1.4 常用接口驱动部件简介
近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往只作为一个核心部件来使用，仅具有单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，进行软硬件结合来加以完善。
1.4.1 三极管
三极管是电流放大器件，有三个极，分别叫做集电极c，基极b，发射极e。三极管分成NPN和PNP两种，如图1.10所示。
图1.10 NPN三极管和PNP三极管示意图
我们仅以NPN三极管的共发射极放大电路为例来说明三极管放大电路的基本原理。
我们把从基极b流至发射极e的电流叫做基极电流Ib；把从集电极c流至发射极e的电流叫做集电极电流Ic。这两个电流的方向都是流入发射极的，所以流过发射极e的电流Ie=Ib+Ic，如图1.11所示。
图1.11 三极管电流放大电路
三极管的放大作用就是集电极电流受基极电流的控制（假设电源能够提供给集电极足够大的电流），基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系，即集电极电流的变化量是基极电流变化量的β倍，即电流变化被放大了β倍，所以我们把β叫做三极管的放大倍数（β一般远大于1，如几十，几百）。如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间，这就会引起基极电流Ib 的变化，Ib 的变化被放大后，导致了Ic很大的变化。如果集电极电流 Ic是流过一个电阻 Rc的，那么根据电压计算公式Uc=RcIc可以算得，电阻Rc上的电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号。
Rb是固定不变的，而Ib=Eb/Rb，我们可以通过改变Eb的大小而改变Ib进而达到改变Ic的目的，我们称之为放大。而这时候的Ic与Ib的关系是Ic/Ib=β，我们把β叫做三极管的电流放大倍数。
由于Ic=Ec/Rc，集电极的最大电压Ec是固定的，因此当Eb增加到一定值时，Ic不再随基极电流Ib的变化而变化，这时候三极管进入饱和。
又由于输入电压Eb必须大到一定程度后（对于硅管，常取0.7V）才能产生基极电流Ib，因此在Eb为0～0.7V时，三极管实际是不工作的，我们称之为截止。
三极管集电极c与发射极e之间的电压称为Uce，我们不难看出Uce=Ec-IcRc或Ic=（Ec-Uce）/Rc。Ec、Rc是固定值，当三极管进入饱和以后，Ic也是接近固定值（受Ec的限制）所以这时的Uce也是接近固定值，通常把这时的Uce称为Uce0。
从以上分析，我们可以看到三极管的工作实际有3个不同区间：截止区、放大区、饱和区，如图1.12所示。
图1.12 三极管的3个工作区间
一般判断三极管是否饱和的准则是Ibβ＞Ic。进入饱和状态之后，三极管的集电极跟发射极之间的电压将很小，可以理解为一个开关闭合了。这样我们就可以把三极管当做开关使用了，即当基极电流为0时，三极管集电极电流为0（这叫做三极管截止），相当于开关断开；当基极电流很大，以至于三极管饱和时，相当于开关闭合。如果三极管主要工作在截止和饱和状态，那么这样的三极管我们一般把它叫做开关管。
在单片机应用系统中，常用三极管作为驱动器件。通常使其工作在截止区和饱和区。因为三极管工作在这两个区间时非常适合单片机的控制逻辑，即截止时记做逻辑0、饱和时记做逻辑1。
了解了NPN三极管的工作原理和实际用途后，PNP三极管的工作原理和实际用途就不难理解，它们的区别就是电源极性相反和常用于需要负逻辑控制的场合。
1.4.2 整流桥
在单片机控制系统中所用到的电源都是直流电源，通常只有电瓶和电池能够提供直流电。用电瓶和电池为单片机供电显然是不现实的。在我们生活中看到的更多、更容易得到的是交流电。将交流电转换成直流电就需要整流桥。
整流桥的作用就是通过二极管的单向导通特性将电平在零点上下浮动的交流电转换为单向的直流电。如图1.13所示是整流桥的原理图和符号图。
图1.13 二极管整流桥的原理图和符号图
交流电通过1、3端输入，在2、4端得到脉动直流输出，其波形如图1.14所示。
图1.14 整流桥输出波形图
由于整流桥只能将交流变直流，不能改变电压的大小，所以可在整流桥的前面加变压器将交流电压变成我们期望的值，再进行整流。
从波形图中不难看出，负载电阻RL两端的电压U0和流过负载电阻RL的电流I0还是一个脉动直流电流，实际应用时必须加电容滤波和三端稳压器将脉动直流电流变成真正的直流电流。
1.4.3 晶振
晶体振荡器，简称晶振，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的整形、倍频或分频后就成了电脑中各种不同的总线频率。在单片机系统中，晶振是作为单片机的时钟源，指挥单片机同步协调工作的。如图1.15所示为晶振的实物图和符号图。
图1.15 晶体振荡器的实物图和符号图
由于外加电压、温度等因素，会造成晶振频率有偏差，所以在接入单片机之前要加接补偿电容。这在后面的章节中还会详细介绍。
1.4.4 电源三端稳压器
在介绍整流桥时曾经介绍过，由于通过整流桥输出的电压电流只是脉动直流，因此需要经过电容滤波和电源三端稳压器后才能产生可以使用的直流电。那么电源三端稳压器是什么呢？
在三端稳压集成电路产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78xx系列和负电压输出的79xx系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三个引脚，分别是输入端、接地端和输出端。如图1.16所示为电源三端稳压器7805的实物图和符号图。
图1.16 电源三端稳压器的实物图和符号图
它的样子像是普通的三极管，TO-220 的标准封装，也有像9013那样的TO-92封装。用78/79xx系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。
脉动的直流电压经过三端稳压器7805的调整后即可输出平直的直流电压。
该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7805表示输出电压为正5V，7905表示输出电压为负5V。
1.4.5 MAX232
MAX232是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准串行接口的芯片。
其主要特点如下：
●单5V电源工作；
● LinBiCMOSTM工艺技术；
●两路发送和两路接收；
●低电源电流，典型值是8mA。
MAX232的原理图如图1.17所示。
图1.17 MAX232原理图
MAX232芯片是专门为计算机的RS232标准串口设计的接口电路，使用+5V单电源供电。内部结构基本可分为3个部分。
第一部分是电荷泵电路，由1、2、3、4、5、6脚和4支电容构成。功能是产生+10V和-10V两个电源，提供给RS232串口。
第二部分是数据转换通道，由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）和14脚（T1OUT）为第一数据通道；8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）和7脚（T2OUT）为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入，转换成RS232数据从T1OUT、T2OUT送到计算机DP9插头；DP9插头的RS232数据从R1IN、R2IN输入，转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。
第三部分是供电电路，由15脚（GND）和16脚（VCC）组成。
由于计算机串口RS232的电压是±10V，而一般的单片机应用系统的信号电压TTL是+5V，因此MAX232就是用来进行电压转换的。该器件包含两个驱动器、两个接收器和一个电压发生器电路，可提供TIA/EIA-232-F电压。
该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电压转换成5VTTL/CMOS电压。每一个发送器将TTL/CMOS电压转换成TIA/EIA-232-F电压。
MAX232的引脚如图1.18所示。
图1.18 MAX232引脚图
1.4.6 MC1413
MC1413是大电流达林顿三极管阵列，由7个硅NPN达林顿管组成。
该电路的特点如下。
MC1413的每一对达林顿都串联一个2.7kΩ的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。
MC1413工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关断时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流下并行运行。MC1413 采用 DIP-16 或SOP-16 塑料封装，其实物图如图1.19所示。
图1.19 MC1413实物图
达林顿复合三极管无论是从使用的方便性还是对输出功率的要求上来说都优于单个三极管。
MC1413是典型的达林顿复合三极管集成电路，该芯片一共有7个输入端（A1～A7）， 7个输出端（Y1～Y7）。引脚如图1.20（a）所示，其逻辑功能如图1.20（b）所示。
图1.20 MC1413引脚图和逻辑功能表
其中，A1～A7为输入端，Y1～Y7为输出端，VCC和GND分别为电源和接地。
值得注意的是MC1413 的输出是输入的逻辑反，也就是说输入为“1”电压、输出为“0”电流，输入为“0”电压、输出为“1”电流。
1.4.7 74LS154
74LS154是一个4输入-16 输出的译码器，其实物图如图1.21所示。
图1.21 74LS154实物图
其功能是完成在16个输出引脚中选中1个引脚作为当前输出引脚。具体选择的是哪一个，由4个输入引脚的状态确定。
74LS154的引脚如图1.22所示。
图1.22 74LS154引脚图
其中，A、B、C、D为译码地址输入端（输入端），
和
为选通端（控制端、低电压有效），
为输出端（选择输出端）。控制端、输入端、选择输出端三者之间的逻辑关系如表1.1所示。
表1.1 74LS154真值表
其中，H代表高电平，L代表低电平，X代表不确定。它的具体使用方法将在后续章节中详细介绍。
1.4.8 74HC595
74HC595是8位输出锁存移位寄存器（三态、串行输入、并行输出），即8位串入并出移位寄存器，并具有储存功能，可进行级联，移位触发器有直接清零端，移位频率可从直流到30MHz。74HC595的实物如图1.23所示。
图1.23 74HC595的实物图
74HC595的引脚如图1.24所示。
图1.24 74HC595的引脚图
其中，QA～QH为8位并行输出端。QH′为级联输出端，可将它接下一个74HC595的SER端。SER为串行数据输入端。
在低电平时将移位寄存器的数据清零。
SCLK在上升沿时数据寄存器的数据移位，如QA--＞QB--＞QC--＞…--＞QH；下降沿移位寄存器数据不变。
RCLK在上升沿时移位寄存器的数据进入数据存储寄存器，下降沿时存储寄存器数据不变。通常将RCLK置为低电平，当移位结束后，在RCLK端产生一个正脉冲数据进入数据存储寄存器。
为高电平时禁止输出（高阻态）。如果单片机的引脚多余时，可用一个引脚控制它，则可方便地产生闪烁和熄灭效果，比通过数据端移位控制要省时省力。
74HC595的主要优点是具有数据存储寄存器，在移位的过程中，输出端的数据可以保持不变。这在串行速度慢的场合很有用处，可使数码管没有闪烁感。
74HC595是串入并出带有锁存功能的移位寄存器，它的使用方法很简单，在正常使用时SCLR为高电平，
为低电平。从SER每输入一位数据，串行输入时钟SCLK上升沿有效一次，直到8位数据输入完毕，输出时钟RCLK上升沿有效一次。此时，输入的数据就被送到了输出端。74HC595的功能如表1.2所示。
表1.2 74HC595功能表
其中，H代表高电平，L代表低电平，X代表不确定，↑代表上升沿。
1.4.9 DS18B20
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，它具有3引脚TO-92小体积封装形式；温度测量范围为-55℃～+125℃，可编程精度为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，单片机只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。其实物图如图1.25所示。
图1.25 温度传感器DS18B20实物图
DS18B20内部结构如图1.26所示，主要由4部分组成，即64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL，以及配置寄存器。
图1.26 温度传感器DS18B20内部结构图
DS18B20的引脚排列如图1.27所示。
图1.27 温度传感器DS18B20引脚图
其中，DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看做是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的了。
温度传感器DS18B20的具体使用方法将在第17章中详细介绍。
1.4.10 数码管
数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。
数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位和4位数码管等；按发光二极管单元连接方式可分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳极数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。共阳极数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴极数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。共阴极数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。其实物图如图1.28所示。
图1.28 数码管实物图
八段数码管结构图如图1.29所示。其中，图 1.29（a）为八段共阴极数码管，图1.29（b）为八段共阳极数码管。
图1.29 八段数码管结构图
在实际使用中，为了控制方便，可以随意选择共阳极或是共阴极数码管。相应的电路原理图如图1.30所示。
图1.30 八段数码管电路原理图
数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码（每段的实质就是一个发光二极管），从而显示出我们需要的数字。因此根据数码管的驱动方式不同，可以分为静态式和动态式两类。具体使用方法将在第13章中详细介绍。
1.4.11 液晶屏
本节的液晶屏部分主要以1602型液晶屏为例，其实物图如图1.31所示。
图1.31 1602型液晶屏实物图
1602型液晶屏是一种用5 ×7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等，常用的为2行16个字。
整个液晶屏采用标准的16脚接口，各引脚的功能如表1.3所示。
表1.3 1602型液晶屏引脚说明
其中，VSS为电源地；VDD接+5V电源；
VL为液晶显示屏对比度调整端，直接接电源正极时对比度最弱，接地时对比度最高。
RS为寄存器选择端，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。
RW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RW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RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。
E端为使能端，当E端由低电平跳变成高电平时，液晶屏执行命令。
D0～D7为8位双向数据线。
BLA为背光源正极。
BLK为背光源负极。
控制器内部带有80 ×8位（80字节）的RAM缓冲区，显示时只需要将被显示字符送到对应存储单元，该字符便可在指定位置显示出来。存储地址与显示位置的映射关系如图1.32所示。
图1.32 1602型液晶屏存储地址与显示位置映射图
1602型液晶屏的具体应用将在第14章中详细介绍。
1.4.12 点阵
在现代工业控制和一些智能化仪器仪表中，越来越多的场所需要用点阵图形显示器显示汉字。汉字显示方式是先根据所需要的汉字提取汉字点阵（如8 ×8点阵），再将点阵文件存入ROM，形成新的汉字编码；而在使用时则需要先根据新的汉字编码组成语句，再由单片机根据新编码提取相应的点阵进行汉字显示。汉字点阵的实物图如图1.33所示，其电路原理图如图1.34所示。
图1.33 汉字点阵的实物图
图1.34 8 ×8共阴极LED点阵
将发光二极管按照行和列排列，分别将阳极和阴极按行和列短接，当阴极为低电平，阳极为高电平时对应二极管被点亮。只要对其进行有序控制，就可以显示出我们所需要的效果。
一个8 ×8的点阵共有64个点，如果用来显示一个汉字效果极差，通常是将4块8 ×8的点阵（共256个点）拼接在一起，用来显示一个汉字。
我们知道，汉字是按照图形方式显示的，一个亮点就是一个像素，像素越多越清晰。下面我们观察一下一个“中”字的显示情况，如图1.35所示。用这样的方法控制，需要的控制线为行16根、列16根共32根，这就需要单片机提供32根控制线。由于单片机资源有限，实际上往往借用锁存器来完成控制（如上面讲到的74HC595），以提高单片机的利用率。具体的使用方法我们将在第15章中详细介绍。
图1.35 16 ×16 LED点阵显示“中”字图
到此，我们对《单片机集成产品开发板》中的重要部件做了入门式的了解，其目的是让我们建立一个整体概念，即这些部件是需要控制的，其控制核心就是单片机。