项目4 发光二级管及数码管的安装与调试
引 言
发光二极管是日常生活中最为常见、最为简单的发光设备，常用于照明、家用电器、玩具以及各种仪器上作为工作状态显示的设备；数码管是在发光二极管的基础上发展而来的，内部通常包含多个发光二极管，用于显示较为复杂的内容，如电梯的楼层显示、电子时钟的时间显示等。
知识目标
1.了解二极管的基本结构及工作原理。
2.了解发光二极管的基本结构及发光原理。
3.了解发光二极管的基本分类。
4.掌握发光二极管的使用及调试方法。
5.了解数码管的分类及脚位关系。
6.掌握数码管的基本检测方法。
7.掌握数码管的使用及调试方法。
技能目标
1.掌握基本的电路焊接和布局能力。
2.能够按照要求实现发光二极管的显示功能。
3.能够根据要求实现数码管的数字显示功能。
4.学会使用数字万用表等工具排查电路故障的能力。
任务1 发光二极管以及数码管的认识
任务描述
在完成发光二极管以及数码管的安装任务之前，应该掌握发光二极管和数码管的基本知识，主要包括：
①二极管的基本结构及工作原理。
②发光二极管的基本结构、发光原理及分类。
③数码管的分类及脚位关系。
任务工具准备
①计算机。
②互联网。
③图书资料。
④发光二极管。
⑤数码管。
任务引导性实施行动
通过使用Internet、图书资料、实物观察以及实际操作等方式，结合表4- 1的内容，了解发光二极管以及数码管的基础知识，并做好详细记录。建议搜索关键词为“发光二极管”“数码管”“LED”“LED数码管”等。
表4- 1
知识点掌握情况评价表
根据任务引导性实施行动，通过教师评价或学生互评的方式，从知识能力、通用能力以及态度等方面对学生的知识点掌握情况做出评价，并填入表4- 2中。
表4- 2
相关知识与技能
1）发光二极管
（1）概述
发光二极管简称LED，是一种可以把电能转换成为光能的半导体元件。发光二极管是二极管的一种，具有两个引脚，分别称为阳极和阴极，其实际器件和电路符号如图4- 1所示。
图4- 1
图4- 2
发光二极管与二极管特性相似，也具有“单向导电性”，其广泛用于各种电子电路、家电仪表等设备中，作为电源指示、电平指示或发光指示设备使用。
如图4- 2所示，发光二极管内部有一块LED芯片，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，环氧树脂中混合有光散射微粒，可以使LED看起来更明亮。LED芯片的下方有一个反射镜用来使光线朝上方发射。另外，发光二极管的两个引脚采用较大规格的导体制作，帮助其散发热量。由于LED芯片受到环氧树脂的包裹保护，因此发光二极管的抗振性能相当出色。
（2）分类
发光二极管从形状上可分为圆形、方形、矩形、三角形和组合图形等多种。
发光二极管从功能上还可分为普通单色发光二极管、红外发光二极管、变色发光二极管、闪烁发光二极管、电压控制型发光二极管、高亮度发光二极管、超高亮度发光二极管、负阻发光二极管等。
①普通单色发光二极管
图4- 3
普通单色发光二极管具有价格低、耐用性强、体积小、工作电压和电流低、发光均匀稳定、响应速度快等优点，常用作指示灯。由于它属于电流控制型发光二极管，因此，在使用时应该串联一个合适的限流电阻，防止其因为过电流而损坏。典型的应用电路如图4- 3所示。
普通单色发光二极管一般有绿色（波长565 nm）、黄色（波长585 nm）、橘色（波长615 nm）、红色（波长650 nm）和蓝色（波长450～470 nm）等几种。其正向偏置电压根据发光颜色不同而不同，一般工作电压不超过3 V，典型的工作电流一般为3～10 mA。
②红外发光二极管
红外发光二极管也称红外线发光二极管，它是将电能直接转换成红外光（不可见光）并发射出去的半导体器件，其发射波长大约为880～940 nm。红外发光二极管通常与光敏传感器件（如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管）一起在各种遥控电路（如电视机遥控器、入侵报警器）和光控电路中配合使用。与可见光（人眼能够看见的光）发光二极管相比，红外发光二极管的光发射角很窄，因此，它们的传播指向性较好。红外发光二极管采用全透明、浅蓝色或黑色树脂封装。
③变色发光二极管
变色发光二极管是能够变换发光颜色的发光二极管，常作为方向指示灯使用，通常变色发光二极管的最大额定电压约为3 V，工作电流范围为10～20 mA。
根据发光种类不同，变色发光二极管可分为双色发光二极管、三色发光二极管和多色（红、蓝、绿、白）发光二极管。
根据引脚数量不同，变色发光二极管又可分为二端变色发光二极管、三端变色发光二极管、四端变色发光二极管和六端变色发光二极管。
A.二端变色发光二极管
如图4- 4所示，二端变色发光二极管可以看做是由两个不同颜色的发光二极管反极性并联而成，其中一个发光二极管常为红色或橘色，另一个常为绿色。当电流从某一个方向流过时，其中一个发光二极管导通而发光，另一个因为截止而不发光；当电流反向时，第一个发光二极管截止不发光而第二个导通发光；当通入交流电时，两个发光二极管轮流发光，呈现出混合色，一般为黄色。
B.三端变色发光二极管
如图4- 5所示，三端变色发光二极管是由两个发光二极管同极性并联而成，它们共用一个阴极。当在两个发光二极管的阳极和公共阴极间施加一定的正向电压时，两个LED将同时亮起，呈现出混合色，一般为黄色。当向某一个发光二极管施加反向电压时，则该发光二极管将不发光。
图4- 4
图4- 5
④闪烁发光二极管
闪烁发光二极管，也称BTS，包含一个与它封装在一起的微型集成电路（CMOS集成电路），该电路使LED每秒钟能闪光1～6次。其最主要的用途是作指示闪光灯，如报警指示、过压指示、欠压指示等。闪烁发光二极管的电路符号如图4- 6所示。
闪烁发光二极管在使用时，不需要连接限流电阻，只要在其引脚两端加上适当的直流电压即可，闪烁发光二极管的典型驱动电压为3～7 V。
⑤电压控制型发光二极管
普通发光二极管属于电流控制型器件，在使用时需要串联一定的限流电阻。而电压控制型发光二极管（BTV）将普通发光二极管和限流电阻串联制作在一起，如图4- 7所示，因此使用时可直接将其并联在电源两端。
图4- 6
图4- 7
电压控制型发光二极管的发光颜色有红、黄、绿等。其工作电压有6种规格：5 V，9 V，12 V，18 V，19 V，24 V。
2）数码管
（1）概述
LED数码管是一种半导体发光器件，可用来显示数字或字符，如图4- 8所示。其内部基本单位是发光二极管。
图4- 8
（2）分类
①按段分
数码管按所包含的发光二极管的数量可分为7段、8段、14段、16段数码管等，每个段代表一个发光二极管，如图4- 9所示。其中，7段和8段数码管常用来显示0～9以及A，B，C，D，E，F等字符；14段和16段数码管可以显示数字和字母。数码管上的每个段均有一个名称与之对应，如图4- 9所示的7段和8段数码管。
图4- 9
②按位分
数码管根据能够显示多少个“8”可分为1位数码管、2位数码管、3位数码管、4位数码管等，如图4- 10所示。
图4- 10
③按内部连接方式分
根据内部发光二极管连接方式的不同，数码管可分为共阳数码管和共阴数码管。
以1位8段数码管为例：
A.共阳数码管
共阳数码管是指将内部所有发光二极管的阳极接到一起，作为公共极（COM），而将所有阴极全部引出的连接方式，如图4- 11所示。
共阳数码管在应用时一般将公共极（COM）接到高电平上（如＋5 V），当某一字段对应的发光二极管的阴极为低电平（0 V）时，相应字段就点亮。当某一字段对应的发光二极管的阴极为高电平时，相应字段不亮。
B.共阴数码管
共阴数码管是指将内部所有发光二极管的阴极接到一起，作为公共极（COM），而将所有阳极全部引出的连接方式，如图4- 12所示。
图4- 11
图4- 12
共阴数码管在应用时一般将公共极（COM）接到低电平（0 V）上，当某一字段对应的发光二极管的阳极为高电平（如＋5 V）时，相应字段就点亮。当某一字段对应的发光二极管的阳极为低电平时，相应字段不亮。
注意，无论是共阳数码管还是共阴数码管，在使用时应在每个段上串联一个合适的限流电阻，防止内部的发光二极管因为过电流而损坏。
任务2 普通单色发光二极管电路的安装与调试
任务分析
在掌握发光二极管的基本知识后，就应该进行安装工作，主要包括：
①了解普通单色发光二极管的基本应用电路。
②掌握普通单色发光二极管的基本调试方法。
任务工具准备
①计算机。
②互联网。
③图书资料。
④普通单色发光二极管及相关电路设备。
⑤数字万用表。
任务描述与要求
分别焊接如图4- 13、图4- 14所示电路，通过Internet、调整电路参数以及数字万用表测量等方法，掌握普通单色发光二极管电路的安装与调试工作，进一步加深对于普通单色发光二极管的知识的掌握，并做好详细记录。建议搜索关键词为“发光二极管电路”等。
图4- 13
图4- 14
任务引导性实施行动
通过使用Internet以及实际电路焊接及数字万用表的测量方法，了解普通单色发光二极管电路的安装及调试方法。
①将学生分成若干小组，以小组为单位，每组成员进行分工，包括任务负责人、安装人员、验收人员以及测量人员等，由任务负责人统筹负责整个任务的顺利实施。
②焊接电路之前，全组人员首先通过数字万用表测量以及讨论等方式，然后回答如表4- 3所示提出的问题。
表4- 3
续表
③全组人员通过讨论等方式，了解图4- 13电路的基本原理，并回答如表4- 4所示提出的问题。
表4- 4
④全组人员确认元器件清单，并填入表4- 5中。
表4- 5
⑤器件备齐后，全组人员共同讨论，并由任务负责人填写电路安装注意事项表，如表4- 6所示。
表4- 6
⑥全组人员共同确定电路的安装步骤，并由安装人员负责实施安装。
⑦安装完毕后，全组人员通过讨论等方式，回答如表4- 7所示提出的问题。
表4- 7
⑧安装人员在确认安装无误的情况下，将电路提交验收人员进行验收。验收人应编写相应的验收报告（见表4- 8），并提交所有组员审核；若验收环节发现问题，验收人员应编写问题点反馈表（见表4- 9），并提交安装人员进行解决，直至电路验收通过。在此过程中，项目负责人和其他组员应监督验收人员以及安装人员的工作是否到位。
表4- 8
表4- 9
⑨电路验收后，请各组将电路通电，使发光二极管点亮，通过调节电路参数等方法，回答如表4- 10所示提出的问题。
表4- 10
⑩各组完成图4- 14电路的焊接工作，并回答如表4- 11所示提出的问题。（请注意项目流程，相关表格请自拟，器件清单范例如表4- 12所示）
表4- 11
续表
表4-12
知识点掌握情况评价表
根据任务引导性实施行动，通过教师评价或学生互评的方式，从知识能力、通用能力以及态度等方面对学生的知识点掌握情况做出评价，并填入表4- 13中。
表4- 13
续表
相关知识与技能
1）如何判别普通单色发光二极管的极性
图4- 15
一般而言，普通单色发光二极管的两个引脚长度不同，较长的为阳极，较短的为阴极。
当两引脚被剪切成相同长度时，可通过环氧树脂内部两块金属面的大小来判别引脚的极性。面积较小的金属面连接的引脚为阳极，面积较大的金属面连接的引脚为阴极，如图4- 15所示。
2）如何判别普通发光二极管的好坏
通常可使用数字万用表测量的方法判别普通发光二极管的好坏，具体步骤如下：
①打开万用表电源。
②如图4- 16所示，将红表笔插入数字万用表的“电压、电阻、二极管输入端（VΩ端）”，黑表笔插入“公共输入端（COM端）”。
③将量程旋钮置于二极管和蜂鸣通断量程挡位上。
④将红表笔连接到待测发光二极管的阳极，黑表笔连接到待测发光二极管的阴极。
⑤观察发光二极管是否发出微弱的光，并观察数字万用表LCD显示屏显示的发光二极管的正向管压降，不同颜色的发光二极管将有所不同。
图4- 16
注意事项：
①如果测量值小于0. 1 V，说明发光二极管击穿，此时发光二极管正反向均导通。此时数字万用表的蜂鸣器将鸣响。
②测量在线发光二极管前，为了避免数字万用表受损，必须确认被测电路已经关闭电源，同时电容已经完全放电，方能进行测量。
3）普通单色发光二极管基本电路
图4- 17
普通发光二极管基本电路如图4- 17所示。它由电源、电阻以及普通发光二极管组成。由于普通发光二极管属于电流控制型LED，因此，在使用时应串联一个合适的限流电阻，防止其因为过电流而损坏。
根据欧姆定律的相关知识可知，随着图4- 17中电阻阻值的变化，普通发光二极管的发光亮度也会发生明暗的变化。随着电阻逐渐增大，发光二极管的发光亮度将逐渐下降；反之，发光二极管的发光亮度将逐渐上升。这也证明了普通发光二极管属于电流控制型LED。
4）不同颜色的普通发光二极管的导通电压
经过数字万用表的测量可以发现，普通发光二极管的导通电压根据发光颜色不同而不同，一般工作电压不超过3 V。
拓展训练
通过实际操作的方式了解其他几种发光二极管的特性。
任务3 数码管电路的安装与调试
任务分析
在掌握数码管的基本知识后，就应该进行数码管的安装工作，主要包括：
①了解数码管的基本应用电路。
②掌握数码管的基本判别和调试方法。
任务工具准备
①计算机。
②互联网。
③图书资料。
④数码管及相关电路设备。
⑤数字万用表。
任务描述与要求
焊接如图4- 18所示电路，通过Internet、图书资料及教师指导等方式，了解如何调整电路参数以及数字万用表测量等方法，掌握数码管电路的安装与调试工作，进一步加深对于普通单色发光二极管的知识的掌握，并做好详细记录。建议搜索关键词为“数码管电路”等。本任务所涉及的数码管为1位8段数码管。
任务引导性实施行动
①将学生分成若干小组，以小组为单位，每组成员进行分工，包括任务负责人、安装人员、验收人员以及测量人员等，由任务负责人统筹负责整个任务的顺利实施。
②焊接电路之前，全组人员首先通过数字万用表测量以及讨论等方式，回答如表4- 14所示提出的问题。
图4- 18
表4- 14
③全组人员通过讨论等方式，了解图4- 18电路的基本原理，并回答如表4- 15所示提出的问题。
表4- 15
④全组人员确认元器件清单，并填入表4- 16中。
表4- 16
⑤器件备齐后，全组人员共同讨论，并由任务负责人填写电路安装注意事项表，如表4- 17所示。
表4- 17
⑥全组人员共同确定电路的安装步骤，并由安装人员负责实施安装。
⑦安装完毕后，全组人员通过讨论等方式，回答如表4- 18所示提出的问题。
表4- 18
⑧安装人员在确认安装无误的情况下，将电路提交验收人员进行验收。验收人应编写相应的验收报告（见表4- 19），并提交所有组员审核；若验收环节发现问题，验收人员应编写问题点反馈表（见表4- 20），并提交安装人员进行解决，直至电路验收通过。在此过程中，项目负责人和其他组员应监督验收人员以及安装人员的工作是否到位。
表4- 19
表4- 20
⑨电路验收后，请各组将电路通电，使数码管分别显示0～9以及A，B，C，
D，E，F等字符，并根据调节电路参数等方法，回答如表4- 21所示提出的问题。
表4- 21
知识点掌握情况评价表
根据任务引导性实施行动，通过教师评价或学生互评的方式，从知识能力、通用能力以及态度等方面对学生的知识点掌握情况做出评价，并填入表4- 22中。
表4- 22
相关知识与技能
1）数码管的检测方法（以1位8段数码管为例）
数码管共有10个引脚，其中，两个为公共极（COM）引脚，其他8个为内部发光二极管需要引出的引脚。
共阳极数码管的公共极（COM）引脚为内部全部发光二极管的阳极引脚，其他8个为内部发光二极管的阴极引脚；共阴极数码管的公共极（COM）引脚为内部全部发光二极管的阴极引脚，其他8个为内部发光二极管的阳极引脚。
由于数码管每个段代表一个发光二极管，因此数码管的各个段与引脚之间将会存在对应关系。8段数码管引脚与各段之间的对应关系如图4- 19所示。
图4- 19
共阳极和共阴极数码管段号、内部二极管以及引脚之间的对应关系，如图4- 20所示。
数码管的具体检测方法如下：
在使用数码管前，应该先使用数字万用表对其类型和引脚排列进行检测。
（1）数码管类型检测
①打开万用表电源。
②如图4- 21所示，将红表笔插入数字万用表的“电压、电阻、二极管输入端（VΩ端）”，黑表笔插入“公共输入端（COM端）”。
③将量程旋钮置于二极管和蜂鸣通断量程挡位上。
图4- 20
④用红表笔探测数码管的公共极（COM），黑表笔探测公共极以外的任一引脚。如果数码管上对应的段亮起，则说明该数码管为共阳极数码管。
图4- 21
⑤若数码管上对应的段未亮起，则交换表笔重新测量，用黑表笔探测数码管的公共极（COM），红表笔探测公共极以外的任一引脚。如果数码管上对应的段亮起，则说明该数码管为共阴极数码管。若对应的段仍旧不亮，则说明该段对应的发光二极管已经损坏，应更换数码管重新测量。
（2）数码管引脚检测
在明确数码管类型后，应该确认引脚与各段之间的对应关系。其具体步骤如下：
①打开万用表电源。
②将红表笔插入数字万用表的“电压、电阻、二极管输入端（VΩ端）”，黑表笔插入“公共输入端（COM端）”。
③将量程旋钮置于二极管和蜂鸣通断量程挡位上。
④对于共阳极数码管，用红表笔探测数码管的公共极（COM），黑表笔按顺序逐一探测公共极以外的引脚，将亮起的段与探测的引脚的对应关系记下。对于共阴极数码管，用黑表笔探测数码管的公共极（COM），红表笔按顺序逐一探测公共极以外的引脚，将亮起的段与探测的引脚的对应关系记下。
2）数码管应用电路
如图4- 22所示为典型的数码管应用电路。它由电源、电阻、拨动开关以及1位8段数码管组成。由于数码管内部包含的发光二极管属于电流控制型LED，因此，在使用时应该在数码管的每段上串联一个合适的限流电阻，防止其因为过电流而损坏。
图4- 22
电路中的开关能够起到控制数码管显示不同字符的目的。其具体原理如下：当电路接通后，由于拨码开关处于初始状态（断开状态），数码管不显示任何字符，此时，若将拨码开关上的某个拨码从左向右拨动，与之对应的数码管上的“段”（发光二极管）的电路被接通而被点亮，如果将所有拨码全部拨向右边，则数码管的8个段将全部发亮。
由此可知，只要合理掌握拨码开关上的拨码状态，就可控制数码管显示相应的字符。例如，要显示数字“5”，只要将数码管上A，C，D，F，G段对应的拨码拨向右边，其余的拨码保持初始状态（断开状态）即可。
能力拓展
1.在1位数码管检测方法的基础上，尝试对多位数码管的类型以及引脚对应关系进行测试。
2.如何控制一个多位数码管显示多个字符？
3.掌握点阵式LED的基本知识。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
