AVR单片机教程——数字输出

本文隶属于AVR单片机教程系列。

 

从上一篇教程中我们了解到，按键与开关的输入本质上就是数字信号的读取。这一篇教程要讲的是，控制LED的原理是数字信号的输出。数字IO是单片机编程之有别于桌面编程的各项内容中最简单、最基础的。

 

在讲数字信号输出之前，我们先来了解一下它控制的器件。LED，是一种二极管，在理想模型中，加以正向电压会发光，反向电压则不会。在稍微实际一点的模型中，当正向电压超过一定阈值时，二极管会发光，其电流会随着正向电压的增大而急剧增大；对反向电压的耐受力也是有限的。现实中的LED的具体参数因生产厂家而异，一般红色与黄色LED的导通压降为2V多，绿、蓝、白色的为3V左右或多一点；反向耐压一般为5V。

电流大到一定程度，任何器件都会烧毁，我们最好要把LED的电压控制在比导通压降高一点，但直接获得这样的电压比较困难，而且与LED的参数和温度等都是相关的。一种方案是用电流源来驱动LED，但由于现代计算机，包括单片机，都以电压方式来工作，在控制亮暗这种简单应用中一般不会使用（大功率LED一般有专用的恒流电源来驱动）。常见的方案是将LED与一个电阻串联。这个电阻能保证LED的电流不太大，因此称为限流电阻。至于这种接法下电流是多少，可以通过“负载线”来求得。本系列教程不会专门讲电路，你可以自己搜索相关知识，早晚会用到的。

早期的单片机设计中，一般把LED和电阻接在引脚和正电源之间，这是因为TTL的拉电流能力强而灌电流能力很弱，只能这样接。CMOS工艺的单片机不必在意这一点，由于我们习惯让1代表有而0代表无，因此一般将LED与电阻接在引脚与地之间。电阻接在LED的正极还是负极是无所谓的。

以上都是对单个LED而言的。对于一些多色LED，比如RGB的，各个单色光源的一极是接在一起的，以节省引脚。当正极接在一起时，称为共阳接法：

为了亮度均匀，需要为每个LED接一个限流电阻（阻值一般不同），这时电阻就必须接在LED负极上了，然后再连接单片机引脚，而LED的另一端则连接正电源。引脚输出低电平会让对应颜色亮起。

当负极接在一起时，称为共阴接法：

LED的两极称为正极负极，接法称为共阳和共阴，都是习惯而已，不必纠结其中的不一致性。

 

我们的开发板上有一颗RGBW的LED，4种颜色的LED都有独立的正负极，但我把它们的负极都接到了地，可以理解为共阴接法。LED右边的4个针脚分别连接电阻，然后再连接LED的正极。因此，连接单片机引脚和LED的针脚后，使引脚输出高电平能让LED亮，反之则不亮。

将引脚4~7分别连接到RGBW上，我们来实现一个略微复杂（相比之前）的效果：红，红+绿，绿，绿+蓝，蓝，蓝+红；然后重复，只是加上白色；循环。

#include <ee1/pin.h>
#include <ee1/delay.h>

#define RED   PIN_4
#define GREEN PIN_5
#define BLUE  PIN_6
#define WHITE PIN_7

void rgb_cycle()
{
    for (uint8_t i = 0; i != 6; ++i)
    {
        pin_write(RED  , i == 5 || i == 0 || i == 1);
        pin_write(GREEN, i == 1 || i == 2 || i == 3);
        pin_write(BLUE , i == 3 || i == 4 || i == 5);
        delay(500);
    }
}

int main()
{
    uint8_t pins[] = {RED, GREEN, BLUE, WHITE};
    for (uint8_t i = 0; i != sizeof(pins) / sizeof(pins[0]); ++i)
        pin_mode(pins[i], OUTPUT);
    while (1)
    {
        pin_write(WHITE, false);
        rgb_cycle();
        pin_write(WHITE, true);
        rgb_cycle();
    }
}

这段代码虽然略长，但还是比较容易理解的：rgb_cycle 即为6种状态的枚举，包含了延时；main 函数中，先初始化，然后进入主循环；每一遍循环中先控制白色灯，然后调用 rgb_cycle ，对于白色灯的两种状态调用两次；整体效果的循环周期为12次改变。

 

另外，你也许已经发现，对于数字输入的引脚，即使没有调用 pin_mode 来配置模式，也能正常检测输入。这是因为输入是单片机复位后默认的设置。那么，对于输出来说，就必须调用 pin_mode 将引脚配置为输出模式。如果没有将引脚配置为输出而写高电平会怎样？自己试试吧。原因我们以后分析。

由于今天的教程非常简单，就没有作业了。复习一下之前的内容，下一篇教程会比较难。