第5章
CHAPTER 5
炫酷LED灯
视频讲解
5.1实验原理
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成： 一部分是P型半导体(带正电的空穴占主导地位)，另一部分是N型半导体(带负电电子占主导地位)。这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个PN结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。
曾经有人指出，高亮度LED是人类继爱迪生发明白炽灯后，最伟大的发明之一。随着国际国内的经济发展，LED的应用领域正在不断扩展。各种各样的LED灯如图5.1所示。
图5.1各种LED灯
在照明领域，LED正以绝对优势“吞噬”着整个领域。LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。
(1) 便携灯具： 手电筒、头灯、矿工灯、潜水灯等。
(2) 汽车用灯： 汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯、外部的高位刹车灯、转向灯、倒车灯、尾灯、侧灯以及头灯等，大功率的LED已被大量用于汽车照明中。
(3) 特殊照明： 太阳能庭院灯、太阳能路灯、水底灯等。由于LED尺寸小，便于动态的亮度和颜色控制，因此比较适合用于建筑装饰照明。
(4) 普通照明： LED照明光源早期的产品发光效率低，光强一般只能达到几个到几十个mcd，适用于室内场合如家电、仪器仪表、通信设备、微机及玩具等方面的应用。LED筒灯、LED天花灯、LED日光灯、LED光纤灯已悄悄地进入家庭。目前直接目标是LED光源替代白炽灯和荧光灯，这种替代趋势已从局部扩展到了全球范围。
有趣的是，LED在装饰方面的应用也很广，如可广泛应用于发光立体字，建筑景观外观发光体，高架、高楼、公路、桥梁、地标、标志建筑发光源，广告立体字、标志、标识、指示光源，商业空间、机场、建筑工程、地铁、医院、饭店、白货商场、广场、餐馆、PUB设计灯光，汽车、运输、轮船、宣传指示警示光源，计算机、手机、通信、滑鼠、信号传输应用光源，其他应用例如一种广受儿童欢迎的闪光鞋，走路时内置的LED会闪烁发光，以及利用发光二极管作为电动牙刷的电量指示等。
本次实验需要完成的就是用Arduino控制LED灯，让它闪烁起来。
视频讲解
5.2材料清单及数据手册
5.2.1材料清单
实验所需要的材料清单如表5.1所示。表中列出了元器件名称、型号参数规格、数量及参考实物图，实验者可以在网上商店或实体元器件店进行购买。
表5.1实验所需要的材料清单
元器件名称型号参数规格数量参考实物图
Arduino开发板Uno R31
面包板840孔无焊板1
续表
元器件名称型号参数规格数量参考实物图
LED蓝色—5mm1
电阻220Ω，0.25W1
面包板专用插线—若干
5.2.2核心元件数据手册
LED是利用化合物材料制成PN结的光电器件，它具备PN结型器件的电学特性、IV特性、CV特性和光学特性、光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。下面是LED的重要参数，通过了解LED的参数，可以帮助实验者更好地根据自己的需求选择合适的LED，并在实验过程中能合理地使用LED，以免造成不必要的损坏。
(1) 正向工作电流IF： 指发光二极体正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6·IFm以下。
(2) 正向工作电压VF： 该正向工作电压是在给定的正向电流下得到的，一般是在IF=20mA时测得的。发光二极体正向工作电压VF为1.4~3V。在外界温度升高时，VF将下降。
(3) VI特性： 发光二极体的电压与电流的关系。在正向电压小于某值(称为阈值)时，电流极小，不发光； 当电压超过某值后，正向电流随电压迅速增加，发光。
(4) 发光强度IV： 指法线(对圆柱形发光管来讲是指其轴线)方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为(1/683)W/sr，则发光1坎德拉(符号为cd)。由于一般LED的强度小，所以发光强度常用烛光(毫坎德拉,mcd)为单位。
(5) LED的发光角度： -90°~+90°。
(6) 光谱半宽度Δλ： 表示发光管的光谱纯度。
(7) 半值角θ1/2： θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向(法向)的夹角。
(8) 全形： 根据LED发光立体角换算出的角度，也叫平面角。
(9) 视角： 指LED发光的最大角度，根据视角不同，应用也不同，也叫光强角。
(10) 半形： 法向0°与最大发光强度值/2之间的夹角。严格上来说，是最大发光强度值与最大发光强度值/2所对应的夹角。LED的封装技术导致最大发光角度并不是法向0°的光强值，因此引入偏差角，指的是最大发光强度对应的角度与法向0°之间的夹角。
(11) 最大正向直流电流IFm： 所允许加的最大正向直流电流，超过此值可损坏二极体。
(12) 最大反向电压VRm： 所允许加的最大反向电压即击穿电压，超过此值，发光二极体可能被击穿损坏。
(13) 工作环境温度topm： 发光二极体可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极体将不能正常工作，效率大大降低。
(14) 允许功耗Pm： 允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。
与白炽灯相比，LED光源具有如下特点。
(1) 电压： LED使用低压电源，供电电压在6~24V范围内，因产品不同而异，所以是比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。
(2) 能耗： 消耗能量较同光效的白炽灯降低80%。
(3) 适用性： 每个单元LED小片是3~5mm的正方形，很小，所以可以制成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。
(4) 稳定性： 10万小时，光衰为初始的50%。
(5) 响应时间： 白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。
(6) 对环境污染： 无有害金属汞。
(7) 颜色： 改变电流可以变色，发光二极管可方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿蓝橙多色发光，如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色、黄色，最后为绿色。
(8) 价格： 较之于白炽灯，LED的价格比较昂贵，几只LED的价格与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需用到300~500只二极管。
5.3硬件连接
实验的硬件连接原理如图5.2所示。为避免电流过大损坏LED，Arduino实验板连接LED时需要串接一个限流电阻，限流电阻的取值会影响LED的亮度。电路图如图5.3所示。
图5.2单个LED闪烁连接原理图
图5.3单个LED闪烁连接电路图
5.4程序设计
5.4.1设计思路及流程图
实现LED灯闪烁的原理十分简单，只需要先设置一个引脚为高电平，点亮LED灯，然后延时一段时间，接着设置该引脚为低电平，熄灭LED灯，再延时。这样使LED灯交替亮灭，在视觉上就形成闪烁状态。如果想让LED快速闪烁，可以将延时时间设置得小一些，但不能过小，延时过小，肉眼无法分辨出来，看上去就像LED灯一直在亮着； 如果想让LED慢一点闪烁，可以将延时时间设置得大一些，但也不能过大，过大的话就没有闪烁的效果了。这里将延时的时间定为1s。实验流程如图5.4所示。
图5.4单个LED闪烁流程图
5.4.2程序源码
硬件电路搭建好后，就轮到软件部分了，软件部分的主要工作就是编写程序。为达到实验要求，编写的参考程序源代码为：
//项目一——LED闪烁灯
int LEDPin=13;
void setup()
{
pinMode(LEDPin,OUTPUT);//13脚设置为输出
}
void loop()
{
digitalWrite(LEDPin,HIGH); //设定PIN13脚为HIGH = 5V左右
delay(1000); //设定延时时间，1000 = 1s
digitalWrite(LEDPin,LOW); //设定PIN13脚为LOW = 0V
delay(1000); //设定延时时间，1000 = 1s
}
5.5调试及实验现象
单个LED闪烁实验的实物连接如图5.5所示，将程序下载到实验板后，就可以观察到发光二极管以1s的时间间隔闪烁。
图5.5单个LED闪烁实物连接图
5.6代码回顾
代码的第一行如下所示：
//项目一——LED闪烁灯
这是代码中的说明文字，可以叫它们注释，因为是以“//”开始的，这个符号后面所有的文字编译器都将忽略。注释在代码中是非常有用的，能帮助读者理解代码是如何工作的。
接下来的一行程序是这样的：
int LEDPin=13;
这就是所谓的变量，变量是用来存储数据的。在上面的例子里定义了一个变量，类型是int或者说整型。整型表示一个数，范围为-32768~32767，接下来指定了这个整型数的名字是LEDPin，并且给它赋了一个值13。
接下来是setup()函数：
void setup() {
pinMode(LEDPin,OUTPUT);//13脚设置为输出
}
Arduino程序必须包含setup()和loop()两个函数，否则它将不能工作。setup函数只在程序的开头运行一次。在这个函数里可以在主循环开始前为程序设定一些通用的规则，如设置引脚形式、波特率等。一般情况下，函数是一组集合在一个程序块中的代码。
void loop()
{
digitalWrite(LEDPin,HIGH);//设定PIN13脚为HIGH = 5V左右
delay(1000); //设定延时时间，1000 = 1s
digitalWrite(LEDPin,LOW); //设定PIN13脚为LOW = 0V
delay(1000);//设定延时时间，1000 = 1s
}
loop()函数是主要的过程函数，只要Arduino打开就一直运行。每一条loop()函数(在花括号内的代码)中的代码都要执行，并按顺序逐个执行，直到函数的最后。然后loop函数再次开始，从函数顶部开始运行，一直这样循环下去，直到按下Arduino重启按钮。
5.7拓展实验
在完成了LED闪烁实验后，如果还有兴趣的话，在LED闪烁实验的基础上为大家提供一个利用LED灯实现广告牌效果的拓展实验。同时，大家可以充分发挥自己的想象，编写出自己想要的LED灯效果，玩转多彩LED灯。
在生活中经常会看到一些由各种颜色LED灯组成的广告牌，广告牌上各个位置上的LED灯不断地亮灭变化，就形成各种不同的效果。
本实验就是利用LED灯编程模拟广告灯的效果。共需要LED灯6个、220Ω的电阻6个、面包板1块、跳线若干。实验原理图如图5.6所示，电路图如图5.7所示。
图5.6广告灯拓展实验原理图
图5.7广告灯拓展实验电路图
广告灯拓展实验参考程序为：
//设置控制LED的数字I/O引脚
int LED1 = 1;
int LED2 = 2;
int LED3 = 3;
int LED4 = 4;
int LED5 = 5;
int LED6 = 6;
//LED灯花样显示样式1子程序
void style_1(void)
{
unsigned char j;
for(j=1;j=6;j++)//每隔200ms依次点亮1~6引脚相连的LED灯
{
digitalWrite(j,HIGH); //点亮与j引脚相连的LED灯
delay(200); //延时200ms
}
for(j=6;j=1;j--) //每隔200ms依次熄灭与6~1引脚相连的LED灯
{
digitalWrite(j,LOW); //熄灭与j引脚相连的LED灯
delay(200); //延时200ms
}
}
//灯闪烁子程序
void flash(void)
{
unsigned char j,k;
for(k=0;k=1;k++) //闪烁两次
{
for(j=1;j=6;j++) //点亮与1~6引脚相连的LED灯
digitalWrite(j,HIGH); //点亮与j引脚相连的LED灯
delay(200); //延时200ms
for(j=1;j=6;j++) //熄灭与1~6引脚相连的LED灯
digitalWrite(j,LOW); //熄灭与j引脚相连的LED灯
delay(200); //延时200ms
}
}
//LED灯花样显示样式2子程序
void style_2(void)
{
unsigned char j,k;
k=1; //设置k的初值为1
for(j=3;j=1;j--)
{
digitalWrite(j,HIGH); //点亮灯
digitalWrite(j+k,HIGH); //点亮灯
delay(400); //延时400ms
k +=2; //k值加2
}
k=5; //设置k值为5
for(j=1;j=3;j++)
{
digitalWrite(j,LOW);//熄灭灯
digitalWrite(j+k,LOW); //熄灭灯
delay(400); //延时400ms
k -=2; //k值减2
}
}
//LED灯花样显示样式3子程序
void style_3(void)
{
unsigned char j,k; //LED灯花样显示样式3子程序
k=5; //设置k值为5
for(j=1;j=3;j++)
{
digitalWrite(j,HIGH); //点亮灯
digitalWrite(j+k,HIGH); //点亮灯
delay(400); //延时400ms
digitalWrite(j,LOW); //熄灭灯
digitalWrite(j+k,LOW); //熄灭灯
k -=2; //k值减2
}
k=3; //设置k值为3
for(j=2;j=1;j--)
{
digitalWrite(j,HIGH); //点亮灯
digitalWrite(j+k,HIGH); //点亮灯
delay(400); //延时400ms
digitalWrite(j,LOW); //熄灭灯
digitalWrite(j+k,LOW); //熄灭灯
k +=2; //k值加2
}
}
void setup()
{
unsigned char i;
for(i=1;i=6;i++) //依次设置1~6个数字引脚为输出模式
pinMode(i,OUTPUT); //设置第i个引脚为输出模式
}
void loop()
{
style_1(); //样式1
flash(); //闪烁
style_2(); //样式2
flash(); //闪烁
style_3(); //样式3
flash(); //闪烁
}
5.8拓展实验调试及现象
广告灯拓展实验实物连接如图5.8所示。将程序下载到实验板，程序执行流程图如图5.9所示。
图5.8广告灯效果实物连接图(注： 此处未连接限流电阻)
图5.9程序执行流程图
首先执行第一种方式(间隔200ms依次亮灭)，间隔200ms依次点亮LED 1~6，随后间隔200ms依次熄灭LED 1~6； 然后执行第二种方式，即间隔200ms每个LED依次闪烁2次，循环完成一个流程； 最后执行第三种方式，LED灯每隔400ms间隔地点亮和熄灭，每个LED灯依次闪烁2次。
实验者可以根据需求自行设置k值来确定间隔的时间。另外，如果闪烁的现象不够明显，那么就延长延时函数的参数，以达到最佳的闪烁效果。
5.9技术小贴士
5.9.1解析LED正负极判别方法
LED灯在焊接过程中，常遇到如何辨认LED的正负极，这点尤其重要，灯亮不亮关键在此。下面讲解判断LED正负极的技巧和方法。
1) 判断草帽型LED正负极
草帽型LED正负极判别如图5.10所示。LED内部两根块状的引脚称为LED的支架，其中负极支架比较大，正极支架比较小，原因是负极支架托载着LED的芯片。所以得出的结论就是： 目测LED，大支架连接为负极，小支架连接为正极。
图5.10草帽LED正负极判别
还有一个比较简单的方法： 如果手头的LED是新购买的，引脚都还健全的话，直接看引脚的长短，通过“正极引脚长，负极引脚短”的原则就可以区分了。
2) 判断贴片LED正负极
贴片LED常用在LED节能灯照明行业中，但是很多用户在拿到贴片LED后，不知道怎么焊接，原因就是不知道如何区分贴片LED正负极。
贴片LED正负极判定方法如图5.11所示。尺寸大的LED在极片引脚附近有一些标记，如切角、涂色或引脚大小不一样，一般有标志的，引脚小的、短的一边是阴极(即负极)。尺寸小的在底部有T字形或倒三角形符号，T字形“横”的一边是正极； 三角形符号的“边”靠近的是正极，“角”靠近的是负极。
图5.11贴片LED正负极判别
3) 万用表检测LED
用万用表检测发光二极管时，分为普通模拟万用表和数字万用表两种情况。
(1) 当使用模拟万用表检测时，必须使用R×10k挡。因为发光二极管的管压降大约为3V，而万用表处于R×1k及以下各电阻挡时，表内电池仅为1.5V，低于管压降，无论正、反向接入，发光二极管都不可能导通，也就无法检测。用R×10k挡时，表内接有9V(或15V)高压电池，高于管压降，所以可以用来检测发光二极管。
检测时，将两表笔分别与发光二极管的两条引线相接，如表针偏转过半，同时发光二极管中有一个发亮光点，表示发光二极管是正向接入，这时与黑表笔(与表内电池正极相连)相接的是正极，与红表笔(与表内电池负极相连)相接的是负极。
再将两表笔对调后与发光二极管相接，这时为反向接入，表针应不动。
如果不论正向接入还是反向接入，表针都偏转到头或都不动，则表明该发光二极管已损坏。
(2) 当使用数字万用表检测时，应采用数字万用表中的“二极管”测试挡。
检测时，将两表笔分别与发光二极管的两条引线相接，如数字表显示在0.7~2.5V范围内且LED有一个发亮光点，表示发光二极管是正向接入，这时与红表笔(与表内电池正极相连)相接的是正极，与黑表笔(与表内电池负极相连)相接的是负极。
再将两表笔对调后与发光二极管相接，这时为反向接入，显示应为无穷大。
如果不论正向接入还是反向接入，都显示无穷大，LED也不发光，则可以判断该发光二极管已损坏。
5.9.2LED分类
1) 按发光管发光颜色分类
按发光管发光颜色分类，可分成红色、橙色、绿色(又细分为黄绿、标准绿和纯绿)、蓝色等。此外，有的发光二极管中包含两种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。
2) 按发光管出光面特征分类
按发光管出光面特征分为圆灯、方灯、矩形灯、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及20mm等。国外通常把3mm的发光二极管记作T1； 把5mm的记作T1(3/4)； 把4.4mm的记作T1(1/4)。
由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。
从发光强度角分布图来分类，分为高指向性、标准型及散射型三类。
高指向性： 一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5°~20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。
标准型： 通常作指示灯用，其半值角为20°~45°。
散射型： 视角较大的指示灯，其半值角为45°~90°或更大，散射剂的量较大。
3) 按发光二极管的结构分类
按发光二极管的结构分为全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。
4) 按发光强度和工作电流分类
普通亮度的LED，发光强度为100mcd； 把发光强度在10~100mcd范围内的叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几毫安至几十毫安，而低电流LED的工作电流在2mA以下。