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在項目中經(jīng)常會遇到單片機(jī)IO口資源不夠用的情況，那么如何讓單片機(jī)的IO口利用最大化呢，這里分享一下幾種方法。
一、如何使用1個GPIO口控制2個LED燈顯示四種狀態(tài)
1、LED的兩大特性：
1).單向?qū)щ娦?/p>
2).閾值特性：在LED兩端加壓到一定的閥值電壓后才能導(dǎo)通（材料不同，閥值電壓不同）
并聯(lián)
3、原理詳解
1).IO口為高阻態(tài)時，兩個LED均熄滅
2).IO口為高電平的時候，紅色LED點(diǎn)亮
3).IO口為低電平的時候，黃色LED點(diǎn)亮
4).IO口輸出方波信號（頻率大于100Hz），兩個LED交替點(diǎn)亮，根據(jù)人眼視覺惰性，兩個燈相當(dāng)于都點(diǎn)亮
限制：電源電壓只有5V，只有部分低閥值的LED可點(diǎn)亮
解決方法：
串聯(lián)
1).IO口為高阻態(tài)時，兩個LED均熄滅（兩個LED導(dǎo)通所需電壓大于電源電壓）
2).IO口為高電平的時候，藍(lán)色LED點(diǎn)亮
3).IO口為低電平的時候，綠色LED點(diǎn)亮
4).IO口輸出方波信號（頻率大于100Hz），兩個LED交替點(diǎn)亮，根據(jù)人眼視覺惰性，兩個燈相當(dāng)于都點(diǎn)亮
總結(jié)：當(dāng)兩個LED導(dǎo)通電壓大于電源電壓時，串聯(lián)
當(dāng)兩個LED導(dǎo)通電壓小于電源電壓時，并聯(lián)
LED燈驅(qū)動
使用NPN和PNP三極管
如果是一個IO口，IO口驅(qū)動電流很小。控制兩個LED燈時不能同時發(fā)光也就是一個發(fā)光一個不發(fā)光，則可以使用如下電路；兩個三極管一個NPN一個PNP來實(shí)現(xiàn)LED燈控制。
使用NPN和NPN
如果是一個IO口，IO口驅(qū)動電流很小。控制兩個LED燈時不能同時發(fā)光也就是一個發(fā)光一個不發(fā)光，則可以使用如下電路；兩個三極管都是NPN三極管，因為NPN從集電極拿出來信號，剛好是和基極信號相位相反的。
直接驅(qū)動無需放大
如上所示，LED燈直接可以用IO口驅(qū)動，此時一個接成IO口上拉的形式；一個接成IO口下拉的形式，此時IO口高低狀態(tài)會驅(qū)動不同顏色的了的LED燈發(fā)光。
兩個NPN使用兩個IO口
IO口無法驅(qū)動而且需要使用兩種不同顏色的LED燈時，我們可以直接使用兩個NPN三極管來驅(qū)動；當(dāng)然也可以使用PNP三極管。
以上兩種燈需要交替亮起來一般很常見，例如系統(tǒng)正常工作時需要紅色指示燈亮起來，但是待機(jī)時，需要綠色指示燈亮起來。
請注意紅色、綠色、藍(lán)色LED燈除了顏色不一致，正常發(fā)光時的壓降也是不一致的；如下所示：
紅色：1.6~2.0V
綠色：2.2~2.5V
藍(lán)色：2.5~3.1V
小知識：2014年諾貝爾物理學(xué)獎，被授予日本名古屋大學(xué)、名城大學(xué)教授赤崎勇，名古屋大學(xué)教授天野浩，以及美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校教授、美籍日裔科學(xué)家中村修二，以表彰他們發(fā)明了藍(lán)色發(fā)光二極管（LED），并因此帶來的新型節(jié)能光源?
二、如何使用兩個IO口控制三個LED燈
方法一：
S1和S2分別接單片機(jī)兩個IO口，這里通過一個單刀雙擲按鍵模擬IO口輸出高低電平。
S1和S2同時為低電平時，LED燈全滅。
S1為低電平，S2為高電平時，LED2亮。
S1為高電平，S2為低電平時，LED3亮。
S1為高電平，S2為高電平時，LED1亮。
方法二：
S3和S4分別接單片機(jī)兩個IO口，這里通過一個單刀雙擲按鍵模擬IO口輸出高低電平。
S3和S4同時為低電平時，LED4亮。
S3為低電平，S4為高電平時，LED6亮。
S3為高電平，S4為低電平時，LED5亮。
S3為高電平，S4為高電平時，LED5、LED6同時亮。
方法三：
S1和S2分別接單片機(jī)兩個IO口，這里通過一個單刀雙擲按鍵模擬IO口輸出高低電平。
S1和S2同時為低電平時，LED燈全滅。
S1為低電平，S2為高電平時，LED3亮。
S1為高電平，S2為低電平時，LED2亮。
S1為高電平，S2為高電平時，LED1亮。
方法四：
S3和S4分別接單片機(jī)兩個IO口，這里通過一個單刀雙擲按鍵模擬IO口輸出高低電平。
S3和S4同時為低電平時，LED燈全滅。
S3為低電平，S4為高電平時，LED6亮。
S3為高電平，S4為低電平時，LED5亮。
S3為高電平，S4為高電平時，LED4亮。
通過兩個IO口的高低電平4種組合方式，結(jié)合外部電路就可以控制3個LED燈的亮滅。
三、如何用3個IO口控制6個LED燈
這個電路用到了單片機(jī)GPIO的三種狀態(tài)：高電平 低電平 高阻態(tài)
所謂“高阻態(tài)”，是指GPIO對外部電路表現(xiàn)出極大的阻抗。因阻抗很大，幾乎不會吸入電流，也不會對外輸出電流。
各個LED燈單獨(dú)亮起，分為六種情況。
1、當(dāng)只有LED1亮起時，單片機(jī)各GPIO的狀態(tài)如下：（帶箭頭的紅線為電流回路）
2、當(dāng)只有LED2亮起時，單片機(jī)各GPIO的狀態(tài)如下：
3、當(dāng)只有LED3亮起時，單片機(jī)各GPIO的狀態(tài)如下：
4、當(dāng)只有LED4亮起時，單片機(jī)各GPIO的狀態(tài)如下：
5、當(dāng)只有LED5亮起時，單片機(jī)各GPIO的狀態(tài)如下：
6、當(dāng)只有LED6亮起時，單片機(jī)各GPIO的狀態(tài)如下：
整理如下：
就是這么簡單！
使用該方法，n個GPIO可以驅(qū)動 n*(n-1) 個LED，所以：
使用2個GPIO可以驅(qū)動2個LED。
使用3個GPIO可以驅(qū)動6個LED。
使用4個GPIO可以驅(qū)動12個LED。
以此類推。
這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)的基礎(chǔ)是：
單片機(jī)GPIO的三個狀態(tài)：高電平、低電平、高阻態(tài)。
LED具有單向?qū)щ娦浴?/p>
查理復(fù)用設(shè)計的方法：
任意兩個GPIO引腳之間串入兩個LED，這兩個LED為并聯(lián)，且LED方向相反。
當(dāng)你想要點(diǎn)亮某個特定的LED時，就將其兩端所連接到的GPIO引腳分別設(shè)定為高電平和低電平，其它剩余的GPIO引腳設(shè)定為高阻態(tài)。
下面從最簡單的開始，一步一步體會查理復(fù)用的電路設(shè)計。
1、使用2個GPIO時最簡單：
LED1亮起時：
LED2亮起時：
這里只用到高電平、低電平的狀態(tài)，不需要用高阻態(tài)的狀態(tài)。
2、使用3個GPIO時，前面已經(jīng)分析過：
可以等效為下圖：
可以看出，確實(shí)是任意兩個GPIO之間均串入了兩個并聯(lián)的LED，且LED方向相反。
查理復(fù)用這樣的電路接法也會引發(fā)一些問題。
首先，LED亮起時完全由單片機(jī)的GPIO輸出電流，所以對于GPIO的電流驅(qū)動能力有一定的要求。設(shè)計電路時要注意查詢自己使用的MCU的電流驅(qū)動能力，下圖是STM32單片機(jī)中對GPIO電流驅(qū)動能力的說明：
其次，如果出現(xiàn)了某個LED開路或短路的情況，電流的流向會被打亂，LED亮起來的邏輯會變得錯亂。最壞的情況下，電路會對GPIO索取大電流，導(dǎo)致單片機(jī)損壞。下圖是假設(shè)LED1短路，那么在點(diǎn)亮LED5時，LED3也會亮起：
審核編輯：黃飛
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工商網(wǎng)監(jiān)
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