NUM;i++)

{

digitalWrite(i,LOW);}

digitalWrite(BASE+index,HIGH);index=(index+1)%NUM;delay(100);}實(shí)踐操作3：參考圖16所示電路原理圖，連接各器件，編程實(shí)現(xiàn)六燈閃爍的功能。圖16六燈閃爍實(shí)驗(yàn)連線圖參考代碼：//設(shè)置Led的數(shù)字IO引腳intLed1=1;intLed2=2;intLed3=3;intLed4=4;intLed5=5;intLed6=6;//Led燈的花樣顯示示例1程序voidstyle_1(void){unsignedcharj;for(j=1;j<=6;j++)

{

digitalWrite(j,HIGH);delay(200);}for(j=6;j>=1;j--)

{

digitalWrite(j,LOW);delay(200);}}

4.6數(shù)碼管的基本原理數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。常見的數(shù)碼管為八段數(shù)碼管，分別代表數(shù)碼管上數(shù)字組成的七段和右下角的一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，一位數(shù)碼管的原理圖如圖17所示。發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽數(shù)碼管和共陰數(shù)碼管。1.一位數(shù)碼管顯示原理圖17一位數(shù)碼管原理圖本次實(shí)驗(yàn)采用數(shù)碼管型號為SM4105W8U3，為一個(gè)共陽極的數(shù)碼管，引腳圖如圖17所示。2.一位數(shù)碼管SM4105W8U3圖17SM4105W8U3一位數(shù)碼管引腳圖voidsetup(){unsignedchari;for(i=1;i<=6;i++)pinMode(i,OUTPUT);}voidloop(){style_1();}

四位數(shù)碼管同一位數(shù)碼管一樣也分共陰和共陽兩類。圖18即為一個(gè)共陽四位數(shù)碼管示意圖，有12個(gè)引腳，分別對應(yīng)每位一位數(shù)碼管的公共陽極，和與每一位數(shù)碼管陰極(a,b,c,d,e,f,g,dp)相連的8個(gè)引腳3.四位數(shù)碼管顯示原理圖18四位共陽數(shù)碼管引腳圖

4位數(shù)碼管總共有12個(gè)引腳，小數(shù)點(diǎn)朝下正放在面前時(shí)，左下角為1，其他管腳順序?yàn)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)。左上角為最大的12號管腳，如圖19所示。圖19四位共陽數(shù)碼管引腳位置指示圖４位數(shù)碼管內(nèi)部連接原理圖，如圖20所示。

驅(qū)動數(shù)碼管限流電阻有兩種接法，一種是在d1-d4陽極接４個(gè)電阻。這種接法好處是需求電阻比較少，但是會產(chǎn)生每一位上顯示不同數(shù)字亮度會不一樣。另外一種接法就是在其它８個(gè)引腳上接，這種接法亮度顯示均勻，但是用電阻較多。圖20四位共陽數(shù)碼管原理圖實(shí)踐操作4：參考圖21所示電路連接圖，實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)字骰子。試估算限流電阻的大小，編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字從0到9循環(huán)跳動，當(dāng)按下按鍵時(shí)，數(shù)碼管定格在當(dāng)前的數(shù)字上，不再跳動。圖21數(shù)字骰子連線圖數(shù)碼管型號：

SM4105W8U3參考代碼：//一位數(shù)碼管顯示實(shí)驗(yàn)inta=7;intb=6;intc=5;intd=11;inte=10;intf=8;intg=9;intdp=4;//顯示數(shù)字1代碼voiddigital_1(void){unsignedcharj;digitalWrite(c,LOW);digitalWrite(b,LOW);for(j=7;j<=11;j++)digitalWrite(j,HIGH);digitalWrite(dp,HIGH);}//其它數(shù)字0,2,…,9,全滅代碼參考數(shù)字1顯示代碼voidsetup(void){inti;for(i=4;i<=11;i++)pinMode(i,OUTPUT);}voidloop(){while(1){digital_1();while(analogRead(0)>1000)delay(100);digital_2();while(analogRead(0)>1000)delay(100);…….digital_9();delay(2000);

}}實(shí)踐操作5：參考圖22所示電路連接圖，實(shí)現(xiàn)一個(gè)顯示任意4位有效數(shù)字的數(shù)字顯示器，參考代碼(略)。圖22四位數(shù)碼管顯示連線圖

4.71602液晶顯示的基本原理

LCD1602字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點(diǎn)陣式LCD，目前常用的有16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。1.液晶顯示器1602圖23LCD1602液晶顯示模塊實(shí)物圖顯示容量:16×2個(gè)字符2.LCD1602的基本參數(shù)芯片工作電壓:4.5—5.5V工作電流:2.0mA(5.0V)模塊最佳工作電壓:5.0V字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm3.LCD1602的引腳功能說明1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表1所示:第3腳：Vl為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對比度最弱，接地時(shí)對比度最高，對比度過

高時(shí)會產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整對比度。表1LCD1602液晶顯示模塊引腳說明表第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作

，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同

為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，

當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時(shí)可以讀忙信

號，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時(shí)可以寫

入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電

平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。(1)指令說明：1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條

控制指令，如表2所示：3.LCD1602的指令說明及時(shí)序表2LCD1602液晶顯示模塊指令說明表指令1

：清顯示，指令碼01H，光標(biāo)復(fù)位到地址00H

位置。指令2

：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00H。指令3

：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置I/D：光標(biāo)移動方向，

高電平右移，低電平左移；S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效

，低電平則無效。指令4

：顯示開關(guān)控制。D：控制整體顯示的開與

關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯

示；C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示

有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo)；B：控制光

標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍指令5

：光標(biāo)或顯示移位S/C：高電平時(shí)移動顯示的

文字，低電平時(shí)移動光標(biāo)。指令6

：功能設(shè)置命令。DL：高電平時(shí)為4位總線

，低電平時(shí)為8位總線；N：低電平時(shí)為單行顯示，高電平時(shí)雙行顯示；F:低電平時(shí)

顯示5x7的點(diǎn)陣字符，高電平時(shí)顯示5x10

的點(diǎn)陣字符。指令7

：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置。指令8

：DDRAM地址設(shè)置。指令9

：讀忙信號和光標(biāo)地址。BF：為忙標(biāo)志位，

高電平表示忙，此時(shí)模塊不能接收命令或

者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。指令10

：寫數(shù)據(jù)。指令11

：讀數(shù)據(jù)。(2)時(shí)序1602的讀/時(shí)序說明如表3所示，讀時(shí)序如圖24所示，寫數(shù)據(jù)的時(shí)序如圖25所示。表3LCD1602液晶顯示模塊時(shí)序表圖25LCD1602液晶顯示模塊寫時(shí)序圖圖24LCD1602液晶顯示模塊讀時(shí)序圖4.LCD1602的地址映射液晶顯示模塊是一個(gè)慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時(shí)要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符，表4是1602的內(nèi)部顯示地址。表4LCD1602液晶顯示模塊顯示地址表以40地址為例：因?yàn)閷懭腼@示地址時(shí)要求最高位D7恒定為高電平1所以實(shí)際寫入的數(shù)據(jù)應(yīng)該是01000000B(40H)+10000000B(80H)=11000000B(C0H)。5.LCD1602的初始化過程

延時(shí)15mS寫指令38H（不檢測忙信號）

延時(shí)5mS寫指令38H（不檢測忙信號）

延時(shí)5mS寫指令38H（不檢測忙信號）以后每次寫指令、讀/寫數(shù)據(jù)操作均需檢測忙信號

寫指令38H：顯示模式設(shè)置

寫指令08H：顯示關(guān)閉

寫指令01H：顯示清屏

寫指令06H：顯示光標(biāo)移動設(shè)置

寫指令0CH：顯示開及光標(biāo)設(shè)置實(shí)踐操作6：參考圖26所示電路連接圖，實(shí)現(xiàn)一個(gè)在1602屏幕的任意位置顯示字符的功能。圖26LCD1602液晶顯示模塊寫時(shí)序圖參考代碼：//一位數(shù)碼管四位接法顯示實(shí)驗(yàn)intLCD1602_RS=12;intLCD1602_RW=11;intLCD1602_EN=10;intDB[]={6,7,8,9};charstr1[]="Welcometo";charstr2[]="geek-workshop";charstr3[]="thisisthe";charstr4[]="4-bitinterface";voidLCD_Command_Write(intcommand)

{//寫命令函數(shù)inti,temp;digitalWrite(LCD1602_RS,LOW);digitalWrite(LCD1602_RW,LOW);digitalWrite(LCD1602_EN,LOW);temp=command&0xf0;for(i=DB[0];i<=9;i++){digitalWrite(i,temp&0x80);temp<<=1;}//將命令寫入命令寄存器（高4位）digitalWrite(LCD1602_EN,HIGH);delayMicroseconds(1);digitalWrite(LCD1602_EN,LOW);

//將命令寫入命令寄存器（低4位）temp=(command&0x0f)<<4;for(i=DB[0];i<=10;i++)

{digitalWrite(i,temp&0x80);temp<<=1;}digitalWrite(LCD1602_EN,HIGH);delayMicroseconds(1);digitalWrite(LCD1602_EN,LOW);}//endcommandwritevoidLCD_Data_Write(intdat){//寫數(shù)據(jù)函數(shù)inti=0,temp;digitalWrite(LCD1602_RS,HIGH);digitalWrite(LCD1602_RW,LOW);digitalWrite(LCD1602_EN,LOW);temp=dat&0xf0;for(i=DB[0];i<=9;i++)

{digitalWrite(i,temp&0x80);temp<<=1;

}digitalWrite(LCD1602_EN,HIGH);delayMicroseconds(1);digitalWrite(LCD1602_EN,LOW);temp=(dat&0x0f)<<4;for(i=DB[0];i<=10;i++){digitalWrite(i,temp&0x80);temp<<=1;

}digitalWrite(i,temp&0x80);temp<<=1;

}digitalWrite(LCD1602_EN,HIGH);delayMicroseconds(1);digitalWrite(LCD1602_EN,LOW);temp=(dat&0x0f)<<4;for(i=DB[0];i<=10;i++){digitalWrite(i,temp&0x80);temp<<=1;

}digitalWrite(LCD1602_EN,HIGH);delayMicroseconds(1);digitalWrite(LCD1602_EN,LOW);}//enddatawritevoidLCD_SET_XY(intx,inty){//定位光標(biāo)位置intaddress;if(y==0)address=0x80+x;else