就可以放大声音信号了
发布时间:2018-11-04 18:58

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。