2.5　I/O口控制LED发光二极管应用实例

2.5.1　LED基本结构

（1）LED芯片结构　发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）是一种能发光的半导体电子元件。图2-6所示为彩色LED芯片的结构。芯片两端是金属电极（阳极和阴极），底部是衬底材料，在基片上通过外延工艺生长一定厚度的N型层、发光层和P型层。当芯片工作时，P型半导体和N型半导体中的空穴和电子分别注入发光层并发生复合而产生光。图示中的彩色LED芯片结构是一种经简化的抽象的示意图，实际的LED芯片因制造工艺不同，结构也存在一些差别。

蓝光和紫外光LED芯片需加配YAG荧光粉或三基色荧光粉才能获得白光，也可将红（R）、绿（G）、蓝（B）三色或更多颜色的LED芯片封装在一起，将它们各自发出的光混合来产生白光。

（2）传统LED封装结构　传统发光二极管（LED）一般是用透明环氧树脂将LED芯片与导线架（Lead Frame）包覆封装，封装后的镜片状外形可将芯片产生的光线集中辐射至预期的方向。由于圆柱形状类似于炮弹，因此称之为“炮弹形LED”。这种LED芯片主要由支架、银胶、晶片、金钱和环氧树脂5种物料所组成，如图2-7所示。

2.5.2　硬件设计

LED灯有两种连线方法：当LED灯的阳极限流电阻与板子上的数字I/O口相连，数字口输出高电平时，LED导通，发光二极管发出亮光；数字口输出低电平时，LED截止，发光二极管熄灭。如图2-8所示。

当LED灯的阴极与板子上的数字I/O口相连时，数字口输出高电平，LED截止，发光二极管熄灭；数字口输出低电平，LED灯导通，发光二极管点亮。如图2-9所示。

由于单片机输出电流有限，阳极接法需要单片机给LED提供电流，可能造成单片机运行不稳定，故通常采用阴极接法。

LED与单片机的连接如图2-10和图2-11所示。通常LED的点亮电流为5～10mA，压降为1.7～1.9V。因此，计算5V电源下使用的限流电阻的大小为500Ω左右。图中使用的限流阻排（RP1）阻值为470Ω。

P9为连接插针，当不使用二极管作流水灯实验时，可断开连接释放引脚资源。

2.5.3　程序设计

观察图2-11可知，对单片机的端口PB0～PB7输出1时，8个LED两端电平相同，没有电流流过，此时LED不亮；当PB0～PB7口输出0时，LED电路构成通路，有足够的电流流过LED，此时LED被点亮发光。图中电阻R的作用是防止太强的电流流入I/O线路。

当有电流通过时（此时LED发光），LED有一个正向电压降，表明阴极的电压低于阳极。不同的LED电压降的幅度有所不同，可以通过查找相应的技术手册来获得用户所使用LED的电压降数值。

本程序将实现延时轮流点亮8个LED。

名称：LED.C。

功能：演示流水灯，从上向下流动，而后从下向上流动，如此循环。

时钟频率：内部1MHz。

编译环境：ICC-AVR6.31。

使用硬件：8个LED、阻排。

结果：8LED流水闪烁。

操作要求：插上P9跳帽。

程序清单如下：

（1）头文件部分

    # include< iom128v.h>     //ATmega128头文件
    # include< delay.h>
    # define LED8  PORTB  //LED发光管与 PB口相连接

程序中包含了特定头文件iom128v.h和delay.h。iom128v.h头文件在ICC程序安装文件夹下的include目录中，iom128v.h和用户选择的芯片相对应，如果选择的是ATmega128，则该文件是iom128v.h，此文件中定义了对应芯片的各个硬件地址：delay.h文件中定义了一些延时子程序。通常每一个程序都要包含这些头文件。

（2）延时程序

    /******************************************
    函数名:Delay_nms
    函数作用:毫秒级的精确延时程序
    *******************************************/
    void delay_nms(unsigned int nms)
    {
    while(nms- - )
    delay_lms();
    }
    void delay_ns(unsigned char ns)
    {
    while(ns- - )
    delay_nms(1000);
    }

（3）主程序

    viod main()
    {
    DDRB= 0xff;                 //设置 PB口为输出
    LED8= 0xff;                   //系统初始化
    while(1)
    {
      LED8= 0x00;
        Delay-nms(500);          //延时 500ms
      LED8= 0xff;
      delay_nms(500);
      }
    }

读者在理解以上程序后，可在原硬件基础上，体会如下几个程序（LED2.C～LED4.C）将要实现的功能与上述例子中实现的功能有何不同。

①名称：LED2.C。

功能：实现8个发光二极管轮流点亮。

时钟频率：7.3728MHz。

编译环境：ICC-AVR6.31。

使用硬件：8个LED。

结果：8LED流水闪烁。

程序清单如下：

    # include < iom128v.h>
    # include“delay.h″
    Unsigned char LED_table[]= {0Xff,0x00,0xFF,0xFE,0xFD, 0xFB, 0xF7, 0xEF, 0xDF,
    0xBF, 0x7F, 0xFF, 0x00, 0xFF, 0x7F, 0xBF, 0xDF, 0xEF, 0xF7, 0xFB, 0xFD, 0xFE, 0xFF, 0x00,
    0xFF, 0x7E,0xBD,0xE7,0xFF,0x00,0xE7,0xDB,0xBD,0x7E,0xFF,0x00};
    viod main(void)
    {
    unsigned char i= 0;
    PORTB= 0xFF;
    DDRB= 0xFF;
    while(10
    {
    if (i= = 36) i= 0;
    PORTB= LED-table(i+ + );
    delay-nms(80);
    }
  }

②名称：LED3.C。

功能：实现8个发光二极管轮流点亮。

时钟频率：7.3728MHz。

编译环境：ICC-AVR6.31。

使用硬件：8个LED、阻排。

结果：8LED流水闪烁。

程序清单如下：

    # include < iom128v.h>
    # include“delay.h″
    viod main(void)
    {
    unsigned char i;
    PORTB= 0xFF;
    DDRB= 0xFF;
    while(1);
      {
        for (i= 0;i< 0;i+ + )
          {
          PORTB= - (1< < i);
          delay-nms(300);
          }
          PORTB= 0xFE;
        }
    }

③名称：LED4.C。

功能：实现8个发光二极管轮流点亮。

时钟频率：7.3728MHz。

编译环境：ICC-AVR6.31。

使用硬件：8个LED、阻排。

结果：8LED流水闪烁。

程序清单如下：

    # include < iom128v.h>
    # include< stdlib.h>
    # include“delay.h″
    void main(void)
    {
    unsigned char i;
    PORTB= 0xFF;
    DDRB= 0xFF;
    srand(10);       //种下随机数种子
    while(1)
        {
          PORTB= rand();  //随机数产生函数
          Delay= nms(300);
        }
    }