原因
网络上有不少怎么让Arduino的5V电平转换成3.3V电平,从而和工作在3.3V下的芯片相互沟通的教程。但是如果想驱动高于5V电压的芯片,就找不到教程了。因此今天我来介绍一种方式,能让Arduino的OUTPUT口驱动需要5~12V的INPUT的电子元件。下文以12V为例。
效果
- 能够达到单向(从Arduino到12V芯片)通信的目的
- Arduino引脚输出的电平会被取反,即Arduino输出HIGH,芯片却收到LOW,反之亦然。
硬件准备
- Arduino一个
- 开关型NPN三极管(8050即可)一个
- 4.7K,10K电阻各一个(貌似不是这个阻值也可以,只要不要太小即可)
电路连接
面包板图:
(假设右边那个nano是我们需要驱动的12V的东西)
原理图:
软件开发
一定要记住:Arduino引脚输出的电平会被取反,即Arduino输出HIGH,芯片却收到LOW,反之亦然!只要知道这一点,剩下的事情和开发普通OUTPUT引脚都差不多了。
我们先弄一个测试工程试试看。
在测试工程中,我们用万用表的电压表(20V挡位)来模拟12V芯片,即万用表红线接图中蓝线,万用表黑线接地(图中黑线)。因为芯片的INPUT模式相当于一个电压表,所以可以这么替代来看效果。当12V芯片应当收到HIGH时,我们的万用表上就会出现接近12V的电压;收到LOW则出现0V。
建立一个ino工程,代码如下:
#define TEST_PIN 7 void setup(){ pinMode(13,OUTPUT); pinMode(TEST_PIN,OUTPUT); } void loop(){ digitalWrite(13,!digitalRead(13)); digitalWrite(TEST_PIN,!digitalRead(TEST_PIN)); delay(2000); }
连接电路,查看效果。如果一切正常,你将会看到,当ino上的小灯亮起的时候,万用表显示0V;熄灭时显示12V。
原理说明(针对没基础的人)
三极管这东西高中物理居然不教...因此我自学研究了半天才勉强搞懂一点点。感觉很多书/教程讲的都太复杂了,像什么阿尔法值,贝塔值,放大倍数什么的,真正应用的时候不一定用得上,因此我这里简单讲一讲三极管用得上的部分。
三极管有两种类型,NPN和PNP,我这里讲一讲NPN,即这篇文章中用到的那种。首先,我们要记住这张图和它的三个引脚对应的说法:C(集电极),B(基极),E(发射极)(想搞懂名称的自己看原理去)。
我们首先来看有箭头的那一条路径(B->E):这条路最简单,完全不用考虑C端发生了什么,而是几乎可以看成一个B->E的二极管。B电压大于E一定程度(即B到E有足够大的电势差,一般是0.3V之类),就会有电流,反之则没有。我们的电路中,B接的是Arduino引脚。因此,当Arduino HIGH时,BE有5V电位差,但是有一个限流电阻,因此有微小的电流;反之没有。
然后再看另一条路径,C->E:这一条就悲催的多了,完全被B->E那一条管着。如果BE没有电流,不管发生什么,CE都不会有电流,这是可以看成C、E之间断开了。如果BE有电流,才会允许CE产生电流。在我们的电路中,BE有电流则CE连通,即C点接地,于是12V芯片收到LOW;反之,收到HIGH。其实这一部分单独看,就是一个上拉电阻。图见下。
顺便说一下“电流倒灌”的问题:如果现在三极管的部分换成一块导体,那么很明显,C电压高于B,因此会有灌入B的电流,从而造成Arduino出各种各样的问题。但是我们的电路中没有这个问题(确实实践测试过了),这是因为三极管可以帮助B不被倒灌。但是据传说,如果C电压高于B太多,那么倒灌照样会发生。如果真的发生倒灌,一个(可能)可行的策略是在B处安装一个整流二极管,不让电流倒着流动。
鸣谢
感谢阿古(古作坊坊主)在在电路方面的指导!