【硬件设计】如何利用少的IO口控制多个LED

在项目中经常会遇到单片机IO口资源不够用的情况，那么如何让单片机的IO口利用最大化呢，这里分享一下几种方法。
一、如何使用1个GPIO口控制2个LED灯显示四种状态
1、LED的两大特性：
1).单向导电性
2).阈值特性：在LED两端加压到一定的阀值电压后才能导通（材料不同，阀值电压不同）
2、电路设计
并联

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3、原理详解
1).IO口为高阻态时，两个LED均熄灭
2).IO口为高电平的时候，红色LED点亮
3).IO口为低电平的时候，黄色LED点亮
4).IO口输出方波信号（频率大于100Hz），两个LED交替点亮，根据人眼视觉惰性，两个灯相当于都点亮
限制：电源电压只有5V，只有部分低阀值的LED可点亮
解决方法：
串联

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1).IO口为高阻态时，两个LED均熄灭（两个LED导通所需电压大于电源电压）
2).IO口为高电平的时候，蓝色LED点亮
3).IO口为低电平的时候，绿色LED点亮
4).IO口输出方波信号（频率大于100Hz），两个LED交替点亮，根据人眼视觉惰性，两个灯相当于都点亮
总结：当两个LED导通电压大于电源电压时，串联
当两个LED导通电压小于电源电压时，并联
LED灯驱动
使用NPN和PNP三极管
如果是一个IO口，IO口驱动电流很小。控制两个LED灯时不能同时发光也就是一个发光一个不发光，则可以使用如下电路；两个三极管一个NPN一个PNP来实现LED灯控制。

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使用NPN和NPN
如果是一个IO口，IO口驱动电流很小。控制两个LED灯时不能同时发光也就是一个发光一个不发光，则可以使用如下电路；两个三极管都是NPN三极管，因为NPN从集电极拿出来信号，刚好是和基极信号相位相反的。

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直接驱动无需放大
如上所示，LED灯直接可以用IO口驱动，此时一个接成IO口上拉的形式；一个接成IO口下拉的形式，此时IO口高低状态会驱动不同颜色的了的LED灯发光。

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两个NPN使用两个IO口
IO口无法驱动而且需要使用两种不同颜色的LED灯时，我们可以直接使用两个NPN三极管来驱动；当然也可以使用PNP三极管。

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以上两种灯需要交替亮起来一般很常见，例如系统正常工作时需要红色指示灯亮起来，但是待机时，需要绿色指示灯亮起来。
请注意红色、绿色、蓝色LED灯除了颜色不一致，正常发光时的压降也是不一致的；如下所示：
红色：1.6~2.0V
绿色：2.2~2.5V
蓝色：2.5~3.1V
小知识：2014年诺贝尔物理学奖，被授予日本名古屋大学、名城大学教授赤崎勇，名古屋大学教授天野浩，以及美国加州大学圣芭芭拉分校教授、美籍日裔科学家中村修二，以表彰他们发明了蓝色发光二极管（LED），并因此带来的新型节能光源?
二、如何使用两个IO口控制三个LED灯方法一：

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S1和S2分别接单片机两个IO口，这里通过一个单刀双掷按键模拟IO口输出高低电平。
S1和S2同时为低电平时，LED灯全灭。
S1为低电平，S2为高电平时，LED2亮。
S1为高电平，S2为低电平时，LED3亮。
S1为高电平，S2为高电平时，LED1亮。
方法二：

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S3和S4分别接单片机两个IO口，这里通过一个单刀双掷按键模拟IO口输出高低电平。
S3和S4同时为低电平时，LED4亮。
S3为低电平，S4为高电平时，LED6亮。
S3为高电平，S4为低电平时，LED5亮。
S3为高电平，S4为高电平时，LED5、LED6同时亮。
方法三：

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S1和S2分别接单片机两个IO口，这里通过一个单刀双掷按键模拟IO口输出高低电平。
S1和S2同时为低电平时，LED灯全灭。
S1为低电平，S2为高电平时，LED3亮。
S1为高电平，S2为低电平时，LED2亮。
S1为高电平，S2为高电平时，LED1亮。
方法四：

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S3和S4分别接单片机两个IO口，这里通过一个单刀双掷按键模拟IO口输出高低电平。
S3和S4同时为低电平时，LED灯全灭。
S3为低电平，S4为高电平时，LED6亮。
S3为高电平，S4为低电平时，LED5亮。
S3为高电平，S4为高电平时，LED4亮。
通过两个IO口的高低电平4种组合方式，结合外部电路就可以控制3个LED灯的亮灭。
三、如何用3个IO口控制6个LED灯

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这个电路用到了单片机GPIO的三种状态：高电平 低电平 高阻态
所谓“高阻态”，是指GPIO对外部电路表现出极大的阻抗。因阻抗很大，几乎不会吸入电流，也不会对外输出电流。
各个LED灯单独亮起，分为六种情况。
1、当只有LED1亮起时，单片机各GPIO的状态如下：（带箭头的红线为电流回路）

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2、当只有LED2亮起时，单片机各GPIO的状态如下：

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3、当只有LED3亮起时，单片机各GPIO的状态如下：

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4、当只有LED4亮起时，单片机各GPIO的状态如下：

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5、当只有LED5亮起时，单片机各GPIO的状态如下：

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6、当只有LED6亮起时，单片机各GPIO的状态如下：


整理如下：


就是这么简单！
使用该方法，n个GPIO可以驱动 n*(n-1) 个LED，所以：
使用2个GPIO可以驱动2个LED。
使用3个GPIO可以驱动6个LED。
使用4个GPIO可以驱动12个LED。
以此类推。
这种方式能够实现的基础是：
单片机GPIO的三个状态：高电平、低电平、高阻态。
LED具有单向导电性。
查理复用设计的方法：
任意两个GPIO引脚之间串入两个LED，这两个LED为并联，且LED方向相反。
当你想要点亮某个特定的LED时，就将其两端所连接到的GPIO引脚分别设定为高电平和低电平，其它剩余的GPIO引脚设定为高阻态。
下面从最简单的开始，一步一步体会查理复用的电路设计。
1、使用2个GPIO时最简单：


LED1亮起时：


LED2亮起时：


这里只用到高电平、低电平的状态，不需要用高阻态的状态。
2、使用3个GPIO时，前面已经分析过：


可以等效为下图：


可以看出，确实是任意两个GPIO之间均串入了两个并联的LED，且LED方向相反。
查理复用这样的电路接法也会引发一些问题。
首先，LED亮起时完全由单片机的GPIO输出电流，所以对于GPIO的电流驱动能力有一定的要求。设计电路时要注意查询自己使用的MCU的电流驱动能力，下图是STM32单片机中对GPIO电流驱动能力的说明：


其次，如果出现了某个LED开路或短路的情况，电流的流向会被打乱，LED亮起来的逻辑会变得错乱。最坏的情况下，电路会对GPIO索取大电流，导致单片机损坏。下图是假设LED1短路，那么在点亮LED5时，LED3也会亮起：