Arduino开发从入门到实战/电子设计与嵌入式开发实践丛书

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第5章 炫酷LED灯 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PN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。 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件店进行购买。 表5.1实验所需要的材料清单 元 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 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PN结的光电器件，它具备PN结型器件的电学特性、IV特性、CV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) VI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上300~500只二极管构成。 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 l 案例教学，由浅入深，适合读者自主学习。将概念、基础实验与创新实验相结合，注重应变能力与主动思考能力的培养。 l 入门篇加入章前导语、课前提问及章末总结，条理清晰地引导读者学习。融入更多技术小贴士，帮助读者扩展知识。 l 开源的编程环境，方便快捷，容易上手，是电子爱好者及开源硬件发烧友的必备法宝，也是零基础创客人士的入门典籍。 l 本书配套有教学课件（PPT）和相关源代码等资料，下载地址为清华大学出版社网站本书页面。