microbit的外围电路

microbit自带的LED、按钮和传感器已经很有趣了但想让它真正“走进生活”——感知光线的明暗、发现火情、控制灯和风扇的开关——就需要给它接上外围电路传感器负责“感知”蜂鸣器、继电器等负责“动作”。这份任务说明书带你借助micro:bit硬件扩展板认识光敏电阻传感器模块、火焰传感器和继电器三类常用模块学会它们的作用和接线方式并通过读取光线数值、火焰报警联动、按键控制继电器三个小实验体会“高低电平”和“信号变化”是怎样在电路中传递的。1.1 任务介绍本任务介绍如何用 micro:bit 硬件扩展板连接外围模块完成“感知—判断—动作”的简单电路。整个实现流程为认识硬件扩展板及高低电平→光敏电阻传感器模块接线并读取光线数值→火焰传感器分别联动 RGB 灯和有源蜂鸣器→继电器电路微动开关继电器RGB 灯接线→完成任务巩固并设计自己的物联网应用方案。完成本任务后将能够独立识别常用模块的引脚、完成 micro:bit 的硬件接线并理解数字信号中高低电平的含义。1.2 知识储备1.2.1 micro:bit 硬件扩展板硬件扩展板把 micro:bit 的全部引脚引出并用黄、红、黑、红四种颜色区分出 4P 接口方便连接 3-5V 的传感器模块。扩展板的各部分位置如下图所示对照上图扩展板上的 4P 接口从上到下四排依次标注为 SIG信号、3.3V、GND地、5V。后面接线中的“SIG”“GND”“VCC-3V”“VCC-5V”就是指扩展板上的这几排接口。扩展板的主要参数和注意事项如下供电方式有 USB 供电口和电池盒供电口两种只能二选一不能同时接。串口引出串口可以进行 IO 口映射。I²C 口引出19、20 引脚只能作为 I²C 功能引脚使用因为 micro:bit 底层的原因不能作为普通的 IO 口读写。引脚使用因为主板的点阵屏等共用了 P3LED Col1、P4LED Col2、P5BUTTON A、P6LED Col9、P7LED Col8、P9LED Col7、P10LED Col3、P11Button B这些端口其中有些端口使用时需要先关闭点阵屏的屏幕然后再进行控制。传感器支持支持 3-5V 传感器模块micro:bit 全部引脚引出。4P 接口黄、红、黑、红区分的 4P可选电压接口接线时按颜色和标注对应即可。1.2.2 高低电平与信号变化本任务的难点是理解高低电平和信号变化。传感器模块把外界的变化光线、火焰转换成电信号送给 micro:bit 或其他模块这些电信号主要有两种形式1. 数字信号高电平与低电平数字信号只有两种状态高电平常用 1 表示和低电平常用 0 表示就像开关的“开”和“关”。模块上的 DO 输出就是这类数字开关量输出0 和 1可以直接与单片机的 IO 口相连由单片机检测高低电平。2. 模拟信号连续变化的电压AO 输出是模拟电压输出电压大小会随检测到的光线、火焰强弱连续变化。micro:bit 通过模拟读取引脚把它转换成数值数值的大小反映了信号的强弱因此能得到比数字信号更精准的结果。3. 阈值与信号变化模块上的比较器会把检测到的量与设定的阈值比较阈值可用电位器调节。以光敏电阻模块为例环境光线亮度达不到设定阈值时DO 端输出高电平亮度超过阈值时DO 端输出低电平。电平发生翻转就是“信号变化”单片机、继电器等后级电路据此做出反应。此外不同的执行器有各自的触发电平例如本任务中的有源蜂鸣器是低电平触发继电器的 IN 端则可以用高电平或低电平控制其吸合。1.2.3 光敏电阻传感器模块1. 用途光线亮度检测、光线亮度传感器、智能小车寻光模块。2. 模块特色采用灵敏型光敏电阻传感器比较器输出信号干净波形好驱动能力强超过 15mA配可调电位器可调节检测光线亮度工作电压 3.3V-5V输出形式DO 数字开关量输出0 和 1和 AO 模拟电压输出设有固定螺栓孔方便安装小板 PCB 尺寸3.2cm×1.4cm使用宽电压 LM393 比较器。3. 模块使用说明光敏电阻模块对环境光线最敏感一般用来检测周围环境光线的亮度触发单片机或继电器模块等模块在环境光线亮度达不到设定阈值时DO 端输出高电平当外界环境光线亮度超过设定阈值时DO 端输出低电平DO 输出端可以与单片机直接相连通过单片机检测高低电平由此检测环境光线亮度的改变DO 输出端可以直接驱动继电器模块由此可以组成一个光控开关小板模拟量输出 AO 可以和 AD 模块相连通过 AD 转换可以获得环境光强更精准的数值。1.2.4 火焰传感器1. 用途各种火焰、火源探测。2. 模块特色可以检测火焰或者波长在 760 纳米1100 纳米范围内的光源用打火机测试火焰的距离为 80cm火焰越大测试距离越远探测角度 60 度左右对火焰光谱特别灵敏灵敏度可调用模块上的蓝色数字电位器调节比较器输出信号干净波形好驱动能力强超过 15mA配可调精密电位器调节灵敏度工作电压 3.3V-5V输出形式DO 数字开关量输出0 和 1和 AO 模拟电压输出设有固定螺栓孔方便安装小板 PCB 尺寸3.2cm×1.6cm使用宽电压 LM393 比较器。3. 模块使用说明火焰传感器对火焰最敏感对普通光也是有反应的一般用做火焰报警等用途小板输出接口可以与单片机 IO 口直接相连传感器与火焰要保持一定距离以免高温损坏传感器用打火机测试的火焰距离为 80cm火焰越大测试距离越远小板模拟量输出方式和 AD 转换处理可以获得更高的精度。1.2.5 RGB 模块与有源蜂鸣器本任务中RGB 模块和有源蜂鸣器作为“输出端”用来直观地反映传感器的信号变化。1. RGB 模块RGB 模块带有 R、G、B 三个颜色引脚和一个 GND 引脚本任务中用它作为指示灯信号接到哪个颜色引脚就由那个颜色的灯来指示。2. 有源蜂鸣器低电平触发有源蜂鸣器模块有 GND、I/O、VCC 三个引脚。“低电平触发”是指 I/O 引脚收到低电平时蜂鸣器才会发声因此给它的信号电平发生变化蜂鸣器响或不响也就随之改变。1.2.6 继电器1. 继电器的作用继电器的主要作用是将输入信号转换为机械动作通过触点控制电路的通断或转换电路状态广泛应用于电子设备、工业自动化等领域。电磁继电器通过电磁铁的吸合与释放实现电路控制其核心功能包括电路控制与保护继电器可实现弱电控强电例如用 5V 控制信号驱动 220V 灯泡解决小功率设备无法直接驱动大功率负载的问题。同时通过触点切换电压/电流大小保障电路稳定性防止过载损坏设备。信号转换与隔离将输入的电信号转换为机械动作如触点闭合/断开适用于自动化控制场景如工业生产线设备联动、建筑门禁系统自动锁闭等。此外通过电磁隔离保护控制电路避免高电流直接冲击精密电子元件。延时与自锁功能部分继电器具备延时功能通过电感延迟开关动作实现定时控制如时间继电器。自锁功能可维持设备运行状态如门禁系统未关闭时保持锁定提升自动化操作的可靠性。小结继电器的主要作用是用较小的电流控制较大的电流实现自动开关控制在电路中起到自动调节、安全保护和转换电路的重要作用。涉及 220V 等强电时务必注意安全接线和绝缘本任务的实验只使用 5V 电源和 RGB 灯。2. 继电器模块的接口继电器模块分为输入端和输出端各接口的含义如下表所示接口名称说明DC输入端电源正极接电源正极 5VDC-输入端电源负极接电源负极IN输入端控制信号可以用高电平或低电平控制继电器吸合NO输出端常开接口normal open继电器吸合前悬空吸合后与 COM 短接COM输出端公用接口继电器的公用接口NC输出端常闭接口normal close继电器吸合前与 COM 短接吸合后悬空1.3 任务要求能够说出 micro:bit 硬件扩展板的主要接口以及供电、引脚使用方面的注意事项。能够完成光敏电阻传感器模块与 micro:bit 的接线并导入参考代码读取光线数值。能够完成火焰传感器与 RGB 灯、有源蜂鸣器的接线实现火焰报警联动。能够认识继电器的输入端、输出端接口并完成微动开关继电器RGB 灯的接线。能够理解高低电平和信号变化的含义。1.4 任务准备micro:bit 开发板一块、microUSB 线一根、micro:bit 硬件扩展板一块光敏电阻传感器模块一个火焰传感器可调灵敏度一个RGB 模块一个有源蜂鸣器低电平触发一个继电器模块一个、微动开关1 位按键一个导线若干参考代码文件microbit-光线变化.hex打火机用于测试火焰传感器须保持安全距离注意用火安全1.5 任务实施1.5.1 安装硬件扩展板并确定供电方式将 micro:bit 插入硬件扩展板对照 micro:bit 硬件扩展板图片找到扩展板上的指示灯、4P 接口、USB 接口和电池盒接口。扩展板可以用 USB 供电或电池盒供电只能二选一不能同时接。特别提醒micro:bit 自身的电流很小很可能带不动继电器所以做继电器实验时USB 供电必须接到扩展板上才行。1.5.2 光敏电阻传感器模块接线与读取光线数值步骤一硬件接线按下表完成接线。光敏电阻传感器模块的引脚从左到右依次标注为 AO、DO、GND、VCC本实验使用模拟量输出 AO光敏电阻模块扩展板接线标注GNDGNDGND-GNDVCC5VVCC-5VAO模拟输出P0 对应的 SIGSIG(A0-P0)步骤二导入并下载参考代码打开 MakeCode 编程环境 https://makecode.microbit.org/导入代码文件“microbit-光线变化.hex”导入和下载的方法与上一任务相同将程序下载到 micro:bit 上。步骤三理解参考代码程序的执行过程如下在无限循环中一开始以模拟量方式读取信号线 P0 管脚把数值显示在屏幕上停留 5 秒钟判断读取的数值如果数值大于 500显示 LED 为“1”表示超标了暂停 2 秒进行充分显示之后熄灭所有的 LED如果数值小于 500显示 LED 为“0”表示没有超标暂停 2 秒进行充分显示之后熄灭所有的 LED同样条件继续循环。步骤四测试与扩展测试用手捂住光敏电阻传感器即可得出明显的数值变化。注意光线越暗得到的值越大。扩展可以接其他管脚以读取的数值大小去触发管脚的变化比如触发继电器电路控制灯、风扇等执行器的开和关。测试视频如下光强变化1.5.3 火焰传感器RGB 灯按下表完成接线。此实验中 micro:bit 只提供电源和地没有参与软件功能所以不需要编写或下载程序。连接对象连接到接线标注火焰传感器 VCC扩展板 5VVCC-5V火焰传感器 GND扩展板 GNDGND-GND火焰传感器 信号输出RGB 模块 R 引脚SIG(A0-R)RGB 模块 GND扩展板 GNDGND-GND接好后用打火机的火焰靠近火焰传感器观察 RGB 灯的变化可通过传感器上的电位器调节灵敏度。测试时传感器与火焰要保持一定距离以免高温损坏传感器用打火机测试的火焰距离约为 80mm火焰越大测试距离越远。另外火焰传感器对普通光也有反应测试时要注意环境光的干扰。测试视频如下火焰传感器RGB灯1.5.4 火焰传感器有源蜂鸣器在上一个实验的基础上发散思维做一个联动报警当检测到火焰的时候蜂鸣器响起没有检测到火焰的时候蜂鸣器不响。按下表完成接线。同样此处micro:bit只提供电源和地没有参与软件功能。有源蜂鸣器是低电平触发传感器输出的电平变化直接决定蜂鸣器响不响。连接对象连接到接线标注火焰传感器 VCC扩展板 5VVCC-5V火焰传感器 GND扩展板 GNDGND-GND火焰传感器 信号输出有源蜂鸣器 I/OSIG(A0-I/O)有源蜂鸣器 VCC扩展板 5VVCC-5V有源蜂鸣器 GND扩展板 GNDGND-GND测试视频如下火焰传感器有源蜂鸣器1.5.5 继电器电路微动开关继电器RGB灯这个实验用微动开关1位按键控制继电器再由继电器的触点控制RGB灯的亮灭体验“用小信号控制通断”的过程。按下表完成接线连接对象连接到接线标注微动开关 VCC扩展板 5VVCC-5V微动开关 GND扩展板 GNDGND-GND微动开关 S继电器 INS-IN继电器 DC扩展板 5VDC-5V继电器 DC-扩展板 GNDDC--GND继电器 COM扩展板 5VCOM-5V继电器 NORGB模块 R引脚NO-RRGB模块 GND扩展板 GNDGND-GND注意micro:bit的电流太小很可能会带不动继电器USB供电必须接到扩展板上才行。工作过程按下微动开关按键信号送到继电器的IN端继电器吸合常开接口NO与公用接口COM短接COM接的5V电源经NO送到RGB模块的R引脚RGB灯被点亮。松开按键后继电器释放NO重新悬空灯熄灭。测试视频如下微动开关继电器RGB灯1.5.6 效果验收完成以上实验后对照下面的现象检查自己的作品光敏电阻实验屏幕能显示P0读到的数值用手捂住传感器后数值明显变大并按500的界限显示“1”或“0”。火焰传感器RGB灯火焰靠近传感器时RGB灯随信号变化而变化。火焰传感器有源蜂鸣器检测到火焰时蜂鸣器响起没有检测到火焰时蜂鸣器不响。继电器电路按下微动开关继电器吸合RGB灯被点亮松开后灯熄灭。1.6 任务巩固1.6.1 判断题1光敏电阻模块只能输出模拟信号不能输出数字信号。答案错误解析光敏电阻模块具有两种输出形式DO数字开关量输出和AO模拟电压输出因此它既可以输出数字信号也可以输出模拟信号。2火焰传感器对普通光线也有一定反应不只是对火焰敏感。答案正确解析火焰传感器对火焰最敏感对普通光也是有反应的因此使用时需注意环境光干扰。3在使用micro:bit控制继电器时继电器可以直接控制220V家用电器。答案正确解析继电器的作用之一就是“弱电控强电”可以用5V控制信号驱动220V负载但需注意安全接线和绝缘。4micro:bit的所有引脚都可以作为普通IO口使用不受任何限制。答案错误解析19、20引脚只能作为I²C功能引脚使用不能作为普通IO口。此外部分引脚如P3、P4、P5等与点阵屏或按钮共用使用时需注意冲突。1.6.2 单选题5以下哪个模块具有“延时控制”和“自锁功能”A. 光敏电阻模块 B. 火焰传感器 C. 继电器模块 D. RGB灯模块答案C解析继电器具备延时功能和自锁功能适用于定时控制和状态保持。6在光敏电阻模块中当环境光强度超过设定阈值时DO引脚输出什么电平A. 高电平 B. 低电平 C. 悬空 D. 脉冲信号答案B解析当光线亮度超过设定阈值时DO端输出低电平低于阈值时输出高电平。7以下哪个传感器最适合用于“火焰报警”场景A. 光敏电阻B. 温度传感器C. 火焰传感器D. 土壤湿度传感器答案C解析火焰传感器专为火焰探测设计对火焰光谱灵敏常用于火灾报警系统。1.6.3 多选题8以下哪些模块可以通过micro:bit的模拟引脚读取数据A. 光敏电阻模块 B. 火焰传感器C. 继电器模块 D. RGB灯模块答案A、B解析光敏电阻和火焰传感器都带有AO模拟输出接口可连接micro:bit的模拟引脚进行数据采集。继电器和RGB灯通常使用数字控制。9以下哪些应用涉及“按钮继电器执行器”的组合A. 智能台灯控制器B. 植物浇水提醒器C. 迷你车库门演示D. 火焰传感器报警器答案A、C解析智能台灯和迷你车库门都明确使用按钮触发继电器控制执行器灯、电机。植物浇水提醒器虽用继电器但触发条件是传感器而非按钮火焰传感器报警器也未使用按钮触发。