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AVR单片机IO口结构分析|
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51单片机IO口置1时输入最小电压、电流各多少？
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出门在外也不愁单片机小白学步系列（二十二） IO口：蜂鸣器的使用/三极管的工作原理 - 推酷
单片机小白学步系列（二十二） IO口：蜂鸣器的使用/三极管的工作原理
更新：感谢Ireland同学的提醒，修改了PNP型三极管驱动电路，蜂鸣器从三极管的发射极改到了集电极，这样效果会更好，电路也更合理。同时增加了备注4。
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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。
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三极管有等，NPN三极管有等。
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。
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。
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()
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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《单片机小白学步》系列教程（原名《单片机入门指南》）介绍
本系列教程从最基本的入门知识开始，逐步深入介绍单片机系统设计，内容包括：
1、入门篇：单片机等基本概念、各种电子设计基本知识
2、思想篇：单片机/计算机系统设计的工程思想
3、学习篇：单片机学习过程、方法和技巧，以51单片机为例介绍，并推广到其他单片机
4、应用篇：遵循规范的工程方法，设计单片机系统实例（计划设计的系统有：计算器、电子表、密码锁、简易手机，具体看有没有时间再确定）
5、原理篇：从模拟电路、数字电路开始，逐步深入介绍单片机/计算机系统原理，并自行设计简易的CPU（由于个人水平有限，这部分没有把握写好，具体内容视情况而定）
1、技术知识点全面，从入门到精通
包含了各种基本知识，尤其是对单片机基本概念的介绍、为什么要用单片机等，在很多同类书籍教程中都被忽略了。同时也包含了一些深入的知识，包括原理篇考虑对单片机的基本原理进行介绍，有助于深入理解单片机。
本系列教程以51单片机为例进行介绍。通过51介绍完单片机的基本知识，我会再把430进行简要介绍，尤其是对比两者之间的优缺点，让大家很快感受到430的巨大优势，而学习51正好为快速了解430打下了坚实的基础。
2、除了单片机知识，还有思想、方法、技巧的介绍
本系列教程中，介绍单片机各种模块编程知识的主要是学习篇，而学习篇只是整个教程的一部分。在学习篇中我会贯穿各种方法技巧，如何理解一些模块功能，怎么看时序图，严格遵守工程思想进行编程，程序发生了错误怎么调试等等。而在思想篇中会总体介绍很多重要的思想，为后面的学习做好准备工作。
3、知识先后顺序的设计
单片机学习过程中，涉及大量的知识，而且很多知识之间相互依赖，关联很强。
本系列教程对知识的先后顺序进行比较明确的规划，尽最大可能符合人的认知过程。但是实际规划时发现，无论怎么调整知识的顺序，总有一些知识之间相互依赖，关系复杂。例如开始讲IO口的时候肯定会提到寄存器，而寄存器这个词的理解，需要深厚的背景知识。但是这些背景知识在没有进行实践的时候也很难理解。
初学者常常就会在这样的地方感觉疑惑不解，不知所措。而每次遇到类似这样的知识，我会向初学者指出，应该如何对待。这个知识是应该自己去学习补充，还是等到学完原理篇再做理解，而现在又应该怎么去看待这个名词。
另外，在整个教程的学习前，需要掌握一定的C语言等基础知识，具体可参考教程第〇篇《序》中的相关说明
4、语言通俗易懂
本系列教程力求语言通俗易懂，而不会用一堆新手不懂的词语去解释另一个不懂的词语。但是受限于个人语言表达能力，可能有些地方表述的比较繁琐，或者不清楚，希望大家能够帮忙指出。
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历史上的今天
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blogTitle:'51单片机IO端口的四种输入输出模式 (by wuleisly)',
blogAbstract:'单片机IO口的使用对所有单片机玩家来说都是“家常便饭”，但是你真的了解IO口吗？你真的能按你的需要配置IO口吗？
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51单片机IO口置1时输入最小电压、电流各多少？
51单片机的IO口，设置为输入时内阻1M，电压为3.5V以上时为高电平，输入电流小于0.1mA。设置为输出时，输出形式为集电极开路型。最大拉电流10mA。。。。呵呵呵
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