51系列單片機(jī)IO引腳的驅(qū)動(dòng)能力與上拉電阻分析

單片機(jī)輸出低電平時(shí)，將允許外部器件，向單片機(jī)引腳內(nèi)灌入電流，這個(gè)電流，稱為“灌電流”，外部電路稱為“灌電流負(fù)載”；單片機(jī)輸出高電平時(shí)，則允許外部器件，從單片機(jī)的引腳，拉出電流，這個(gè)電流，稱為“拉電流”，外部電路稱為“拉電流負(fù)載”。

這些電流一般是多少？最大限度是多少？　這就是常見的單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)能力的問題。
 

早期的 51 系列單片機(jī)的帶負(fù)載能力，是很小的，僅僅用“能帶動(dòng)多少個(gè) TTL 輸入端”來說明的。P1、P2 和 P3口，每個(gè)引腳可以都帶動(dòng) 3 個(gè) TTL 輸入端，只有 P0 口的能力強(qiáng)，它可以帶動(dòng) 8 個(gè)！

分析一下 TTL 的輸入特性，就可以發(fā)現(xiàn)，51 單片機(jī)基本上就沒有什么驅(qū)動(dòng)能力。它的引腳，甚至不能帶動(dòng)當(dāng)時(shí)的 LED 進(jìn)行正常發(fā)光。記得是在 AT89C51 單片機(jī)流行起來之后，做而論道才發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)纹瑱C(jī)引腳的能力大為增強(qiáng)，可以直接帶動(dòng) LED 發(fā)光了。
看

看下圖，圖中的 D1、D2 就可以不經(jīng)其它驅(qū)動(dòng)器件，直接由單片機(jī)的引腳控制發(fā)光顯示。

雖然引腳已經(jīng)可以直接驅(qū)動(dòng) LED 發(fā)光，但是且慢，先別太高興，還是看看 AT89C51 單片機(jī)引腳的輸出能力吧。
從 AT89C51 單片機(jī)的 PDF 手冊(cè)文件中可以看到，穩(wěn)態(tài)輸出時(shí)，“灌電流”的上限為：

Maximum IOL per port pin: 10 mA;
Maximum IOL per 8-bit port:Port 0: 26 mA,Ports 1, 2, 3: 15 mA;
Maximum total I for all output pins: 71 mA.

這里是說：
每個(gè)單個(gè)的引腳，輸出低電平的時(shí)候，允許外部電路，向引腳灌入的最大電流為 10 mA；
每個(gè) 8 位的接口（P1、P2 以及 P3），允許向引腳灌入的總電流最大為 15 mA，而 P0 的能力強(qiáng)一些，允許向引腳灌入的最大總電流為 26 mA；
全部的四個(gè)接口所允許的灌電流之和，最大為 71 mA。

而當(dāng)這些引腳“輸出高電平”的時(shí)候，單片機(jī)的“拉電流”能力呢？　可以說是太差了，竟然不到 1 mA。

結(jié)論就是：?jiǎn)纹瑱C(jī)輸出低電平的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)能力尚可，而輸出高電平的時(shí)候，就沒有輸出電流的能力。
這個(gè)結(jié)論是依照手冊(cè)中給出的數(shù)據(jù)做出來的。

51 單片機(jī)的這些特性，是源于引腳的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，引腳內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖這里就不畫了，很多書中都有。
在芯片的內(nèi)部，引腳和地之間，有個(gè)三極管，所以引腳具有下拉的能力，輸出低電平的時(shí)候，允許灌入 10mA 的電流；而引腳和正電源之間，有個(gè)幾百K的“內(nèi)部上拉電阻”，所以，引腳在高電平的時(shí)候，能夠輸出的拉電流很小。特別是 P0 口，其內(nèi)部根本就沒有上拉電阻，所以 P0 口根本就沒有高電平輸出電流的能力。

再看看上面的電路圖：
圖中的 D1，是接在正電源和引腳之間的，這就屬于灌電流負(fù)載，D1 在單片機(jī)輸出低電平的時(shí)候發(fā)光。這個(gè)發(fā)光的電流，可以用電阻控制在 10 mA 之內(nèi)。
圖中的 D2，是接在引腳和地之間的，這屬于拉電流負(fù)載，D2 應(yīng)該在單片機(jī)輸出高電平的時(shí)候發(fā)光。但是單片機(jī)此時(shí)幾乎沒有輸出能力，必須采用外接“上拉電阻”的方法來提供 D2 所需的電流。

哦，明白了，外接電路如果是“拉電流負(fù)載”，要求單片機(jī)輸出高電平時(shí)發(fā)揮作用，那就必須用“上拉電阻”來協(xié)助，產(chǎn)生負(fù)載所需的電流。

下面做而論道就專門說說上拉電阻存在的問題。

從上面的圖中可以看到，D2 發(fā)光，是由上拉電阻 R2 提供的電流，D2 導(dǎo)通發(fā)光的電壓約為 2V，那么發(fā)光的電流就是：(5 － 2) / 1K，約為 3mA。

而當(dāng)單片機(jī)輸出低電平(0V)，D2 不發(fā)光的時(shí)候，R2 這個(gè)上拉電阻閑著了嗎？ 沒有！它兩端的電壓，比 LED 發(fā)光的時(shí)候還高，現(xiàn)在是 5V 了，其中的電流，是 5mA ！
注意到了嗎？　LED 不發(fā)光的時(shí)候，上拉電阻給出了更大的電流！并且，這個(gè)大于正常發(fā)光的電流，全部灌入單片機(jī)的引腳了！

如果在一個(gè) 8 位的接口，安裝了 8 個(gè) 1K 的上拉電阻，當(dāng)單片機(jī)都輸出低電平的時(shí)候，就有 40mA 的電流灌入這個(gè) 8 位的接口！
如果四個(gè) 8 位接口，都加上 1K 的上拉電阻，最大有可能出現(xiàn) 32 × 5 = 160mA 的電流，都流入到單片機(jī)中！
這個(gè)數(shù)值已經(jīng)超過了單片機(jī)手冊(cè)上給出的上限。如果此時(shí)單片機(jī)工作不穩(wěn)定，就是理所當(dāng)然的了。
而且這些電流，都是在負(fù)載處于無效的狀態(tài)下出現(xiàn)的，它們都是完全沒有用處的電流，只是產(chǎn)生發(fā)熱、耗電大、電池消耗快...等后果。
呵呵，特別是現(xiàn)在，都在提倡節(jié)能減排，低碳...。

那么，把上拉電阻加大些，可以嗎？　
回答是：不行的，因?yàn)樾枰鼮槔娏髫?fù)載提供電流。對(duì)于 LED，如果加大電阻，將使電流過小，發(fā)光暗淡，就失去發(fā)光二極管的作用了。

對(duì)于 D1，是灌電流負(fù)載，單片機(jī)輸出低電平的時(shí)候，R1、D1 通路上會(huì)有灌電流；輸出高電平的時(shí)候，那就什么電流都沒有，此時(shí)就不產(chǎn)生額外的耗電。

綜上所述，灌電流負(fù)載，是合理的；而“拉電流負(fù)載”和“上拉電阻”會(huì)產(chǎn)生很大的無效電流，這種電路不合理。