【硬件设计】如何利用少的IO口控制多个LED

suzuki

在项目中经常会遇到单片机IO口资源不够用的情况，那么如何让单片机的IO口利用最大化呢，这里分享一下几种方法。

一、如何使用1个GPIO口控制2个LED灯显示四种状态

1、LED的两大特性：

1).单向导电性

2).阈值特性：在LED两端加压到一定的阀值电压后才能导通（材料不同，阀值电压不同）

2、电路设计

并联



3、原理详解

1).IO口为高阻态时，两个LED均熄灭

2).IO口为高电平的时候，红色LED点亮

3).IO口为低电平的时候，黄色LED点亮

4).IO口输出方波信号（频率大于100Hz），两个LED交替点亮，根据人眼视觉惰性，两个灯相当于都点亮

限制：电源电压只有5V，只有部分低阀值的LED可点亮

解决方法：

串联



1).IO口为高阻态时，两个LED均熄灭（两个LED导通所需电压大于电源电压）

2).IO口为高电平的时候，蓝色LED点亮

3).IO口为低电平的时候，绿色LED点亮

4).IO口输出方波信号（频率大于100Hz），两个LED交替点亮，根据人眼视觉惰性，两个灯相当于都点亮

总结：当两个LED导通电压大于电源电压时，串联

当两个LED导通电压小于电源电压时，并联

LED灯驱动

使用NPN和PNP三极管

如果是一个IO口，IO口驱动电流很小。控制两个LED灯时不能同时发光也就是一个发光一个不发光，则可以使用如下电路；两个三极管一个NPN一个PNP来实现LED灯控制。



使用NPN和NPN

如果是一个IO口，IO口驱动电流很小。控制两个LED灯时不能同时发光也就是一个发光一个不发光，则可以使用如下电路；两个三极管都是NPN三极管，因为NPN从集电极拿出来信号，刚好是和基极信号相位相反的。



直接驱动无需放大

如上所示，LED灯直接可以用IO口驱动，此时一个接成IO口上拉的形式；一个接成IO口下拉的形式，此时IO口高低状态会驱动不同颜色的了的LED灯发光。



两个NPN使用两个IO口

IO口无法驱动而且需要使用两种不同颜色的LED灯时，我们可以直接使用两个NPN三极管来驱动；当然也可以使用PNP三极管。



以上两种灯需要交替亮起来一般很常见，例如系统正常工作时需要红色指示灯亮起来，但是待机时，需要绿色指示灯亮起来。

请注意红色、绿色、蓝色LED灯除了颜色不一致，正常发光时的压降也是不一致的；如下所示：

红色：1.6~2.0V

绿色：2.2~2.5V

蓝色：2.5~3.1V

小知识：2014年诺贝尔物理学奖，被授予日本名古屋大学、名城大学教授赤崎勇，名古屋大学教授天野浩，以及美国加州大学圣芭芭拉分校教授、美籍日裔科学家中村修二，以表彰他们发明了蓝色发光二极管（LED），并因此带来的新型节能光源｡

二、如何使用两个IO口控制三个LED灯

方法一：





S1和S2分别接单片机两个IO口，这里通过一个单刀双掷按键模拟IO口输出高低电平。

S1和S2同时为低电平时，LED灯全灭。

S1为低电平，S2为高电平时，LED2亮。

S1为高电平，S2为低电平时，LED3亮。

S1为高电平，S2为高电平时，LED1亮。

方法二：





S3和S4分别接单片机两个IO口，这里通过一个单刀双掷按键模拟IO口输出高低电平。

S3和S4同时为低电平时，LED4亮。

S3为低电平，S4为高电平时，LED6亮。

S3为高电平，S4为低电平时，LED5亮。

S3为高电平，S4为高电平时，LED5、LED6同时亮。

方法三：





S1和S2分别接单片机两个IO口，这里通过一个单刀双掷按键模拟IO口输出高低电平。

S1和S2同时为低电平时，LED灯全灭。

S1为低电平，S2为高电平时，LED3亮。

S1为高电平，S2为低电平时，LED2亮。

S1为高电平，S2为高电平时，LED1亮。

方法四：





S3和S4分别接单片机两个IO口，这里通过一个单刀双掷按键模拟IO口输出高低电平。

S3和S4同时为低电平时，LED灯全灭。

S3为低电平，S4为高电平时，LED6亮。

S3为高电平，S4为低电平时，LED5亮。

S3为高电平，S4为高电平时，LED4亮。

通过两个IO口的高低电平4种组合方式，结合外部电路就可以控制3个LED灯的亮灭。

三、如何用3个IO口控制6个LED灯



这个电路用到了单片机GPIO的三种状态：高电平 低电平 高阻态

所谓“高阻态”，是指GPIO对外部电路表现出极大的阻抗。因阻抗很大，几乎不会吸入电流，也不会对外输出电流。

各个LED灯单独亮起，分为六种情况。

1、当只有LED1亮起时，单片机各GPIO的状态如下：（带箭头的红线为电流回路）



2、当只有LED2亮起时，单片机各GPIO的状态如下：



3、当只有LED3亮起时，单片机各GPIO的状态如下：



4、当只有LED4亮起时，单片机各GPIO的状态如下：



5、当只有LED5亮起时，单片机各GPIO的状态如下：



6、当只有LED6亮起时，单片机各GPIO的状态如下：



整理如下：



就是这么简单！

使用该方法，n个GPIO可以驱动 n*(n-1) 个LED，所以：

使用2个GPIO可以驱动2个LED。

使用3个GPIO可以驱动6个LED。

使用4个GPIO可以驱动12个LED。

以此类推。

这种方式能够实现的基础是：

单片机GPIO的三个状态：高电平、低电平、高阻态。

LED具有单向导电性。

查理复用设计的方法：

任意两个GPIO引脚之间串入两个LED，这两个LED为并联，且LED方向相反。

当你想要点亮某个特定的LED时，就将其两端所连接到的GPIO引脚分别设定为高电平和低电平，其它剩余的GPIO引脚设定为高阻态。

下面从最简单的开始，一步一步体会查理复用的电路设计。

1、使用2个GPIO时最简单：



LED1亮起时：



LED2亮起时：



这里只用到高电平、低电平的状态，不需要用高阻态的状态。

2、使用3个GPIO时，前面已经分析过：



可以等效为下图：



可以看出，确实是任意两个GPIO之间均串入了两个并联的LED，且LED方向相反。

查理复用这样的电路接法也会引发一些问题。

首先，LED亮起时完全由单片机的GPIO输出电流，所以对于GPIO的电流驱动能力有一定的要求。设计电路时要注意查询自己使用的MCU的电流驱动能力，下图是STM32单片机中对GPIO电流驱动能力的说明：



其次，如果出现了某个LED开路或短路的情况，电流的流向会被打乱，LED亮起来的逻辑会变得错乱。最坏的情况下，电路会对GPIO索取大电流，导致单片机损坏。下图是假设LED1短路，那么在点亮LED5时，LED3也会亮起：