硬件工程设计基础知识(硬件系统设计毕业设计)
LED是Light Emitting Diode的缩写，即发光二极管，是一种应用非常广泛的半导体发光/显示元件。发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区，进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。通过使用不同的材料及工艺，LED可以发出红色、绿色、黄色、白色、蓝色、橙色等光。
在市面上，LED产品有发光二极管、数码管、米字管、符号管、点阵显示屏、LED背光、LED照明灯等，参考如下图1所示。事实上，数码管、米字管、符号管、点阵显示屏……中的每个发光单元都是一个发光二极管。
图1 常见LED显示模块
一、LED特性分析
使用不同材料(管芯材料)的LED，其正向电压也有所不同，在设计电路前要先了解一下它们的基本特性，参考如表1所列。
表1 常用发光二极管基础特性表
注意：设计LED电路时，工作电流最好小于0.6 IFM，这样LED使用寿命会更长。
二、独立LED灯驱动电路
1、电源指示灯
图2 5V和3.3V电源指示灯电路
D1采用红色LED灯(GaAsp管芯)，封装形式由产品要求决定。工作电流计算如下：
常规设计，If要在0.5～3mA范围内，减少电源指示灯对电能的消耗。对于5V电源，限流电阻R1推荐采用3K；对于3.3V电源，限流电阻R1推荐采用1K。
2、状态指示灯
对于单片机，其I/O灌电流可达20mA(具体芯片要以数据手册为准)，可以直接使用I/O控制LED灯作为状态指示。
图3 独立LED灯驱动--灌电流方式
当相应的I/O输出0时LED灯点亮，输出1时LED灯熄灭。电流计算公式如下：
其中GaAsp红色LED的Vf为1.7V
GaAsp绿色LED的Vf为2.3V
常规设计，If要在2～15mA范围内。当驱动多个LED时要注意，由于CPU对总电流限制，比如100mA，所以要保证多个LED同时点亮的电流要小于总电流。如果使用了绿色的LED灯，由于绿色LED正向压降比红色的大，所以其限流电阻要小一点。
对于单片机，其I/O可以设置为推挽输出模式，驱动电流可达20mA，这类CPU可以采用拉电流的方式驱动，如图4所示。
图4 独立LED灯驱动—拉电流方式
当相应的I/O输出1时LED灯点亮，输出0时LED灯熄灭。电流计算公式如下：
其中GaAsp红色LED的Vf为1.7V
GaAsp绿色LED的Vf为2.3V
通常设I/O的Voh等于VCC。常规设计，If要在2～15mA范围内。当驱动多个LED时要注意，由于CPU对总电流限制，比如100mA，所以要保证多个LED同时点亮的电流要小于总电流。对于其它类型的CPU(如3.3V的ARM)，根据其I/O特性，也可以采用这两种驱动方式。
对于2引脚的双色LED，其驱动方式如图5所示。对于I/O可以设置为推挽输出模式的CPU，可以直接使用I/O直接驱动；对于标准51单片机，则需要外加驱动电路，如2个非门。当一个口输出1，另一个口输出0时，其中一个LED灯点亮；如果两个控制口均输出1或均输出0，则LED灯熄灭。
图5 2引脚双色LED灯驱动电路
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