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    用3個IO口控制6個LED燈,怎么做到的?

    作者: 時間:2024-10-21 來源:硬件筆記本 收藏

    ▲ 本文要分析的電路


    事情是這樣開始的。

    買了個電動牙刷,幾十塊錢那種:


    收到的實物長這樣:


    牙刷手柄上有1個按鍵和6個燈:


    拆開看看電路板:


    可以看出,電路板上用的單片機,只有8個腳,卻要控制1個按鍵、6個燈、1個震動的馬達電機:


    初看之下,GPIO應(yīng)該是不夠用的。

    單片機除去電源腳(正極)和GND腳(負(fù)極),只剩最多6個GPIO腳。

    那么是怎么做到夠用的?

    原來,經(jīng)過巧妙的,這款電動牙刷實現(xiàn)了用3個GPIO控制6個燈,節(jié)省了GPIO。


    這個巧妙的電路如下:


    6個LED燈為相同的型號,為方便查看,用紅綠兩種顏色區(qū)分兩種不同的方向。


    一、原理分析

    這個電路用到了單片機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燈單獨亮起,分為六種情況。

    1、當(dāng)只有LED1亮起時,單片機各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,單片機各GPIO的狀態(tài)如下:


    3、當(dāng)只有LED3亮起時,單片機各GPIO的狀態(tài)如下:


    4、當(dāng)只有LED4亮起時,單片機各GPIO的狀態(tài)如下:


    5、當(dāng)只有LED5亮起時,單片機各GPIO的狀態(tài)如下:


    6、當(dāng)只有LED6亮起時,單片機各GPIO的狀態(tài)如下:


    整理如下:


    就是這么簡單!


    二、總結(jié)提升

    以上其實是用了一種叫“查理復(fù)用”(Charlieplex)的方法。

    為什么叫查理復(fù)用?


    很簡單,因為這個方法來源于美信半導(dǎo)體公司的工程師Charlie Allen。


    查理復(fù)用是一種能夠在驅(qū)動LED,特別是驅(qū)動大量LED時有效地節(jié)約GPIO的方法。

    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)。

    • 前面電動牙刷中6個LED燈的電路,就是這么設(shè)計的。

    下面從最簡單的開始,一步一步體會查理復(fù)用的。

    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。

    3、同樣的原理,使用4個GPIO時:


    點亮LED1時:


    其他LED亮起的情況不再列舉。

    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)致單片機損壞。下圖是假設(shè)LED1短路,那么在點亮LED5時,LED3也會亮起:


    三、繼續(xù)進階

    如果要同時亮起兩個以上的LED,怎么辦?

    交替點亮他們就行,只要交替切換的速度夠快,由于人眼的視覺暫留效應(yīng),看起來就是同時亮起的。

    值得一提的是,如果要同時亮起的LED較多,比如大規(guī)模的LED點陣,那么還要注意一些新的問題,頗有門道。




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