1.LED简介

发光二极管（Light Emitting Diode，LED）是一种由磷化镓（GaP)等半导体材料制成的能直接将电能转变成光能的发光显示器件。当其内部有一定电流通过时，它就会发光。LED的“心脏”是一个半导体LED芯片，芯片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，整个芯片被环氧树脂封装起来，其构成如图3-1所示。

LED芯片由两部分组成，一部分是p型半导体（空穴占主导地位），另一部分是n型半导体（自由电子占主导地位）。当这两种半导体连接起来时，它们之间就形成一个pn结。当电流通过导线作用于这个芯片时，自由电子就会被推向p区，在p区里自由电子与空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长（也就是光的颜色）是由形成pn结的材料决定的。

LED可分为普通单色LED、高亮度LED、超高亮度LED、变色LED、闪烁LED、电压控制型LED、红外LED和负阻LED等。本项目使用的是普通单色LED，所以，在此只介绍普通单色LED的相关知识。

普通单色LED主要有发红光、绿光、蓝光、黄光的LED。它们具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点，可用各种直流、交流、脉冲等电源驱动点亮。它们属于电流控制型半导体器件，使用时需串接合适的限流电阻。

普通单色LED的发光颜色与发光波长有关，而发光波长又取决于制造LED所用的半导体材料。红色LED的发光波长为650～700nm，琥珀色 LED 的发光波长为 630～650nm，橙色LED的发光波长为610～630nm，黄色 LED 的发光波长约为585nm，绿色 LED 的发光波长为555～570nm。

常用的国产普通单色LED有BT（厂标型号）系列、FG（部标型号）系列和2EF系列。常用的进口普通单色LED有SLR系列和SLC系列等。

2.利用STC89C51单片机I/O端口控制LED的方法

以前，由于80C51单片机的4组I/O端口不能承受LED导通时的电流输入，所以在设计单片机控制电路时，不能由80C51单片机的I/O引脚直接驱动LED，而要使用集电极开路门电路（如7405等）作为LED驱动电路。

随着新技术的应用和单片机集成技术的不断发展，现在大部分单片机（如STC89系列单片机）的I/O端口均具备一定的外部驱动能力。

STC89单片机有4个双向8位I/O端口（P0～P3）和1个双向4位I/O端口（P4），共36根I/O引线。每个双向I/O端口都包含一个锁存器（即专用寄存器 P0～P4）、一个输出驱动器和输入缓冲器，I/O端口的每一位均可作为准双向/弱上拉的I/O端口使用。

准双向端口输出类型无须重新配置端口线的输出状态，可以直接作为I/O功能使用。这是因为当端口线输出为“1”时，驱动能力很弱，允许外部装置将其拉低；当端口线输出为“0”时，它的驱动能力很强，可吸收相当大的电流。

准双向端口的输出结构如图3-2所示。它有3个上拉场效应管（FET）以适应不同的需求。在3个上拉FET中，有1个上拉FET称为“弱上拉”，当端口线寄存器为“1”且引脚本身也为“1”时打开，此上拉FET提供基本驱动电流，使准双向端口输出为“1”。如果一个引脚输出为“1”而由外部装置下拉到低时，“弱上拉”关闭而“极弱上拉”维持开状态，为了将这个引脚强拉为低，外部装置必须有足够的灌电流能力，使引脚上的电压降到门槛电压以下。

第2个上拉FET称为“极弱上拉”，当端口线锁存为“1”时打开。当引脚悬空时，这个极弱的上拉FET产生很弱的上拉电流，将引脚上拉为高电平。

第3个上拉FET称为“强上拉”。当端口线锁存器由“0”跳变到“1”时，这个上拉FET用于加快准双向端口由逻辑“0”向逻辑“1”转换。发生这种情况时，“强上拉”打开约2个机器周期，以使引脚能够迅速上拉到高电平。

P0～P4端口都是准双向I/O端口，作为输入端口时，必须先向相应端口的锁存器写入“1”，使驱动FET截止。P0端口作为输入端口时呈高阻态，而 P1～P4 端口内部有上拉负载电阻，当系统复位时，P0～P4端口锁存器全为“1”。

P0端口的输出级与P1～P3端口的输出级在结构上是不同的，因此它们的负载能力和接口要求也各不相同。P 0端口的每一位输出可驱动8个 LSTTL负载，P 0 端口作为通用 I/O端口时，输出级是开漏电路，当它驱动NMOS或其他拉电流负载时，需要外接上拉电阻才能输出高电平。

1 ） 上拉电阻的选取 STC89单片机的P0端口包括1个输出锁存器、2个三态缓冲器、1个输出驱动电路和1个输出控制端，如图3-3所示。锁存器是由D触发器组成的；输出驱动电路由一对FET（F ₁ 和F ₂ ）组成，其工作状态受输出控制端的控制，它包括1个与非门、1个反相器和1个转换开关MUX。

P0端口可作为普通I/O端口使用，此时CPU发出控制低电平“0”信号封锁与门，使输出上拉FET（F ₁ ）截止，同时转换开关MUX把输出锁存器端与输出FET（F ₂ ）栅极连通。

当P0端口作为输出端口时，内部数据总线上的信息由写脉冲锁存至输出锁存器。当D=0时，Q=0 而 =1，F ₂ 导通，P0 口引脚输出“0”；当 D=1 时，Q=1 而 =0，F ₂ 截止，P0口引脚输出“1”。由此可见，内部数据总线与 P0 端口是同相位的。输出驱动级是漏极开路电路，若要驱动NMOS或其他拉电流负载时，需要外接上拉电阻。

P0端口驱动LED时，用约1kΩ的上拉电阻即可。如果希望亮度大一些，可减小上拉电阻，但最好不要小于200Ω，否则电流太大；如果希望亮度小一些，可增大上拉电阻。一般来说，当上拉电阻超过3kΩ时，亮度就很弱了，但是对于超高亮度的LED，有时上拉电阻为10kΩ时觉得亮度还够用。通常，用P0端口驱动LED时，上拉电阻选用1kΩ。

2 ） 限流电阻的选取 P1～P3端口的输出级都接有内部上拉电阻，它们的每一位输出可以驱动4个LSTTL负载。P 1～P 3 端口的输入端都可以被集电极开路或漏极开路电路所驱动，而无须外接上拉电阻。

STC89单片机的P1～P3端口的灌电流为6mA，虽然它们具备一定的外部驱动能力，但使用STC89单片机的P1～P3端口直接驱动 LED 时，外接的 LED 电路还必须使用电阻进行限流，否则容易损坏STC89单片机的I/O端口。

此外，如果没有限流电阻，LED在工作时也会迅速发热。为了防止LED过热而损坏，必须串联限流电阻以限制LED的功耗。表3-1所列为典型的LED功率指标。

LED的发光功率可以由其两端的电压和通过LED的电流来计算得到，即

P _d = U _d × I _d

式中， U _d 为LED上的正向电压， I _d 为流过LED的正向电流。

普通单色LED的正向压降一般为 1.5～2.0V （其中，红色 LED 约为 1.6V，绿色 LED约为1.7V，黄色LED约为1.8V，蓝色LED为2.5～3.5V 等），反向击穿电压约5V，正向工作电流一般为5～20mA。

LED的典型 U-I 特性曲线如图3-4所示。从图中可以看出，LED的 U-I 特性曲线很陡，使用时，根据LED亮度的需要而串联限流电阻以控制通过LED的电流大小。为了保护单片机的驱动输出引脚，通过LED的正向工作电流一般应限制在约10mA，正向电压限制在约2V。

限流电阻 R 可用下式计算：

R =( E -U _d )÷ I _d

式中， E 为电源电压。由于单片机使用的电压通常为5V，因此 E =5V。

例如，若限制电流 I _d 为10mA，LED的正向电压 U _d 约为2V，从而得到限流电阻值 R =(5V-2V)÷10mA=300Ω。

在实际应用中，为了有效保护单片机驱动输出引脚，应预留一定的安全系数，一般对LED驱动采用的限流电阻都要比采用10mA计算出的大，常用的典型值为470Ω。 oEsTrpI+tjmf0grDpTpROwvNC4m9mcjeleMcvBZGV0CFm5aG3w80moQzdo5lFtfo