STM32端口如何控制连接到5V的LED？
STM32端口如何控制连接到5V的LED？
本文通过实验探讨了3.3V工作的STM32单片机如何控制连接到5V的LED，特别是通过PNP三极管驱动LED时遇到的问题及解决方案。实验内容详细，包含了电路设计、测试过程和结果分析，并配有相关电路图和波形图，具有较高的专业性和实用性。
01 IO端口
一、前言
今天看到网络上一个短视频，一位面试官询问学生，这个单片机电路有什么问题？如何解决？这个问题就在于工作在3.3V下的STM32单片机是无法关断PNP三极管的，这是因为它的发射极连接到5V电压。面试官看到学生无法回答如何来解决这个问题，于是给出了解决这个稳妥的答案，那就是将STM32的端口设置为漏极开路模式，这样就可以关断三极管了。实际上，这个问题真正的答案是在三极管的基极增加一个4.7k欧姆左右的分压电阻，才能够实现对连接到5V的PNP三极管的开关控制。下面让我们通过实验来检查一下吧。
二、测试电路
为了测试IO的开关电压特性，将F103单片机的四个端口引至外部实验面包板。设计单面电路板，适合一分钟制板。
AD\Test\2024\October\TeSTSTMIO.PcbDoc
▲ 图1.2.1 测试PCB
一分钟之后得到测试电路板，焊接电路，将四个IO端口连接到测试面包板上。设置四个IO口，分别是漏极开路、推挽输出、带有上拉电阻的输入端口，带有下拉电阻的输入端口。端口的特性，在CubeMX中进行设置。下面就可以分别测试这四个端口的输出耐压了。
三、漏极输出
测试漏极开路输出端口。周期在该端口输出0和1。可以看到该端口的信号波形呈现周期低电平以及浮动干扰信号。在OB输出1的时候，该端口呈现高阻状态。下面，测试一下漏记开路的时候能够上拉到多高的电压。
使用一个10k欧姆电阻，将漏极开路的IO连接到5V。此时，该端口的电压为3.7V。通过内部结构可以看到，在端口有钳位二极管，将输入端口电压钳位的工作电压。只有某些5V容忍端口，钳位二极管上拉到更高的电压，此时输入电压才能够达到5V。不过现在F103单片机的这个端口只能上拉到3.3V。
在F103数据手册中，关于GPIO的5V容忍性说明中，只有输入端口才能够容忍5V输入。一旦端口设置为输出状态，该端口就不再允许电压达到5V了。下面我们测量一下输入端口是否允许电压超过5V。
四、输入端口
将10k欧姆的电阻修改在输入端口，仍然上拉到5V，该端口电压还是被钳位在3.7V。由此可见，该输入端口也不是5V容忍的端口。下面查看一下STM32的数据手册，确认该端口是否为5V容忍的。
在STMF103数据手册中，现在实验所使用的PB12到PB15端口都是5V容忍的。这就奇怪了，为什么上拉电阻达到5V，该端口的电压无法上升的5V呢。无论是输入端口还是漏极开路端口。
五、驱动LED
将一个红色LED串联330欧姆电阻，上拉到5V，连接到单片机的输出端口。可以发现无论是漏极开了，还是推挽输出，LED都可以正常闪烁。这有可能是因为LED的开启电压超过1.3V，所以，3.3V工作的单片机可以关断这个连接到5V电压的LED。
上面是测试了直接驱动上拉到5V的LED的情况。下面，再测试一下使用PNP三极管驱动LED的情况。看是否能够对PNP三极管进行关断。
使用8550这颗PNP三极管搭建电路，可以看到，LED并没有闪烁。这说明，使用3.3V的单片机，驱动PNP三极管，是无法将三极管关断的。
下面给电路增加一个基极分压电阻。这个电阻为4.7k欧姆，这样在剩余的电压中，分压到三极管基极只有0.43V。就不足以将PNP三极管打开了。测试一下这种情况。可以看到，此时LED开始闪烁。这说明只要增加一个基极分压电阻，便可以控制PNP三极管的打开与关断了。
总结
本文测试了3.3V工作的单片机控制5V负载的情况。单片机IO口可以直接控制连接到5V的LED的打开与关断，如果控制PNP三极管，通过增加基极分压电阻，也可以实现PNP三极管的打开与关断。
● 相关图表链接:
- 图1.2.1 测试PCB
- 图1.3.1 OD输出端口的波形
- 图1.5.1 驱动上拉5V的LED