第04章Arduino常用器件原理

第4章Arduino常用器件原理本章内容：色环电阻阻值的识别光敏电阻的工作原理蜂鸣器的基本原理及使用二极管、三极管的基本原理及作用

数码管的工作原理LCD1602y液晶显示器的工作原理

4.1色环电阻阻值的识别

电阻的种类按材料分，有碳膜电阻、水泥电阻、金属膜电阻和线绕电阻等不同类型；按功率分有1/16W、1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W电阻……最常见的就是色环碳膜电阻如图1所示1.电阻(a)四环电阻(b)五环电阻图1色环电阻图色环电阻的基本单位有：欧姆(Ω)、千欧(KΩ)、兆欧(MΩ)。2.色环电阻阻值的识别

其中四环电阻前二环为数字，第三环表示阻值倍乘的数，最后一环为误差；五环电阻前三环为数字，第四环表示阻值倍乘的数，最后一环为误差。

误差通常也是金、银和棕三种颜色，金的误差为5%，银的误差为10%，棕色的误差为1%，无色的误差为20%，另外偶尔还有以绿色代表误差的，绿色的误差为0.5%。图2色环电阻识别原理图阻值1KΩ误差10%1MΩ2.74KΩ1KΩ560KΩ

4.2光敏电阻的工作原理

光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照下，其阻值迅速减小的特性。1.光敏电阻

光敏电阻的工作原理基于内光电效应。在半导体光敏材料的两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度2.光敏电阻工作原理图3光敏电阻实物图，两电极常做成梳状。在有光照射时，射入的光强，电阻减小，射入的光弱，电阻增大。光敏电阻实物图如图3所示。

4.3蜂鸣器的工作原理

图4所示，为蜂鸣器的实物图。小型蜂鸣器因其体积小(直径只有6mm)、重量轻、价格低、结构牢靠，而广泛地应用在各种需要发声的电器设备、电子制作和单片机等电路中。1.蜂鸣器图4蜂鸣器实物图蜂鸣器一般分为有源和无源两种，如图5所示。2.有源无源蜂鸣器(a)有源蜂鸣器(b)无源蜂鸣器图5有源/无源蜂鸣器

从外观上看，两种蜂鸣器好像一样，如果将蜂鸣器引脚朝上时，可以看到，有绿色电路板的是一种无源蜂鸣器，没有电路板而使用黑胶密封的是一种有源蜂鸣器。从外观上并不能绝对的区分出有源与无源，最可靠的做法除了查看产品的参数手册以外，还有就是使用万用表测试蜂鸣器电阻，只有8Ω或者16Ω的是无源蜂鸣器，电阻在几百欧以上的是有源蜂鸣器。

有源蜂鸣器直接接上额定电源（新的蜂鸣器在标签上都有注明）就可以连续发声，而无源蜂鸣器则和电磁扬声器一样，需要接在音频输出电路中才能发声。实践操作1：参考图6所示电路原理图，当正常环境光线时，蜂鸣器不发声，当用手遮住光敏电阻时，蜂鸣器鸣叫。图6光敏电阻/蜂鸣器实验连接图参考代码：intphotocellPin=2;//定义变量photocellsh=2，为电压读取端口。intbuzzer=12;//定义变量ledPin=12，为led电平输出端口intval=0;//定义val变量的起始值voidsetup(){

pinMode(buzzer,OUTPUT);

//使ledPin为输出模式}voidloop(){val=analogRead(photocellPin);

//从传感器读取值if(val<=512)//512=2.5V{

//想让传感器敏感一些的时候，把数值调高

//想让传感器迟钝的时候把数值调低。buzzer(100);//digitalWrite(buzzer,HIGH);//当val小于512(2.5V)的时候，led亮。

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

for(i=0;i<n;i++)//输出一个频率的声音

{digitalWrite(buzzer,HIGH);

//发声音delay(1);

//延时1msdigitalWrite(buzzer,LOW);

//不发声音delay(1);

//延时ms}}

4.4晶体管的工作原理

二极管(diode)是一种半导体电子元件，由一种叫PN结的半导体制成，从P型半导体中引出导线叫正极，从N型半导体中引出导线叫负极。二极管的一个实物图如图7所示，二极管的电路符号如图8所示。1.二极管图7二极管实物图图8二极管电路符号

二极管具有正向导通，反向截止的特点。二极管的正向电阻很小，一般在几欧姆至几百欧姆，甚至更小，反向电阻很大，一般在几十千欧姆至几十兆欧姆。2.二极管的特性图9二极管伏安特性曲线二极管伏安特性曲线加在PN结两端的电压和流过二极管的电流之间的关系曲线称为伏安特性曲线。二极管的伏安特性如图9所示。由二极管伏安特性曲线知，对二极管施加正向偏置电压时，则二极管中就有正向电流通过，随着正向偏置电压的增加，开始时，电流随电压变化很缓慢，而当正向偏置电压增至接近二极管导通电压时(锗管为0.3V左右，硅管为0.7V左右)，电流急剧增加，二极管导通后，电压的少许变化，电流的变化都很大。对二极管施加反向偏置电压时，二极管处于截止状态，其反向电压增加至该二极管的击穿电压时，电流猛增，二极管被击穿，在二极管使用中应竭力避免出现击穿现象，这很容易造成二极管的永久性损坏。发光二极管也是由一个PN结构成，具有单向导电性。但其正向工作电压(开启电压)比普通二极管高，约为1～2.5V，反向击穿电压比普通二极管低，约5V左右。当正向电流达到1mA左右时开始发光，发光强度近似与工作电流成正比；但工作电流达到一定数值时，发光强度逐渐趋于饱和，与工作电流成非线性关系。一般小型发光二极管正向工作电流为10～20mA，最大正向工作电流为30～50mA。3.发光二极管

发光二极管的实物图如图10所示，电路符号如图11所示。图10发光二极管实物图图11发光二极管电路符号实际用到的LED从网上查找资料得知，其工作电压一般为1.5-2.0V，工作电流一般为10-20ma，反向击穿电压为5V。控制板逻辑电路供电为5V。根据以上参数假设LED工作电压选用1.7，工作电流选用15ma，限流电阻=(总电压-LED电压)/电流，所以限流电阻=（5-1.7）/0.015=220Ω。4.限流电阻的计算

4.5三极管的基本原理三极管(Triode

)，全称应为半导体三极管，是一种电流控制电流的半导体器件。其作用是把微弱信号放大成幅值较大的电信号，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。1.三极管

晶体三极管按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种材料又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅材料三极管。有三个极，分别叫做集电极C，基极B，发射极E，三极管的结构示意图和电路符号如图12所示。(a)NPN型三极管图12三极管结构原理图(b)PNP型三极管三极管的伏安特性曲线可全面反映各电极的电压和电流之间的关系，这些特性曲线实际上就是ＰＮ结性能的外部表现。从使用的角度来看，可把三2.三极管的伏安特性极管当做一个非线性电阻来研究它的伏安特性，而不必涉及它的内部结构。其中最常用的是输入输出特性。利用图13所示的电路即可测试三极管的特性图13三极管伏安特性测量原理图按照图13的电路测量而形成的三极管输入电压(V1)与输入电流(uA)形成三极管的输入特性，输出电压(V2)与输入电流(mA)形成三极管的输出特性。(a)三极管输入特性曲线图14三极管I/O特性曲线(b三极管输出特性曲线由输出特性曲线可见，可将该图分为三个区：

(1)放大区：发射结正偏，集电结反偏，此时有当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并处于某一恰当的值时，三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，这时基极电流对集电极电流起着控制作用，使三极管具有电流放大作用，其电流放大倍数β＝ΔIc/ΔIb，三极管处于截止状态。

(2)截止区：Ube<死区电压，IB=0，IC≈0

当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，我们称三极管处于截止状态。

(3)饱和区：发射结正偏，集电结正偏，此时有当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不怎么变化，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。实践操作2：参考图15所示电路原理图，估算限流电阻的大小，编程实现数字跑马灯的功能。图15光敏电阻/蜂鸣器实验连接图参考代码：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);}实践操作3：参考图16所示电路原理图，连接各器件，编程实现六灯闪烁的功能。图16六灯闪烁实验连线图参考代码：//设置Led的数字IO引脚intLed1=1;intLed2=2;intLed3=3;intLed4=4;intLed5=5;intLed6=6;//Led灯的花样显示示例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数码管的基本原理数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。常见的数码管为八段数码管，分别代表数码管上数字组成的七段和右下角的一个小数点，一位数码管的原理图如图17所示。发光二极管单元连接方式分为共阳数码管和共阴数码管。1.一位数码管显示原理图17一位数码管原理图本次实验采用数码管型号为SM4105W8U3，为一个共阳极的数码管，引脚图如图17所示。2.一位数码管SM4105W8U3图17SM4105W8U3一位数码管引脚图voidsetup(){unsignedchari;for(i=1;i<=6;i++)pinMode(i,OUTPUT);}voidloop(){style_1();}

四位数码管同一位数码管一样也分共阴和共阳两类。图18即为一个共阳四位数码管示意图，有12个引脚，分别对应每位一位数码管的公共阳极，和与每一位数码管阴极(a,b,c,d,e,f,g,dp)相连的8个引脚3.四位数码管显示原理图18四位共阳数码管引脚图

4位数码管总共有12个引脚，小数点朝下正放在面前时，左下角为1，其他管脚顺序为逆时针旋转。左上角为最大的12号管脚，如图19所示。图19四位共阳数码管引脚位置指示图４位数码管内部连接原理图，如图20所示。

驱动数码管限流电阻有两种接法，一种是在d1-d4阳极接４个电阻。这种接法好处是需求电阻比较少，但是会产生每一位上显示不同数字亮度会不一样。另外一种接法就是在其它８个引脚上接，这种接法亮度显示均匀，但是用电阻较多。图20四位共阳数码管原理图实践操作4：参考图21所示电路连接图，实现一个数字骰子。试估算限流电阻的大小，编程实现数字从0到9循环跳动，当按下按键时，数码管定格在当前的数字上，不再跳动。图21数字骰子连线图数码管型号：

SM4105W8U3参考代码：//一位数码管显示实验inta=7;intb=6;intc=5;intd=11;inte=10;intf=8;intg=9;intdp=4;//显示数字1代码voiddigital_1(void){unsignedcharj;digitalWrite(c,LOW);digitalWrite(b,LOW);for(j=7;j<=11;j++)digitalWrite(j,HIGH);digitalWrite(dp,HIGH);}//其它数字0,2,…,9,全灭代码参考数字1显示代码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);

}}实践操作5：参考图22所示电路连接图，实现一个显示任意4位有效数字的数字显示器，参考代码(略)。图22四位数码管显示连线图

4.71602液晶显示的基本原理

LCD1602字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用的有16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。1.液晶显示器1602图23LCD1602液晶显示模块实物图显示容量:16×2个字符2.LCD1602的基本参数芯片工作电压:4.5—5.5V工作电流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm3.LCD1602的引脚功能说明1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表1所示:第3脚：Vl为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过

高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。表1LCD1602液晶显示模块引脚说明表第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作

，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同

为低电平时可以写入指令或者显示地址，

当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信

号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写

入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电

平时，液晶模块执行命令。(1)指令说明：1602液晶模块内部的控制器共有11条

控制指令，如表2所示：3.LCD1602的指令说明及时序表2LCD1602液晶显示模块指令说明表指令1

：清显示，指令码01H，光标复位到地址00H

位置。指令2

：光标复位，光标返回到地址00H。指令3

：光标和显示模式设置I/D：光标移动方向，

高电平右移，低电平左移；S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效

，低电平则无效。指令4

：显示开关控制。D：控制整体显示的开与

关，高电平表示开显示，低电平表示关显

示；C：控制光标的开与关，高电平表示

有光标，低电平表示无光标；B：控制光

标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁指令5

：光标或显示移位S/C：高电平时移动显示的

文字，低电平时移动光标。指令6

：功能设置命令。DL：高电平时为4位总线

，低电平时为8位总线；N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示；F:低电平时

显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10

的点阵字符。指令7

：字符发生器RAM地址设置。指令8

：DDRAM地址设置。指令9

：读忙信号和光标地址。BF：为忙标志位，

高电平表示忙，此时模块不能接收命令或

者数据，如果为低电平表示不忙。指令10

：写数据。指令11

：读数据。(2)时序1602的读/时序说明如表3所示，读时序如图24所示，写数据的时序如图25所示。表3LCD1602液晶显示模块时序表图25LCD1602液晶显示模块写时序图图24LCD1602液晶显示模块读时序图4.LCD1602的地址映射液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，表4是1602的内部显示地址。表4LCD1602液晶显示模块显示地址表以40地址为例：因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平1所以实际写入的数据应该是01000000B(40H)+10000000B(80H)=11000000B(C0H)。5.LCD1602的初始化过程

延时15mS写指令38H（不检测忙信号）

延时5mS写指令38H（不检测忙信号）

延时5mS写指令38H（不检测忙信号）以后每次写指令、读/写数据操作均需检测忙信号

写指令38H：显示模式设置

写指令08H：显示关闭

写指令01H：显示清屏

写指令06H：显示光标移动设置

写指令0CH：显示开及光标设置实践操作6：参考图26所示电路连接图，实现一个在1602屏幕的任意位置显示字符的功能。图26LCD1602液晶显示模块写时序图参考代码：//一位数码管四位接法显示实验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)

{//写命令函数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;}//将命令写入命令寄存器（高4位）digitalWrite(LCD1602_EN,HIGH);delayMicroseconds(1);digitalWrite(LCD1602_EN,LOW);

//将命令写入命令寄存器（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){//写数据函数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){//定位光标位置intaddress;if(y==0)address=0x80+x;else