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6.1.2
发光二极管基础知识
发光二极管的英文名为LightEmittingDiode,简称LED,发明于20世纪60年代,几十年来,发光二极管在各种电路及嵌入式系统中得到了广泛的应用,跑马灯使用的“小灯”就是8个并排的LED。
LED发光二极管将电能转变成光能,可由Ⅲ-V族半导体材料制成。
当工作在正向偏置状态时,LED发光二极管与普通的二极管极其相似,其同样具备单向导电特性,不同之处仅在于当加上正向偏置时,LED发光二极管将向外发光,此时能量通过PN结的载流子过程从电能转换为光能。
LED发光二极管具有亮度高、耗电小、体积小、重量轻、寿命长、可靠性高、价格便宜等优点,已经被广泛地应用到不同的产品中,作为电源指示灯、系统状态灯、信号灯等用途。
在通常工作状态下,LED发光二极管的使用寿命保守估计约为10万小时,部分甚至可以达到100万小时。
如图6-2所示为不同种类、不同颜色、不同大小及不同封装形式的LED发光二极管。
图6-2
各种LED发光二极管
以LED发光二极管为基础部件进行组合可以得到多种不同的产品应用,如图6-3所示,最常见的有如下几种。
(1)将7段LED发光二极管排列成数字形,即为LED数码管,在各种数字显示场合得到了成功的应用,例如电子时钟、计时器等。
(2)大量LED发光二极管按照行列阵列集成到一起,通过微处理器进行控制与扫描,即为发光二极管点阵屏,可以显示数字、字母、汉字、动画等复杂的信息内容,现也已经被广泛地应用到各行各业的显示应用中,例如广告牌、宣传栏、信息指示牌等。
(3)将LED发光二极管直接制作成相应的字母、汉字或特殊符号的形状,只要在发光二极管两端加上正向电压,只需要很小的电流消耗即可显示一些特殊的符号,在各种交通指示灯、工业产品、机场导航等场合得到了广泛的应用。
这些复杂LED发光二极管应用的基本原理和跑马灯十分类似,只要学会了跑马灯的原理和设计方法,触类旁通,即可很快地学会LED数码管和LED显示屏的控制与应用设计。
对不同颜色不同亮度LED发光二极管进行选型需要了解以下的相关知识。
(1)LED发光二极管的光强度与电流强度成正比,一般的LED发光二极管在通过2mA电流时便开始发光。
其发光颜色取决于光波长,而LED发光二极管的光波长主要与晶体材料本身和掺杂材料有关。
(2)LED发光二极管最常见的颜色是红色、绿色、黄色和橙色,因为这几种颜色的晶体材料和掺杂物都比较简单,且价格便宜。
(3)发蓝光与发白光的LED发光二极管由于材料价格较高,制作工艺复杂,一般价格与其他LED发光二极管相比价格较高,因此在各种应用中没有其他颜色的发光二极管使用的多。
(4)在进行系统设计时,由于红光和绿光比较容易被肉眼识别,特别是在光线比较强的场合,黄色光和橙色光并不容易看清。
因此综合考虑,建议在进行LED发光二极管选型时,如果没有特殊的要求,优先采用红色光或绿色光的LED发光二极管。
图6-3
LED数码管与LED点阵屏
6.1.3
发光二极管与单片机接口
LED发光二极管在电路图中的表示符号如图6-4所示,与普通的二极管十分相似,只是多了两个向上的箭头表示发出光线。
图6-4
发光二极管在电路图中的符号
LED发光二极管与单片机的接口一般可以分为直接式、扫描式与多路复用式三种,如图6-5所示。
—直接式:
每个LED发光二极管对应单片机的一个唯一的输出引脚,即单片机的一个输出端口(P0、P1或P2)就能够控制8个LED发光二极管。
当相应引脚输出为低时,电流从VCC流入单片机,LED发光二极管开始发光,发光亮度由匹配的串联电阻控制;
当相应引脚输出为高时,没有电流通过LED发光二极管,LED发光二极管熄灭。
—扫描式:
LED发光二极管被组织成了行列形式的矩阵,其中各行各列分别对应单片机一个唯一的输出引脚,此时,当单片机对应行列的输出引脚分别为高和低时,电流从单片机的其中一个引脚流入到另一个引脚,LED发光二极管开始发光,此时,为了让LED发光二极管显示一个固定的状态,必须有相应的软件扫描维持输出的信号。
—复用式:
多路复用式与扫描式类似,也是将LED发光二极管组织成行列形式的矩阵,但是其各行各列是由单片机外置的多路解码锁存芯片进行控制,因此实现了多于单片机输出端口数目的LED发光二极管阵列,本质上就是扫描式的扩充。
在具体的一个单片机嵌入式系统设计中,究竟采用哪种接口方式,主要是由最终产品的需求、单片机的性能指标、预期的生产成本等因素所决定。
例如对于大型LED发光二极管显示点阵屏幕,则必须采用复用式的接口方式或其他的专用芯片,因为没有任何一种型号的单片机能够具有如此多的I/O输出端口供用户使用。
而对于一般系统的跑马灯设计,由于跑马灯只有8位,结构简单,在单片机引脚资源并不紧张的情况下,一般都采用直接式进行连接。
图6-5
LED发光二极管与单片机的接口方式
6.1.4
发光二极管的限流
在几年前的单片机设计电路中,LED发光二极管是不能由单片机的I/O输出引脚直接进行驱动的,而要使用诸如7405等集电极开路门进行驱动,原因就是单片机的引脚不能够承受LED导通时的电流输入。
随着新技术的应用和单片机集成技术的不断发展,现在大部分的单片机端口都集成了集电极开路的输出电路,具备一定外部驱动能力。
但是这时外接的LED发光二极管电路也必须使用电阻进行限流,否则会损坏单片机的输出引脚,一般单片机驱动引脚能够承受的电流输入在10~15mA左右。
此外,如果没有限流电阻,LED发光二极管在工作时也会迅速发热,为了防止LED发光二极管过热损害,也必须采用限流串联电阻对LED发光二极管的功耗进行限制,如表6-1所示为典型的LED发光二极管功率限制指标。
表6-1
典型的LED发光二极管功率限制指标
参
数
单
位
红色LED
绿色LED
黄色LED
橙色LED
最大功率限制
mW
55
75
60
正向电流峰值
mA
160
100
80
最大恒定电流
25
20
LED发光二极管的发光功率可以由其两端的电压和通过LED的电流进行计算得到,公式如下:
Pd=Vd×
Id
LED发光二极管的典型的电压与电流关系如图6-6所示,可以根据需要的LED发光亮度选择合适的电阻R进行限流,但为了保护单片机的驱动输出引脚,通过LED发光二极管的电流一般应限制在10mA左右,由图6-6所示曲线可知,也即是将LED发光二极管的正向电压限制在2V左右。
图6-6
LED发光二极管典型电压电流关系曲线
对于采用某些高亮度LED发光二极管照明场合,需要LED发光二极管通过较大的电流,此时不能直接采用单片机的输出引脚直接驱动LED发光二极管,而应该使用专用的驱动芯片,或者如图6-6中右图所示,采用一个NPN型的三极管进行驱动。
可以利用图6-6中所示的曲线计算限流电阻R,计算的方法如下:
R=(5V–Vd)/Id
例如,若限制电流Id为10mA,则由图6-6中所示曲线得到LED发光二极管的正向电压Vd约为2V,从而得到限流电阻值如下:
R=(5V-2V)/10mA=300(欧)
在实际设计中,为了有效保护单片机驱动输出引脚,预留一定的安全系数,一般对LED发光二极管驱动采用的限流的电阻都要比采用10mA计算出的大,常用的典型值为470欧。
6.1.5
跑马灯电路设计
前面几节详细讲解了利用LED发光二极管设计跑马灯电路的原理与方法,利用Protel2004等电路设计软件可以方便地进行电路设计与PCB板设计。
本章采用的跑马灯实例由8个LED发光二极管组成,由AT89S51的P0口进行驱动操作,具体电路设计如图6-7所示,P0口的8个输出引脚分别接到了8个LED发光二极管的阴极,LED发光二极管的另一端由阻值为470欧的限流电阻上拉至电源VCC。
图6-7
跑马灯系统的8个限流电阻可以采用普通电阻也可以采用排阻,使用排阻比较有利于节省PCB布板的空间。
6.2
跑马灯软件设计
完成硬件设计之后即可开始跑马灯的软件设计,软件设计的目标是使跑马灯能够按照设想的方式显示出不同的发光组合,指示单片机系统不同的运行状态。
下面详细讲述跑马灯的软件设计。
6.2.1
第一个单片机程序
对于初学者来说,第一个单片机程序往往都从跑马灯LED发光二极管的驱动开始,下面以这个最简单例子作为本书的第一个单片机程序,该程序基于ATMEL公司的AT89S51进行编写,采用P0口驱动8位发光二极管跑马灯。
具体的代码如下所示,可以在本书附带光盘中的源代码目录下找到相应的C语言源文件。
/**********************************************
*
File:
TheFirstExampleError.c
Description:
Thefirst"
error"
example
CreatedDate:
2007-09-04
LastModified:
Author:
Jeffrey-Schicksal@
Notes:
None
**********************************************/
#include<
REGX51.h>
Function:
Main()
InputVariables:
ReturnVariables:
Usage:
ProgramEntry
voidmain()
{
while
(1)
{
P0=0x00;
//P0口输出电平低
P0=0xff;
//P0口输出电平高
}
}
这一段代码十分简单,但是对于初学者来说,这个程序有以下几点需要特别注意。
(1)首先,为了使用编译器附带的51单片机各个引脚描述的宏定义来直接对单片机的各个模块进行操作,必须在C语言源文件的头部使用#include包含相关的定义头文件<
REGX5
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