「连载14」LED 小灯的原理解析｜学单片机做四轴飞行器项目故事

《 STC15 单片机实战指南（ C 语言版）》 一书以一坚科技研发的飞天三号（ FSST15-V1.0）实验板为硬件平台， 以《 深入浅出玩转 STC15 单片机》为配套视频， 由清华大学出版社权威出版， 并且分别是 STC 官方大学计划和高校高性能联合实验室推荐教程和视频， 版权归作者和清华大学出版社所有。

本资料以个人学习、 工作经验以及宏晶科技单片机技术为素材， 以单片机初学者、单片机项目开发者为对象， 教大家如何走进单片机，继而达到开发工程项目（如：四轴飞行器设计，多功能收音机等）为目的。 限于时间和水平关系，资料中难免有过失之处，望各位高手批评指教，多多拍砖，拍累了，你们休息，我继续上路。

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作者 | 残弈悟恩

编辑 | Garen

要熟练操作 LED 小灯，必须要对其内部特性和发光特性加以了解，这样才能更好的控制 它。

3.8.1 LED 灯的原理说明

LED（Light Emitting Diode），发光二极管，简称 LED，是一种能将电能转换为可见光 的固态半导体器件。LED 的核心是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，连接电 源的正极使整个晶片被环氧树脂封装起来，另一端是负极。半导体晶片由两部分组成，一部 分是 P 型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是 N 型半导体，在这边主要是电子。但 这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成了一个“P-N 结”。当电流通过导线作用于 这个晶片的时候，电子就会被推向 P 区，在 P 区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式 发出能量，这就是 LED 发光的原理。至于颜色，读者可以自行查阅资料，概况说，电子与空 穴复合时释放出的能量决定了光的波长，波长决定了发光的颜色。

LED 品种繁多，如何识别正负，常见的有直插式和贴片式两种，如何区分 LED 的正负极是很多初学者经常问到的问题，常见的方法有观察法和万用表测量法。

1、观察法。直插式 LED：直插式的 LED 如果是全新的，可以通过引脚长短来判别发光 二极管的正负极，引脚长的为正极，短的为负极。还有就是拿手上，一抹就知道（发光二极 管的环氧树脂封装上有个缺口的是负极）；贴片 LED：俯视，一边带彩色线的是负极，另一边是正极。

2.万用表测量法。这里讲述数字式（不是指针式的）。将万用表打到二极管测试档，两 表笔接触二极管的两个脚，若二极管发光，说明红表笔接的是正极，黑表笔接的是负极。若 不亮，情况刚好相反。

3.8.2 LED 小灯的硬件电路

对于 LED 来说，总共两个引脚，在电路设计上没有难度，这里以 FSST15 开发板上的原 理图来做讲解。通常情况下，LED 内部需要通过一定的电流且存在一定的压差（也即压降） 才能使得其发光。通常使用的 LED 的工作电流为 3~20mA 左右，但二极管本身的内阻又比较 小，所以不能直接将两端接电源和 GND，而需要加一个限流电阻（阻值如何计算，请看后面 分解），限制通过 LED 的电流不要太大，LED 原理图如图 3-33 所示。

该方式的 LED 驱动电路是将正极接在 3.3V（高电平）上，负极再串联一个 47OΩ 的限流 电阻，再接到单片机的 I/O 口上，这样，只需给 LED1~LED12 所对应的 I/O 口上低电平，就 可以点亮 LED；还有一种接法是将 LED 的正极接单片机的 I/O 口，再通过一限流电阻，将负 极接地，单片机输出高电平，就可以点亮 LED，但是需要将 I/O 设置为强推挽输出模式。但 事实上是单片机上电之后 I/O 口默认电平为高电平，这样，从工程的角度考虑，单片机上电以后，LED 就会工作，这并不是我们想要的结果，所以一般不建议这么设计电路，当然具体 设计依情况而定。

图 3-33 FSST15 开发板上 LED 原理图

经上述分析，LED 两端只要有一合适的压差和电流，就会点亮 LED。那么单片机又是如 何控制的呢。举个例子，要有水流，必须有水压差，同样，要有电流，就得有电压差，结合 上图，LED 的正极已经接了高电平，那如果 LED1~LED12 所对应的单片机端口也为高电平， 这样，LED 的左右电平都是高电平（3.3V），则就没有压差，所以就没有电流，则 LED 就不 会亮，相反若单片机端口为低电平，从而 LED 两端则会有压差（左低、右高），这样 LED 灯 就会被点亮。至于这里的 LED1~LED11，肯定都接了单片机的 I/O，具体接到了哪里，请参考 附录的 FSST15 原理图。这里读者唯独需要注意的是，原理图中，网络标号相同，表示此线 是在电气特性上是相连接的。同时需要注意的是，开发板上资源过多，I/O 口不够，这里将 LED11 和 RS485 的方向控制脚都连接到了 P3.6 引脚上。

3.9 LED 小灯的应用实例

通过以上学习，大家已经扫除了 LED 原理和硬件障碍，现在来看看如何借助单片机用软 件来控制 LED，由原理图可知，12 个 LED 全都接在单片机的 I/O 口上，这里只需将其对应口 线的电平高低就可以实现控制 LED 的亮灭。为了不把新手们扼杀在萌芽阶段，先不讲解单片 机的原理，所以只需依葫芦（前面讲述的 Keil5 开发流程）画瓢（剪刀、浆糊下面的例程），继而熟悉开发流程并点亮一颗 LED 小灯。

不知读者是否还记得，学完第 2 章之后，所预留的第 3 个问题，仔细观察过的读者应该 知道，D9 发光二极管被点亮了，具体实例请读者查看 2.3 小节，点亮一个 LED 灯的效果如图 3-34 所示，此时，读者应该感到高兴，毕竟已经点亮了一个小灯，星星之火可以燎原嘛， 所以，只要读者带着坚持和渴望的心态，那么接下来学习将会变的更简单。

图 3-34 点亮一个 LED 的效果图

3.9.1 LED 闪烁实例

估计有些读者已经按捺不住内心的好奇心，觉得只点亮 LED 还不能满足，想实现 LED的闪烁，那该如何实现呢？

该实例对于 C 语言基础比较好的读者来说，应该比较简单，无非就是反复循环的点亮→延时→熄灭→延时，但对于初学者，估计还是有些难度，因为该实例相对于第二章的实例出现了好多新名词，例如 Delay1000ms延时函数、头文件“STC15.h”等，在这里，笔者对 这些知识点先不做讲述，读者只需按照开发流程，把程序多写几遍，熟悉开发流程和基本的编程技巧就够了，具体内容等读者学习了下节课的模块化编程，这些问题就会变得简单了。 最后编译生成 HEX 文件，下载到单片机中，读者应该能够观察到，FSST15 开发板上的 LED（D19）小灯开始闪。

3.9.2 LED 跑马灯实例

有了 3.9.1 实例基础，我们再对其加以升级，让其开发板上的 12 个 LED 全部依次开始 闪烁，这样就可实现 LED 跑马灯的效果，也即 LED 像一匹骏马驰骋于开发板上，不同的时刻， 出现在不同的位置，需要注意的是，同一时刻，只有一个 LED 是点亮的。这里忽略单片机自 身运行时间的差异。

这里很巧妙的用了 KeilC51 自带的函数库_crol_，该函数包含在“intrins.h”头 文件中，所以需要增加一句#include 《intrins.h》包含该头文件。_crol_函数的功能是 循环左移，什么是循环左移，什么是左移，什么又是右移、或者循环右移，结合图示来说明， 如图 3-35、3-36、3-37、3-38 所示。

图 3-35 左移示意图

图 3-36 循环左移示意图

图 3-37 右移示意图

图 3-38 循环右移示意图

有了以上的图示，笔者相信，C 语言中的“《《”、“》》”和循环左、右位移应该不难理解，之后读者自行编程下载，观察其实验现象。

3.9.3 LED 流水灯实例

流水灯顾名思义就是让 LED 如同流水一般，从无灯亮，到亮一个，再到亮二个，以此类 推，亮 3 个、4…12 个，最后全部熄灭，再周而复始的循环下去，先看源码，再做讲述。

此程序了，就不做详细说明了，读者只需结合上面的左移示意图和ft寨流程图，流程 图如图 3-39（右半部分）所示，为了和跑马灯例程相对比，笔者还画了跑马灯的示意图， 这样只有读者对其两者进行对比，肯定能看出端倪，同时应该能掌握其运行的过程。

图 3-39 跑马灯和流水灯示意图

这里讲述跑马灯和流水灯，不仅要熟悉开发流程，还需掌握和积累 C 语言以及一些 C51 的自带函数，只有不断的积累、重复、思考，才能做到由“量变”到“质变”。单片机的学 习不同于别的学科，当你真正做几个实验入门以后，你会发现“她”很有魅力，一直吸引着你，不厌不弃！

单片机小制作，LED小灯瓶

有一天在网上看到一个制作——LED电子萤火虫，我感觉电路很有特点，于是就想仿制一个。那个LED电子萤火虫用的是ATtiny13单片机来控制，我也正好有。而且硬件制作比较简单，成本也不高，10元钱都不到，就能DIY一个。虽然简单，但是制作却需要耐心和细心，毕竟需要连接12个LED，焊接的工作量不少，我自己用了一个下午才完成，而程序更是陆陆续续地写了几个小时。

估计你会很好奇地问，一共才6个可用I/O引脚的 ATtiny13，怎么能驱动12个LED呢?其实，我要告诉你，它不仅可以点亮每个LED，而且还能控制每个LED的亮度呢!这才是本次制作的精华。在制作的过程中，发生了一点小小的意外。由于我购买的JST充电线和原来的充电器引脚相反，致使我原本打算使用的小型锂电池损坏，不能充电。在万般无奈的情况下，我只好更换体积更大的锂电池了。

主要材料

图6.1 制作所需的主要材料

这次的主要元器件就是ATtiny13单片机和12个LED。当然还有双绞线、洞洞板、电池、空瓶子、电阻等其他辅助材料，如图6.1所示。

本制作使用的是8个引脚的ATtiny13单片机，这款单片机现在的价格很便宜，4元左右就能买到。ATtiny13 是AVR 单片机，它有1KB 的 Flash、64B 的EEPROM、64B 的SRAM、6 个通用I/O口线、32个通用工作寄存器、1个具有比较模式的8位定时器/计数器、片内/外中断、4路10位ADC、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，以及3种可以通过软件进行选择的省电模式。12个LED为普通的3mm发黄色光的LED。

制作过程

1 焊接单片机插座。

2 焊接两个电阻。

3 双绞线套入热缩管后，焊接LED。焊接好后，用打火机加热热缩管，使其收缩固定。最后，别忘了再扭下热缩管。

4 焊接好的12个LED。

5 双绞线焊接到洞洞板上。

6 洞洞板和双绞线焊接好的效果。

7 焊接JST插头、锂电池和开关。

8 在瓶子上开口。

9 用热熔胶固定。

10 装入瓶子中。

控制原理

为什么6个I/O能控制12个LED呢?它们之间会不会相互影响呢?其实，这样的连接方式不仅能控制每个LED，还能控制其亮度呢!之所以能这样连接，是因为AVR单片机的每个I/O都是3态输出。如果用普通51单片机，这样连接是不行的。

那么又是如何控制LED的亮度呢?控制亮度的关键是ATtiny13的两路PWM，它们可以分别设置连接到PB0和PB1引脚上。在ATtiny13使用内部振荡器的情况下，PWM的最高频率可设置为47.5kHz。而且PWM的极性可以通过设置寄存器而改变，这使得12个LED亮度的控制更加简单了。

先谈谈如何控制每个LED单独的亮和灭。ATtiny13的每个I/O都有4种状态，即输出0状态、输出1状态、高阻态(悬空态)、带上拉电阻的高阻态。要使LED亮，必须要让LED中流过正向的电流，如果要让最左边的LED亮，PB1输出1、PB2输出0即可。但是，其他不相关的引脚需要设置成高阻态。否则，如果PB0此时也为1的话，第2个LED也会亮。总之，为了保证其他LED不受到影响，在设置某个灯亮时，必须先把所有I/O设置成不带上拉的高阻态。

能控制亮和灭有什么了不起?呵呵，其实还能控制每个LED单独的渐变，就是渐渐变亮，渐渐变暗。我举个例子吧，如果要最左边的LED渐渐变亮，就先设置PB2引脚为0电平，PB1引脚设置为高电平驱动的PWM波。然后，程序逐渐控制PB1的PWM状态，通过调整PWM高电平的脉宽长度来实现亮度控制。当PWM高电平的时间长时，LED就变亮了。反之，LED就变暗了。

那么电路原理图(见图6.2)中第7个反过来接的LED怎么实现亮度控制呢?原理还是一样，只是PB2将刚才的0电平设置成1电平，原来PB1为高电平脉冲驱动的PWM波设置成低电平脉冲驱动的PWM波即可。同样，要控制第7个LED的亮度，就控制PWM低电平的脉宽长度，当低电平的脉宽长度长时，LED就变亮了。反之，LED就变暗了。

图6.2 控制电路原理图

那么能实现所有的LED同时发光吗?制作过程中，这个功能的实现倒是困扰了我一会儿。后来，我想到了动态扫描。什么是动态扫描?老式电视机不就是这个原理吗?电视机通过磁场让射线高速地扫描屏幕，从而产生一幅画面。那么，让每个灯分别亮1ms左右，然后像电视机一样不断地扫描，看上去就都亮了。在此基础上，再控制每个灯的亮度数值，就能实现整体亮度控制了。如果LED足够多，单片机引脚也足够多，还可能显示一副灰度画面呢!

3种效果的程序编写

程序的PWM频率设置为最高的37.5kHz。之所以选择这么高的频率是为了不影响动态扫描。试想，如果PWM频率为100Hz，那么还怎么动态扫描呢?在程序中，动态扫描实际的频率为62Hz。这已经足够骗过人的眼睛，让我们看不到灯的闪烁。

在单片机的中断代码中，程序每过26µs就会产生溢出中断一次，通过变量count计数中断次数。当中断的次数达到50次时，就更换下一个LED，显示它对应的亮度。LED的亮度存储到led[ ]这个数组中，每个LED通过载入对应的亮度值，即通过改变PWM产生寄存器的OCR0A与OCR0B，来实际控制高低电平脉宽长度，最终实现亮度的控制。当然，每次通过PWM控制亮度，都要先根据LED的驱动电平方式，重新设置PWM的控制模式。在此之前，还要记得设置不相关的引脚为高阻态。

LED的3种效果控制程序能够实现LED不断地变换，只要调用就能分别实现如下功能：所有LED的呼吸效果、逐个点亮和熄灭LED、LED流水显示的效果。从编程的思路上讲，led[ ]数组存放了12个元素，每个元素所存内容，即对应每个LED灯亮度值。要改变某个LED灯亮度，都是通过设置led[ ]数组中对应元素的 PWM 缓冲数值来实现自动变换。要让所有的灯全亮只需设置数组中的每个元素的数值都为255即可。如果要一半的亮度就设置为128。要让某个灯单独最亮，只要设置这个LED元素数值为255，其他的元素为0。如果任意LED要产生渐渐变亮的效果，那么只要对应数组元素中的数值从0逐渐变为255即可。同理，渐渐变暗，数值就从255变成0。要实现什么样的效果，大家可以通过改变led[ ]数组来实现。

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