如何在微控制器上用相对较少的引脚驱动多个LED

第1步：两个LED

charlieplexing背后的基本思想最好只用两个引脚和两个LED来说明。随意使用此SIMULATION - 切换开关，看看会发生什么（模拟中使用的开关用于将中间引脚连接到+或 - ）。

如果你已经完成了模拟游戏，或者你只是想要一种不那么互动的学习方式，请继续阅读。

与标准灯泡不同，LED仅在一个方向上传导电流。这意味着当您“正确”连接时LED将发光，并在连接“错误”时充当开路。如果以不同方向并联连接两个LED，则无论极性如何，其中一个LED都会发光。要选择哪个LED发光，您可以调制哪个引脚为+和哪个 - （图像2 ）。如果您将booth设置为+或 - ，则当前将无法流动，关闭两个LED（图像3 ）。

您可能已经注意到我只使用了一个电阻用于两个LED。这可以做到，因为无论极性如何，电都“看到”只有一个LED。要计算电阻值，请使用标准公式或使用此在线计算器。请记住，Arduino的最大电流输出为40mA（推荐20mA）。

步骤2：三个LED

用两个引脚进行查询是没用的。它消耗两个引脚来驱动两个LED，并取消了同时打开它们的选项。

幸运的是，当你添加第三个引脚时，它会好得多。使用三个引脚进行charlieplexing可以控制6个LED。如果您打算使用SIMULATION进行此设置，请在阅读之前进行。

您已经看到，只要您翻转一个开关，两个LED就会亮起。无论你做什么，都没有两个LED点亮。这是因为+和 - 端子之间总是有两个LED（图像2 ）。

此模拟中显示了此问题的解决方案。您将看到唯一的区别是我添加了三个断开终端的交换机。我再次建议您在阅读之前先完成模拟。

新增加的开关的唯一目的是防止不需要的电流流动。现在你可以只打开你想要的LED，但突然间我们看到鬼影。在运行于5V的arduino上，当使用红色或绿色LED时，重影很明显。这是因为这两者上的电压降小于2.5V，因此一些小电流流过+和 - （图像3 ）之间的两个LED。如果你要在一个运行在3.3伏特上的微控制器上实现charlieplexing，就不会出现重影。

现在关于电阻器的说法：Charlieplexing通常使用与用于驱动LED的引脚一样多的电阻器来进行。每个电阻的值是以“经典”方式驱动单个LED所需电阻的一半。

最后解决房间里的大象：我在原理图中使用了三个符号：+， - 和x。他们如何翻译成arduino？ +和 - 很简单。将Arduino的引脚配置为OUTPUT并写入HIGH（+）或LOW（ - ）。断开连接（x）状态有点不太直观。如果将引脚配置为INPUT，它将进入所谓的高阻抗模式（高阻态），这意味着电流不能流入或流出该引脚，有点像断开的引脚。更多关于我谈论Arduino实现的步骤。

步骤3：N个LED

直到现在可以很容易地绘制原理图而不需要任何交叉线。对于任何超过三个引脚，这是不可能的。

您可以尝试弄清楚上图中的电路如何工作，或者您可以尝试此模拟。请注意，我省略了开关和Arduino。

您将看到原理图中的LED（图像1 ）排列在NxN网格中。省略了灰色的LED，因为它们将与阴极和阳极连接到相同的引脚。第一行中所有LED的阳极（+）连接到pin1，因此第一行中的所有阴极都连接。其他二极管也是如此。

如果你想知道你可以用这种LED安排做什么，不要害怕。这只是一个原理图，仅用于简单布线。 PCB布局可能非常不同。在这个模拟中，我采用了与之前完全相同的项目并重新排列LED以形成一个圆圈（我还更改了代码，以便LED复制电位计的旋转）。查询复用的另一个常见用途是LED立方体 - 6个引脚允许您驱动30个LED，足以容纳3x3x3立方体，而9个引脚足以容纳4x4x4版本！

步骤4：代码

在向您展示如何为charlieplexing应用程序制作电路之前，我想谈谈这样的Arduino代码项目。我将通过4个引脚进行示例，与上一步中的SIMULATION中使用的代码相同。随意玩它，看看会发生什么。

如前所述，所有引脚都需要设置为三种可能状态之一：HIGH（+），LOW（ - ）和HIGH-Z（未连接）。前两个很容易。将引脚配置为OUTPUT并使用digitalWrite（引脚，状态）在HIGH和LOW之间进行选择。 HIGH-Z（高阻抗）稍微不那么直观，但不再困难。无论何时将引脚配置为输入，它都会进入HIGH-Z模式，这意味着引脚无法吸收或提供任何电流。

最好通过定义哪个Arduino引脚来启动代码对应哪个charlieplexing pin。默认情况下，所有引脚都配置为数字输入引脚，这意味着它们处于HIGH-Z模式。

接下来是配置引脚以打开所选LED的功能 - charlieWrite（led）。它首先将所有引脚设置为HIGH-Z。然后是SWITCH语句，将正确的引脚配置为正确的电平输出。将引脚配置为数字输出时，默认设置为LOW，这就是为什么我只将电平值写入要设置为HIGH的引脚。

最后要做的是填充SETUP（）和LOOP（）函数。如果您不需要任何其他功能，SETUP（）可以保留为空，而LOOP（）的内容取决于所需的操作模式。

在第一个DEMO中，代码设置为通过所有带有for语句的LED并按顺序打开它们。

第二个DEMO更先进一点。它经历了所有LED和伪造效应，其中任意数量的LED同时打开。 LOOP（）首先测量电位计值。通过FOR循环，将该测量值与对应于每个LED的阈值进行比较。如果值高于阈值，则LED亮起，否则忽略。无论发生什么，都会调用相同的delay（）。这可确保LED亮度不会随着点亮的LED数量而变化。请注意，比较“while（micros（） - time 《1000）{}”将是一个更好的方法，但我不会折磨模拟器会好得多。附加的Arduino代码写得正确。

步骤5：EAGLE CAD

制作电路。最后。

您可以始终遵循步骤3中的原理图，并将所有LED和电线放在首选电路CAD程序的原理图上。这就是我做的方式，直到我想制作一个240 LED显示屏（16针）。要放置240个LED，重命名它们，连接它们。..。..让我们说它会耗费时间。..。..

幸运的是我去了PCB CAD程序，Eagle CAD（免费最多2个）图层和80cm2区域以XML格式保存文件。这意味着，我可以使用python几乎自动生成我想要的文件！

我的python代码生成一个LED网格以及所有需要的布线。您需要将输出 .sch 文件放在项目文件夹中，并按照您认为合适的方式完成原理图。您需要至少添加电阻和连接端子。

从那时起它非常直接。转到电路板编辑器，放置所有组件并激活自动路由器：）

Python脚本和支持文件必须在同一个文件夹中才能工作。您将需要python版本3.x来运行它。该脚本生成一个“schematic.sch”文件，您可以将其放入您的eagle项目文件夹中。您可以通过打开python脚本并更改“package”索引来更改要使用的LED类型（有关详细信息，请参阅代码注释，默认为5mm LED）。

我还包括两个EAGLE CAD一个简单的charlieplexed时钟的文件 - 与我用于解释如何为一个charlieplexing工作编程Arduino相同。请随意查看它们。

第6步：时钟

我为12个LED时钟做了模拟，我为12个LED时钟制作了原理图，我为12个LED时钟制作了一个PCB文件，然后我制作了驱动12个LED时钟的代码。如果我没有完全循环并制作一个12 LED时钟，那将是一种耻辱，现在不会这样：）

我制作PCB有一些问题，因为我非常想要用激光切割机制作它。最后，我不得不放弃那个梦想，回到可信赖的照片转移。如果您知道使用CO2激光器制作PCB的方法，请在评论中告诉我，因为我现在还不想放弃这个梦想。

除此之外，我做了PCB尽可能容易制造。蚀刻铜，钻孔，修补板的形状，放在表盘上，最后焊接在LED中（如果你错过极性，它仍然会“工作”，不是你想要的），电阻和跳线。请注意，在选择颜色时我选择了红色和绿色LED，以避免重影效果。

步骤7：备忘单

如前言所述，Charlieplexing允许您仅使用微控制器上的N个引脚驱动N *（N-1）个LED。请记住，您总是可以使用更少的。

同时几乎点亮的LED数量受微控制器的限制。您需要每秒至少刷新所有LED 60次。如果您的微控制器没有足够的处理能力，那么在更高的LED数量下您将无法实现这一点。如果你在低级别编程，就很难在Arduino上实现240个LED（16个引脚）。

明智地选择电阻。您将找到LED的最大额定电流。如果您希望它们持续点亮（不是虚拟），请选择电阻将电流限制为该值。如果您同时有多个点亮，您可以选择电阻将电流限制在最高40mA（Arduino的限制）。确保刷新周期内的平均电流不会超过LED的额定值（例如：12个LED，Imax = 2mA | Ioverclock/12 《2mA ==》 Ioverclock = 24mA）

不要忘记电阻应该具有驱动单个LED的一半电阻，因为电流流过两个电阻。