树莓派搭建最简单电路

继上次《访问 Win10 IoT》之后,关于树莓派的更新停止了近两周时间,而原因却是因为我误以为新版本的 Win10 不支持开发者模式(只有启用了该模式,才能在树莓派上进行调试)。也因此停止了进一步的更新,好在现在问题终于解决了。(关于这个开发者模式,之后会有介绍)


树莓派在本文中只充当供电作用,目的更多的是介绍一些基础的电路知识(并不会涉及太多树莓派特有的东东),从而让大家了解如何用树莓派搭建一个最简单的电路(让 LED 灯亮起来)

准备环境

一块树莓派

5V电源线

一个 GPIO 扩展板及 40p 的排线(可选)

一个面包板

一只电阻(250~1K 欧姆)

一只发光二极管 (工作电流在 20 mA 左右)

若干导线


电路基础

如果你对电子电路很熟悉,那么就请略过本节。而如果和我一样早就把这些内容还给老师了,那还是一起来温故下吧。


电路

一个最简单的电路可以是由电源、导线、负载(各种电子元器件)和开关构成的回路。开关断开时,电路不通,没有电流。当开关闭合,电路接通,此时电子就会从电源的正极流出,经过导线、负载流向电源的负极。当电流通过负载的时候,会把电能转换成各种其它能量,比如光能、热能等。

摘自网络


电流、电压电阻

把这三个概念对应到日常生活中比较常见的水流、水压和水流阻力 后,相信大家就明白了。

当水从高往低流的时候就形成了水流;当水位存在高低之差的时候就有了水压,在水压之下,水才会开始流动;但是水流是否通畅还要考虑各种障碍物对水流造成的阻力。

在电路知识中,电压用符号 U 表示,单位 伏特(V);电流用符号 I 表示,单位安培(A);电阻用符号 R 表示,单位欧姆。


试想一下,如果障碍物不变,当高低落差越大的时候,水流的速度是不是就越快?如果水压一样,但是障碍物变多了,那是不是水流就变小了?如果你能理解这个,那就已经理解了欧姆定律了。

I = U/R


串联电路

就是把多个负载用导线串在一起,把 负载A 的输出接到 负载B 的输入上,从而让电流可以依次通过这些负载。当元器件串联在一起的时候,相当于往水管里放了一串的障碍物,阻值就是两个障碍物的阻值之和即 R1+R2。

摘自网络


并联电路

相当于装了两根水管进行分流,就如下图所示,并联的时候每个支流的电压是相同的,分支的电流则取决于电阻的大小,主线上的电流等于分支电流之和。多个负载并联,总阻值 R = R1*R2 / (R1+R2)。

摘自网络



既然讲了这么基础的东西,就顺带介绍下个别硬件,免得大家再去找度娘。

面包板

上图就是本次要用的面包板,主要是为了作电路实验用的。可以看到上面布满了小孔,而每个小孔下面都连着导线,这样我们只需要把对应的元器件的针脚插进去就好了,不需要再用电铬铁把导线和元器件焊在一起了。

最上面和最下面的两排,每一排的小孔都是横向连通的,而每排之间是没有任何连接的。

除了这4排,中间的8排则只有纵向连通,而横向的断开的。也就是说每一列的小孔都是连在一根导线上的,而每列之间则互不连通(注意,这8排分为2组,上4排和下4排,2组之间没有任何连接)


当然,市面上除了这种面包板外,还有其它尺寸的,一般都差不多。


发光二极管

你或许对它的英文简称很熟悉:LED。因为它只需要很小的电压就可以点亮,所以很节能。

二极管是有正负的,如果接反了是无法点亮的。一般判断正负,可以通过这几种办法:1、针脚长的是正极,短的是负极;2、LED 管体内,大的是负极,小的是正极。


动手吧

这个实验很简单,就是让一个 LED 灯能够亮起来。下面,先把这些硬件连起来,电源最后再接。

上图中红色 LED 灯的短脚与电阻的一端插在同一列上表示这两个元件串联在一起(注,蓝色为导线)


在不用树莓派的情况下,可以选用 5V 的 USB 充电器对电路供电。要想让 LED 发光,只需 20mA 的电流(电流不能太大,否则容易烧毁 LED),一般 USB 充电器提供的输出电压/电流分别是 5V/1A。为了让电流减小到 20 mA,根据欧姆定律可知,需要 250 欧姆的电阻,如果你手边没有 250欧 的电阻,可以通过前面所讲的串并联方式得到。(LED 实际工作电流可能很小,所以电阻大点也不是问题)


接着,把树莓派接上去,让它为这个电路供电。这里要用到一个到现在还没有介绍的一组针脚 GPIO (通用输入输出),树莓派 2B 提供了 40 个针脚,不同的针脚有不同的作用:

图片来自《Build your first IoT Core Application

不同的操作系统可能会保留个别针脚用于其它用途。

从上图中可知,针脚2和4可以向外提供 5V 电压,针脚6提供接地,把它和之前的电路连起来:

用红色表示正极,以便大家能看清楚。


上图中,用红色导线把树莓派针脚2和面包板的第二排相连,然后将针脚6和第一排相连,构成一个闭合的回路。如果此时对树莓派通电(不需要操作系统),那么一行代码都不需要就可以让这个 LED 灯亮起来。


这个就是实际连接后的样子,照片中的彩虹排线和 GPIO 扩展板只是为了把树莓派上的针脚映射到面包板而已。


下一篇,我将介绍如何用 C# 来控制这个 LED 的开关。

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