用实验讲解：巧用1个GPIO控制2个LED显示4种状态

前几天发了一篇文章：

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同步发在公众号“芯片之家”上，引起了大家的热烈讨论。当时没有带具体的实验现象，有点小遗憾。

清华大学的卓老师看到之后，做了具体的实验分析。不仅重点分析了串并联两种实现方式，还对串联方式时两个LED存在微亮的问题提出了解决方案。

文章讲解得非常到位，有理有据，实在是“实践出真知的典范”。

下面分享给大家，通过实验看用1个GPIO控制2个LED显示4种状态的实验现象，原文如下：

在下面的面包板上，演示了使用一条IO控制线控制两个LED分别点亮和熄灭的四种状态。

为了理解其中的工作原理，则需要熟悉LED的两个工作特性：

正如发光二极管名字所说，LED只能向二极管那样单向导电发光。如果施加电压极性反了，LED则不工作。

导通阈值特性是指，只要施加的正向电压超过一定阈值之后，LED才能够导通。这一点可以从下面这支红色LED的正向V-A特性曲线看出。

上面曲线表明，只有当正向电压超过大约1.6V之后，电流才会出现快速增加。在此之前，正向导通电流很小。

不同颜色的LED由于所使用的半导体材料不同，导通阈值电压会有所区别。比如下面这支黄色LED的正向导通电压超过了1.7V。

如果LED发射光谱中包括更短的光谱成分，则相应的导通阈值会更高。下面的绿色和蓝色LED的正向导通电压的阈值都已经超过了2.5V了。

将不同LED的V-A特性曲线绘制在一起，可以凸显出不同LED的阈值电压的差异。值得说明的是，当电压小于阈值电压的时候，LED并不是不导电，只是电流极小。比如在2.5V，虽然还没有超过蓝色LED的阈值电压，但在LED灯芯处还是能够隐约看到发光。

一旦电压超过阈值电压，LED正向导通电流便会迅速增加到1mA以上。之后虽然电流增加很快，但在导通电流2 ~ 10mA之内，LED都显示为点亮状态，亮度倒是看起来差不多。

合理应用LED的单向导电和导通阈值特性，便可以在一条单片机IO口的四种工作状态下，来控制两个LED的点亮和熄灭了。

比如利用LED管的单向导通特性，将两个LED正反向并联在一起，分别连接在分压电阻中心和单片机的IO口上，就可以实现单个IO口控制两个LED的目标。在下图中，显示了在一个工作在5V电压下的单片机IO控制两个LED（红色，黄色）的四种状态。

当IO口为高阻状态，两个LED都熄灭；当IO端口为高电平时，红色LED点亮；当IO端口为低电平的时候，黄色LED点亮；当IO输出方波信号时（通常要求频率大于100Hz），两个LED交替点亮，根据人眼色视觉暂留特性，看起来两个LED都点亮了。

下面动图显示了IO口的四种状态对应两个LED的点亮与熄灭。

上面的LED并联方案是利用了LED的单向导通特性。如果考虑到LED的阈值特性，这种方案就会受到一定限制。比如，控制的LED绿色或者蓝色时，由于它们的导通阈值电压超过了2.5V，因此绿色和蓝色LED就很难被点亮。

下面动图显示，绿色和蓝色LED只能发出微弱的光线。

如果当单片机和LED的供电电压为3.3V时，情况将会更加严重。比如在3.3V供电情况下，使用并联LED方案，对于红色的LED还可以勉强工作，但对于绿色和蓝色LED则无法点亮了。

在前面推文中则介绍了另外一种方案，即LED串联方案，可以解决蓝色和绿色LED阈值电压高的问题。

下图显示了LED串联方案电路示意图：

当IO端口为高阻时，由于两个LED的导通阈值电压之和大于电源电压（+5V），它们都不导通；当IO端口为低电平时；上面的绿色LED点亮；当IO端口为高电平时，下面的蓝色LED点亮；当输出高频方波信号时，两个LED都被点亮。

下面动图显示了面包板上绿色和蓝色串联工作状态下，并一条IO端口控制的情况：

串联LED控制模式只能应用于两个LED的电压加起来超过电路电源电压的情况。比如蓝色、绿色LED，工作在3.3V，5V电压下都是可以的。

如果将两个LED更换成红色（1.6V）和绿色（2.5V），使用串联模式，则只能应用在电源电压小于4.1V的情况下，比如3.3V的单片机电路中。如果在5V电路中，则会出现两个LED无法同时熄灭的情况。

下面就显示了一个红色，一个绿色LED工作在5V电源电压下，当IO为高阻时，它们实际上无法熄灭。

在5V电压下，那么对于红色、绿色LED使用前面并联LED方案行不行呢？

通过实验会发现，也出现了问题。由于绿色LED在2.5V下无法点亮，因此并联方案也无法工作。如下图所示：

那么问题来了，在5V电压下，该使用什么方案，才能够利用单片机一个IO口的四种模式，来分别控制一个绿色LED和一个红色LED的点亮和熄灭呢？就像下面这个动图里所示的那样。

如果你对并联LED和串联LED工作原理已经理解了，我想此时，你的脑子里已经有了答案了。如果你有了想法，就将答案写在后面的留言中吧。（答案就在上图中）

对串联方案的补充说明

使用另外一个二极管对串联的两个LED进行并联，消除无法完全关闭的问题。

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