【硬件操作入门】2–GPIO与门电路（二极管&三极管）、LED电路与操作

一、GPIO与门电路

1.1、GPIO的应用

功能	例子
输出功能	LED、发射红外信号、电机控制、蜂鸣器、数码管等
输入功能	按键、接收红外信号、人体感应
实现各类协议	读取温湿度传感器数据、UART等

1.2、GPIO引脚操作

怎么用一个GPIO来控制LED？换句话说，怎么让一个GPIO输出高、低电平？

GPIO内部寄存器 名称	功能
io_mux	选择引脚 GPIO/UART 功能
gpio0_dir_reg	控制引脚 输入/输出 方向
gpio0_data_reg	设置引脚 输入输出 数值

1.2.1 设置引脚为GPIO功能（io_mux）

​ 芯片内部有很多模块，比如GPIO、UART(串口)。

​ 一个引脚，可以接到模块A，也可以接到模块B，比如上图中的引脚gpio0_0，可以接到GPIO group 0，也可以接到UART。可以设置某些寄存器(比如io_mux)，选择引脚的功能。

1.2.2 设置引脚方向（gpio0_dir_reg）

​ 当一个引脚被设置成GPIO功能，那么它既有可以作输入，也可以作输出，如何控制是输入还是输出呢？

​ 在GPIO模块内部，一般都有一个方向选择寄存器，里面每一位用来控制一个引脚的方向。
比如GPIO group 0中有一个gpio0_dir_reg寄存器，

• 它的bit 0写入1，表示gpio0_0被设置为输出
• 它的bit 0写入0，表示gpio0_0被设置为输入

1.2.3 设置引脚数值（gpio0_data_reg）

个GPIO引脚被设置成输出，那么怎样设置它的输出电平？
一个GPIO引脚被设置成输入，那么怎样读取它的输入电平？
在GPIO模块内部，一般都有一个数据寄存器，里面每一位用来控制一个引脚的输出电平。
比如GPIO group 0中有一个gpio0_data_reg寄存器，

• 写数据
  • 它的bit 0写入1，表示gpio0_0输出高电平
  • 它的bit 0写入0，表示gpio0_0输出低电平
• 读数据
  • 如果bit 0等于1，表示gpio0_0为高电平
  • 如果bit 0等于0，表示gpio0_0为低 电平

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二、二极管&三极管

2.1、二极管

2.1.1 二极管的特性

​ 在模电中，大家都有学过，二极管是一种用锗或者硅半导体材料做成的，半导体材料导电性能在常温下介于导体和绝缘体之间，一百多年前就有这个东西了，是半导体器件家族中的元老了。

• 二极管最大的特性就是 单向导通性，也就是说，二极管的电流具有单向性；
• 假设正极、负极之间的电压差为ΔV
  • 当ΔV > 某个阈值(比如0.7V)，二极管就导通，导通时电阻约等于0
  • 当ΔV < 0，二极管不会导通，电阻无穷大，相当于电路断路；

2.1.2 二极管的结构

• 内部结构如下：由PN节组成，P代表正极(positive)，N代表负极(negative)

  

​ 二极管的电流方向是由正极流向负极(P==>N)，电子的流向与电流的流向相反，为什么会这样呢？

• P极 参杂“硼”原子；N极参杂”磷“原子，学过初中化学的朋友都知道：“硼”原子是三价元素，外围有3个电子环绕；”磷“原子是五价元素，外围有5个电子环绕；然而硅和锗有外层有四个电子。因此，硼原子周围少了个电子，”磷“原子周围多了个电子，我们把少了个电子的情况，形成空穴；多了个电子，形成自由电子
• 为了方便理解，可以把空穴抽象成正电荷，自由电子抽象成负电荷；这样一来，P极 正电荷多，N极 负电荷多，自然可以推测出电流的流向，是P==>N的，电子的方向是N==>P的。

至于扩散运动和漂移运动，以及二极管的伏安特性曲线图，想要了解的朋友可以看看这篇博客：图文详解二极管原理

2.1.3 二极管的作用

• 根据二极管的单向导通特性 可以用来设计保护电路；比如防止电源接反，扫坏电路。

2.2、三极管

可以使用二极管的特性制作成三极管，组成开关电路。

三极管实物图：

三极管可以分为：NPN三极管、PNP三极管。

2.2.1 NPN三极管

注意：三极管的箭头，是电流流向方向；

• 扩散

  • 物质会从浓度大的地方扩散到浓度低的地方
  • 比如墨水滴入水中，墨水会四处散开
  • 比如臭味会四处散开
  • 电子也会有扩散作用

• 三极管原理

  • 当基极(b) 和发射极(e) 之间的PN节加上正向电压，也就是be的电势差：Vb - Ve > 截止电压时。 b ==P > Ne 的PN结导通，电流：基极(b) ==> 发射极(e)，电子与电流呈反方向，由 发射极(e) ==> 基极(b)；
  • 电子在’P’大量聚集，一部分通过基极(b) 极流走，另一部分通过集电极© 扩散出去，（集电极c 起收集作用，所以被称为集电极)
    • 电子流动方向如图中红色箭头所示
    • 电流方向与电子流动方向相反：be之间电流从b到e，ce之间电流从c到e

• 三极管的使用

  Vcon	be 之间的 PN结	V2
  0.7V	打通（c极相当于直接连接e）	0V（同GND）
  0V	未打通	V（同Vcon）

  • 所以，可以用Vcon来控制V2 （相当于 一个反相器）

2.2.2 PNP三极管

• 扩散

  • 物质会从浓度大的地方扩散到浓度低的地方
  • 比如墨水滴入水中，墨水会四处散开
  • 比如臭味会四处散开
  • 电子也会有扩散作用

• 三极管原理

  • 当发射极(e) 和 基极(b)之间的PN节加上正向电压，也就是eb的电势差：Ve - Vb > 截止电压时。 e ==P > Nb 的PN结导通，电流（空穴）：发射极(e) ==> 基极(b)，电子与电流呈反方向，由 基极(b) ==> 发射极(e) ；
  • 空穴在’N’大量聚集，一部分通过b极流走，另一部分通过c极扩散出去 (c起收集作用，所以被称为集电极)
    • 空穴流动方向如图中红色箭头所示
    • 电流方向与空穴流动方向相同：eb之间电流从e到b，ec之间电流从e到c

• 三极管的使用

  Vcon	eb 之间的 PN结	V2
  3.3V	打通（c极相当于直接连接e）	3.3V（同Vcon）
  0V	未打通	0（GND）

  • 所以，可以用Vcon来控制V2

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三、LED电路与操作

3.1. LED实物

3.2. LED电路

• 可以注意到 电路都加了 限流电阻，目的是 防止电流过大（I = U/R）烧坏发光二级管

• 方式1

  • 芯片引脚	LED状态
    低电平	LED熄灭
    高电平	LED点亮

  • 缺点：芯片发出来的 i 太小了，芯片引脚的驱动能力可能不够，LED亮度低；

• 方式2

  • 芯片引脚	LED状态
    低电平	LED点亮
    高电平	LED熄灭

  • 缺点：电流进入芯片过大时，可能烧毁芯片；

• 方式3

  • 默认LED熄灭（芯片引脚低电平）

  • 芯片不需要输出很大的电流就可以让发光二极管点亮，经常使用

  • 芯片引脚	三极管状态	LED状态
    高电平	导通	点亮
    低电平	不导通	熄灭

• 方式4

  • 默认LED点亮（芯片引脚低电平）

  • 芯片引脚	第一个三极管状态	第二个三极管状态	LED状态
    低电平	不导通	导通	点亮
    高电平	导通	不导通	熄灭

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