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在項(xiàng)目中經(jīng)常會(huì)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(gè)GPIO口控制2個(gè)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(shí)，兩個(gè)LED均熄滅
2).IO口為高電平的時(shí)候，紅色LED點(diǎn)亮
3).IO口為低電平的時(shí)候，黃色LED點(diǎn)亮
4).IO口輸出方波信號(hào)（頻率大于100Hz），兩個(gè)LED交替點(diǎn)亮，根據(jù)人眼視覺惰性，兩個(gè)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(shí)，兩個(gè)LED均熄滅（兩個(gè)LED導(dǎo)通所需電壓大于電源電壓）
2).IO口為高電平的時(shí)候，藍(lán)色LED點(diǎn)亮
3).IO口為低電平的時(shí)候，綠色LED點(diǎn)亮
4).IO口輸出方波信號(hào)（頻率大于100Hz），兩個(gè)LED交替點(diǎn)亮，根據(jù)人眼視覺惰性，兩個(gè)燈相當(dāng)于都點(diǎn)亮
總結(jié)：當(dāng)兩個(gè)LED導(dǎo)通電壓大于電源電壓時(shí)，串聯(lián)
當(dāng)兩個(gè)LED導(dǎo)通電壓小于電源電壓時(shí)，并聯(lián)
LED燈驅(qū)動(dòng)
使用NPN和PNP三極管
如果是一個(gè)IO口，IO口驅(qū)動(dòng)電流很小?？刂苾蓚€(gè)LED燈時(shí)不能同時(shí)發(fā)光也就是一個(gè)發(fā)光一個(gè)不發(fā)光，則可以使用如下電路；兩個(gè)三極管一個(gè)NPN一個(gè)PNP來實(shí)現(xiàn)LED燈控制。
使用NPN和NPN
如果是一個(gè)IO口，IO口驅(qū)動(dòng)電流很小?？刂苾蓚€(gè)LED燈時(shí)不能同時(shí)發(fā)光也就是一個(gè)發(fā)光一個(gè)不發(fā)光，則可以使用如下電路；兩個(gè)三極管都是NPN三極管，因?yàn)镹PN從集電極拿出來信號(hào)，剛好是和基極信號(hào)相位相反的。
直接驅(qū)動(dòng)無需放大
如上所示，LED燈直接可以用IO口驅(qū)動(dòng)，此時(shí)一個(gè)接成IO口上拉的形式；一個(gè)接成IO口下拉的形式，此時(shí)IO口高低狀態(tài)會(huì)驅(qū)動(dòng)不同顏色的了的LED燈發(fā)光。
兩個(gè)NPN使用兩個(gè)IO口
IO口無法驅(qū)動(dòng)而且需要使用兩種不同顏色的LED燈時(shí)，我們可以直接使用兩個(gè)NPN三極管來驅(qū)動(dòng)；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(shí)需要紅色指示燈亮起來，但是待機(jī)時(shí)，需要綠色指示燈亮起來。
請(qǐng)注意紅色、綠色、藍(lán)色LED燈除了顏色不一致，正常發(fā)光時(shí)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(shí)：2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，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(gè)IO口控制三個(gè)LED燈
方法一：
S1和S2分別接單片機(jī)兩個(gè)IO口，這里通過一個(gè)單刀雙擲按鍵模擬IO口輸出高低電平。
S1和S2同時(shí)為低電平時(shí)，LED燈全滅。
S1為低電平，S2為高電平時(shí)，LED2亮。
S1為高電平，S2為低電平時(shí)，LED3亮。
S1為高電平，S2為高電平時(shí)，LED1亮。
方法二：
S3和S4分別接單片機(jī)兩個(gè)IO口，這里通過一個(gè)單刀雙擲按鍵模擬IO口輸出高低電平。
S3和S4同時(shí)為低電平時(shí)，LED4亮。
S3為低電平，S4為高電平時(shí)，LED6亮。
S3為高電平，S4為低電平時(shí)，LED5亮。
S3為高電平，S4為高電平時(shí)，LED5、LED6同時(shí)亮。
方法三：
S1和S2分別接單片機(jī)兩個(gè)IO口，這里通過一個(gè)單刀雙擲按鍵模擬IO口輸出高低電平。
S1和S2同時(shí)為低電平時(shí)，LED燈全滅。
S1為低電平，S2為高電平時(shí)，LED3亮。
S1為高電平，S2為低電平時(shí)，LED2亮。
S1為高電平，S2為高電平時(shí)，LED1亮。
方法四：
S3和S4分別接單片機(jī)兩個(gè)IO口，這里通過一個(gè)單刀雙擲按鍵模擬IO口輸出高低電平。
S3和S4同時(shí)為低電平時(shí)，LED燈全滅。
S3為低電平，S4為高電平時(shí)，LED6亮。
S3為高電平，S4為低電平時(shí)，LED5亮。
S3為高電平，S4為高電平時(shí)，LED4亮。
通過兩個(gè)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(gè)LED燈的亮滅。
三、如何用3個(gè)IO口控制6個(gè)LED燈
這個(gè)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(duì)外部電路表現(xiàn)出極大的阻抗。因阻抗很大，幾乎不會(huì)吸入電流，也不會(huì)對(duì)外輸出電流。
各個(gè)LED燈單獨(dú)亮起，分為六種情況。
1、當(dāng)只有LED1亮起時(shí)，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(shí)，單片機(jī)各GPIO的狀態(tài)如下：
3、當(dāng)只有LED3亮起時(shí)，單片機(jī)各GPIO的狀態(tài)如下：
4、當(dāng)只有LED4亮起時(shí)，單片機(jī)各GPIO的狀態(tài)如下：
5、當(dāng)只有LED5亮起時(shí)，單片機(jī)各GPIO的狀態(tài)如下：
6、當(dāng)只有LED6亮起時(shí)，單片機(jī)各GPIO的狀態(tài)如下：
整理如下：
就是這么簡(jiǎn)單！
使用該方法，n個(gè)GPIO可以驅(qū)動(dòng) n*(n-1) 個(gè)LED，所以：
使用2個(gè)GPIO可以驅(qū)動(dòng)2個(gè)LED。
使用3個(gè)GPIO可以驅(qū)動(dòng)6個(gè)LED。
使用4個(gè)GPIO可以驅(qū)動(dòng)12個(gè)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(gè)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(jì)的方法：
任意兩個(gè)GPIO引腳之間串入兩個(gè)LED，這兩個(gè)LED為并聯(lián)，且LED方向相反。
當(dāng)你想要點(diǎn)亮某個(gè)特定的LED時(shí)，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(jiǎn)單的開始，一步一步體會(huì)查理復(fù)用的電路設(shè)計(jì)。
1、使用2個(gè)GPIO時(shí)最簡(jiǎn)單：
LED1亮起時(shí)：
LED2亮起時(shí)：
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(gè)GPIO時(shí)，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(gè)GPIO之間均串入了兩個(gè)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(huì)引發(fā)一些問題。
首先，LED亮起時(shí)完全由單片機(jī)的GPIO輸出電流，所以對(duì)于GPIO的電流驅(qū)動(dòng)能力有一定的要求。設(shè)計(jì)電路時(shí)要注意查詢自己使用的MCU的電流驅(qū)動(dòng)能力，下圖是STM32單片機(jī)中對(duì)GPIO電流驅(qū)動(dòng)能力的說明：
其次，如果出現(xiàn)了某個(gè)LED開路或短路的情況，電流的流向會(huì)被打亂，LED亮起來的邏輯會(huì)變得錯(cuò)亂。最壞的情況下，電路會(huì)對(duì)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(shí)，LED3也會(huì)亮起：
審核編輯：黃飛
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