【硬件設(shè)計(jì)】嵌入式輸出設(shè)備設(shè)計(jì)
LED是Light Emitting Diode的縮寫，即發(fā)光二極管，是一種應(yīng)用非常廣泛的半導(dǎo)體發(fā)光/顯示元件。發(fā)光二極管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)，進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光。通過(guò)使用不同的材料及工藝，LED可以發(fā)出紅色、綠色、黃色、白色、藍(lán)色、橙色等光。
在市面上，LED產(chǎn)品有發(fā)光二極管、數(shù)碼管、米字管、符號(hào)管、點(diǎn)陣顯示屏、LED背光、LED照明燈等，參考如下圖1所示。事實(shí)上，數(shù)碼管、米字管、符號(hào)管、點(diǎn)陣顯示屏……中的每個(gè)發(fā)光單元都是一個(gè)發(fā)光二極管。
1．LED特性分析
使用不同材料(管芯材料)的LED，其正向電壓也有所不同，在設(shè)計(jì)電路前要先了解一下它們的基本特性，參考如表1所列。
表1常用發(fā)光二極管基礎(chǔ)特性表
注意：設(shè)計(jì)LED電路時(shí)，工作電流最好小于0.6 IFM，這樣LED使用壽命會(huì)更長(zhǎng)。
2．獨(dú)立LED燈驅(qū)動(dòng)電路
①電源指示燈
D1采用紅色LED燈(GaAsp管芯)，封裝形式由產(chǎn)品要求決定。工作電流計(jì)算如下：
If = (VCC – 1.7) / R1
= (VCC – 1.7) / R1
常規(guī)設(shè)計(jì)，If要在0.5～3mA范圍內(nèi)，減少電源指示燈對(duì)電能的消耗。對(duì)于5V電源，限流電阻R1推薦采用3K；對(duì)于3.3V電源，限流電阻R1推薦采用1K。
②狀態(tài)指示燈
對(duì)于單片機(jī)，其I/O灌電流可達(dá)20mA(具體芯片要以數(shù)據(jù)手冊(cè)為準(zhǔn))，可以直接使用I/O控制LED燈作為狀態(tài)指示。
當(dāng)相應(yīng)的I/O輸出0時(shí)LED燈點(diǎn)亮，輸出1時(shí)LED燈熄滅。電流計(jì)算公式如下：
If = (VCC – Vf) / R1 ,其中GaAsp紅色LED的Vf為1.7V
GaAsp綠色LED的Vf為2.3V
= (VCC – Vf) / R1, 其中GaAsp紅色LED的Vf為1.7V
GaAsp綠色LED的Vf為2.3V
常規(guī)設(shè)計(jì)，If要在2～15mA范圍內(nèi)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED時(shí)要注意，由于CPU對(duì)總電流限制，比如100mA，所以要保證多個(gè)LED同時(shí)點(diǎn)亮的電流要小于總電流。如果使用了綠色的LED燈，由于綠色LED正向壓降比紅色的大，所以其限流電阻要小一點(diǎn)。
對(duì)于單片機(jī)，其I/O可以設(shè)置為推挽輸出模式，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)20mA，這類CPU可以采用拉電流的方式驅(qū)動(dòng)，如圖4所示。
/O輸出1時(shí)LED燈點(diǎn)亮，輸出0時(shí)LED燈熄滅。電流計(jì)算公式如下：
If = (Voh – Vf) / R1,其中GaAsp紅色LED的Vf為1.7V
GaAsp綠色LED的Vf為2.3V
If = (Voh – Vf) / R1 , 其中GaAsp紅色LED的Vf為1.7V
GaAsp綠色LED的Vf為2.3V
I/O的Voh等于VCC。常規(guī)設(shè)計(jì)，If要在2～15mA范圍內(nèi)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED時(shí)要注意，由于CPU對(duì)總電流限制，比如100mA，所以要保證多個(gè)LED同時(shí)點(diǎn)亮的電流要小于總電流。對(duì)于其它類型的CPU(如3.3V的Arm?)，根據(jù)其I/O特性，也可以采用這兩種驅(qū)動(dòng)方式。
對(duì)于2引腳的雙色LED，其驅(qū)動(dòng)方式如圖5所示。對(duì)于I/O可以設(shè)置為推挽輸出模式的CPU，可以直接使用I/O直接驅(qū)動(dòng)；對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)，則需要外加驅(qū)動(dòng)電路，如2個(gè)非門。當(dāng)一個(gè)口輸出1，另一個(gè)口輸出0時(shí)，其中一個(gè)LED燈點(diǎn)亮；如果兩個(gè)控制口均輸出1或均輸出0，則LED燈熄滅。
