單片機IO引腳驅動能力提升篇

時間：2015-06-23 10:15:16

關鍵字： io引腳單片機

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[導讀]早期的51單片機，驅動能力很低。P1、P2和P3口只能驅動3個LSTTL輸入端，P0口可驅動8個。如果想要驅動更多的器件，就要用到“總線驅動芯片”。經常用的就是74LS244(單向)和74LS245(雙向)?，F在常用的 AT89C5

早期的51單片機，驅動能力很低。P1、P2和P3口只能驅動3個LSTTL輸入端，P0口可驅動8個。如果想要驅動更多的器件，就要用到“總線驅動芯片”。經常用的就是74LS244(單向)和74LS245(雙向)。

現在常用的 AT89C51 單片機引腳的輸出能力已經大多了，從 PDF 手冊文件中可查出：

單片機輸出低電平的時候，單個的引腳，向引腳灌入的最大電流為 10 mA;

一個 8 位的接口(P1、P2 以及 P3)，灌入的總電流最大為 15 mA，P0 允許灌入的最大總電流為 26 mA;

全部的四個接口所允許的灌電流之和，最大為 71 mA。

但是當引腳輸出高電平的時候，它們的“拉電流”能力可就差多了，竟然還不到 1 mA。

單片機的輸出特性和很多常用的LS系列TTL器件的輸出特性是相同的，都有灌電流較大的特點。

實際上，現在常用的單片機IO引腳驅動能力，就和早期的單片機增加了“總線驅動芯片”的效果基本是相同的?，F在的單片機輸出低電平的時候，就已經可以直接驅動LED發(fā)光了。

上述的數值，也并非是不可逾越的破壞性極限數值。當略超過這些數值范圍的時候，單片機IO引腳的電壓，就會發(fā)生變化，造成“高電平不高”、“低電平不低”，這就會縮小外接器件的噪聲容限。如果環(huán)境再稍有干擾，外接器件就無法正確判定單片機送來的高、低電平，將會胡亂動作。

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為了合理利用IO引腳的低電平能力強的特點，在外接耗電較大的器件(如LED數碼顯示器、繼電器等)的時候，應該優(yōu)先選用低電平輸出來驅動外部器件。使用IO口輸出高電平驅動負載，就是一個錯誤的選擇。

下圖是一個直接利用單片機IO引腳驅動LED的電路。

圖中P0口使用低電平驅動方式，只要加上約1K的限流電阻即可，甚至不需要常見的P0口上拉電阻。發(fā)光的段，每個引腳灌電流約為3mA，不發(fā)光的段，電流為0。即使各個段全都發(fā)光，電流也不超過P0所容許的電流，這是一個合理的驅動方式。

圖中P3口使用了高電平驅動方式，這就必須加上上拉電阻來幫助IO接口輸出電流。電阻也采用了1K，發(fā)光的段，LED上的電流約為3mA，不發(fā)光的段，電流則為5mA，灌入了單片機的IO引腳。

這種電路，給單片機IO引腳帶來了很大的電流，一個8位的接口最大有可能被灌入40mA的電流，遠遠超過了容許的數值。上拉電阻能夠增加大量不需要的電流，不僅會造成單片機工作不穩(wěn)定，還會導致電源效率的嚴重下降，發(fā)熱，紋波增大。這說明，高電平輸出、加上拉電阻，就是一個不合理的驅動方式。

如果只是一個引腳的電流取值稍大一些，還算可以;但是綜合考慮一個8位的接口，則每個引腳的電流就不要大于2~3mA。這樣來看，上拉電阻最小應該在1.8K~2.5K之間，不宜再小，以免總電流超過接口所容許的電流。

在網上看到一篇“51單片機P0口上拉電阻的深入研究”的文章，對上拉電阻的最小選擇，寫的很低，甚至說可以選200歐姆!呵呵，這會燒毀單片機引腳的。

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驅動更大電流的負載，可以使用三極管來擴充電流，也可使用集成芯片ULN2003(或ULN2008)，另外也可使用專用的驅動器件L298、各種型號的IGBT等等。

集成芯片的引腳比較密集，維修檢查較困難，更換的時候更是不便。做而論道比較喜歡使用三極管，它的耐壓和電流承受能力都遠遠超過集成芯片，在PCB上布線也很靈活方便。

8550(PNP)和8050(NPN)：它們是一組可以配對使用的三極管，特點是集電極允許的電流很大，Icm竟然能達到1500mA!而且還不需要使用散熱片。它們的集電極反向擊穿電壓BVceo為25V，Pcm為0.5W。

2N5401(PNP)和2N5551(NPN)：它們也是一組可以配對使用的三極管，它們的特點是耐壓比較高，集電極反向擊穿電壓BVceo可達160V!它們的最大集電極電流Icm為0.6A，Pcm為0.6W。

不同廠家的產品，參數會稍有不同。

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下面以常見的繼電器為負載繼續(xù)說明驅動方法。繼電器線圈的驅動電流往往要有40mA以上，單片機的引腳肯定是不能承受了，必須用三極管來擴充輸出能力。

+5V的大電流負載，用8550(PNP型)驅動電路可見下圖。

P3.7輸出低電平的時候，在R1中形成Ib約有2mA，經過8550的放大，Ic足夠驅動繼電器了。

用這個電路，不僅可以驅動繼電器，也驅動蜂鳴器、揚聲器、多個LED等等，甚至驅動小型的直流電機，也是可以的。一般來說，電機的工作電流要大一些，只要不超過8550可以輸出的最大電流是1500mA即可。驅動電機時，圖中電阻R1的取值應該再小一些。

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用這個電路，可以各種大電流負載，但是做而論道為什么單單要用繼電器，來說明問題呢?

因為在網上，發(fā)現很多不適當的繼電器驅動電路,這些電路都是一個特點，即使用了射極輸出電路結構。射極輸出電路要求輸入的動態(tài)范圍要大，而且輸出的電壓范圍永遠比輸入小0.7V。射極輸出電路就不能有效的利用+5V的電源，實際上，加到繼電器上的電壓，不足+4V，除非是使用4V的繼電器，否則這就是不穩(wěn)定的隱患。

做而論道給出的電路是共射極結構，有電壓放大能力，所以對輸入的要求較低，輸出動態(tài)范圍大。

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對于大于+5V的負載，如+12V，上面的電路就不行了。

如果只是簡單的把電源由+5V改為+12V，那么單片機輸出的高、低電平，還是只有0~5V的變化幅度，這對8550射極的+12V來說，都是低電平。8550將不能截止。

對于大于+5V的負載，只能使用NPN型的8050三極管來驅動，先以單片機輸出高電平來驅動。電路如下：

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在上述電路中，上拉電阻R2也會帶來無謂的電流，其害處前面已經討論過。

更重要的缺點是：在開機單片機復位后，自然輸出的高電平，會使繼電器吸合，或者是使電機轉動。(使用ULN2003等芯片擴充輸出電流的時候，也存在這個問題。)

雖然編程的時候，可以先進行接口的初始化，令其馬上就輸出0。但是每次開機，還是會有瞬間的大電流沖擊，這往往是不允許的。

改進一下，可以再加上個8550，進行倒相，這就可以讓單片機用輸出低電平來驅動負載。

上圖中倒相用的8550，也可以使用“光耦”器件，這樣一來，又增加了電氣隔離的功能，這就是最完美的單片機輸出驅動電路。電路見下圖。

圖中的4N25經過實際測量，當LED的電流大于等于4.5mA時，輸出端的光電管即可為Q4提供足夠的基極電流。所以圖中的R3，可以使用810~1K的電阻。