用3個(gè)IO口控制6個(gè)LED燈的原理分析 電動(dòng)牙刷中6個(gè)LED燈的電路設(shè)計(jì)

▲ 本文要分析的電路

事情是這樣開始的。

買了個(gè)電動(dòng)牙刷，幾十塊錢那種：

收到的實(shí)物長(zhǎng)這樣：

牙刷手柄上有1個(gè)按鍵和6個(gè)LED燈：

拆開看看電路板：

可以看出，電路板上用的單片機(jī)，只有8個(gè)腳，卻要控制1個(gè)按鍵、6個(gè)LED燈、1個(gè)震動(dòng)的馬達(dá)電機(jī)：

初看之下，GPIO應(yīng)該是不夠用的。

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

那么是怎么做到夠用的？

原來(lái)，經(jīng)過巧妙的電路設(shè)計(jì)，這款電動(dòng)牙刷實(shí)現(xiàn)了用3個(gè)GPIO控制6個(gè)LED燈，節(jié)省了GPIO。

這個(gè)巧妙的電路如下：

6個(gè)LED燈為相同的型號(hào)，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(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！

二、總結(jié)提升

以上其實(shí)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(jiǎn)單，因?yàn)檫@個(gè)方法來(lái)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(dòng)LED，特別是驅(qū)動(dòng)大量LED時(shí)有效地節(jié)約GPIO的方法。

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)。

前面電動(dòng)牙刷中6個(gè)LED燈的電路，就是這么設(shè)計(jì)的。

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。

3、同樣的原理，使用4個(gè)GPIO時(shí)：

點(diǎn)亮LED1時(shí)：

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(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(shuō)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(lái)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：

三、繼續(xù)進(jìn)階

如果要同時(shí)亮起兩個(gè)以上的LED，怎么辦？

交替點(diǎn)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(lái)就是同時(shí)亮起的。

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

本文不再展開，感興趣的讀者可以自行查詢修煉，繼續(xù)進(jìn)階。

　審核編輯：湯梓紅