單片機的引腳,可以用程序來控制,輸出高、低電平,這些可算是單片機的輸出電壓。但是,程序控制不了單片機的輸出電流。單片機的輸出電流,很大程度上是取決于引腳上的外接器件。
單片機輸出低電平時,將允許外部器件,向單片機引腳內(nèi)灌入電流,這個電流,稱為“灌電流”,外部電路稱為“灌電流負(fù)載”;單片機輸出高電平時,則允許外部器件,從單片機的引腳,拉出電流,這個電流,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輸出驅(qū)動能力的問題。
早期的51系列單片機的帶負(fù)載能力,是很小的,僅僅用“能帶動多少個TTL輸入端”來說明的。P1、P2和P3口,每個引腳可以都帶動3個TTL輸入端,只有P0口的能力強,它可以帶動8個!
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分析一下TTL的輸入特性,就可以發(fā)現(xiàn),51單片機基本上就沒有什么驅(qū)動能力。它的引腳,甚至不能帶動當(dāng)時的LED進行正常發(fā)光。記得是在AT89C51單片機流行起來之后,做而論道才發(fā)現(xiàn):單片機引腳的能力大為增強,可以直接帶動LED發(fā)光了。
從AT89C51單片機的PDF手冊文件中可以看到,穩(wěn)態(tài)輸出時,“灌電流”的上限為:
Maximum IOL per port pin: 10 mA;
Maximum IOL per 8-bit port
ort 0: 26 mA,Ports 1, 2, 3: 15 mA;
Maximum total I for all output pins: 71 mA.
這里是說:
每個單個的引腳,輸出低電平的時候,允許外部電路,向引腳灌入的最大電流為10mA;每個8位的接口(P1、P2以及P3),允許向引腳灌入的總電流最大為15mA,而P0的能力強一些,允許向引腳灌入的最大總電流為26mA;全部的四個接口所允許的灌電流之和,最大為71mA。
而當(dāng)這些引腳“輸出高電平”的時候,單片機的“拉電流”能力呢?可以說是太差了,竟然不到1mA。
結(jié)論就是:單片機輸出低電平的時候,驅(qū)動能力尚可,而輸出高電平的時候,就沒有輸出電流的能力。這個結(jié)論是依照手冊中給出的數(shù)據(jù)做出來的。
51單片機的這些特性,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,有個三極管,所以引腳具有下拉的能力,輸出低電平的時候,允許灌入10mA的電流;而引腳和正電源之間,有個幾百K的“內(nèi)部上拉電阻”,所以,引腳在高電平的時候,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。
哦,明白了,外接電路如果是“拉電流負(fù)載”,要求單片機輸出高電平時發(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。
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下面就專門說說上拉電阻存在的問題。
從上面提到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)單片機輸出低電平(0V),D2不發(fā)光的時候,R2這個上拉電阻閑著了嗎?沒有!它兩端的電壓,比LED發(fā)光的時候還高,現(xiàn)在是5V了,其中的電流,是5mA!
注意到了嗎?LED不發(fā)光的時候,上拉電阻給出了更大的電流!并且,這個大于正常發(fā)光的電流,全部灌入單片機的引腳了!如果在一個8位的接口,安裝了8個1K的上拉電阻,當(dāng)單片機都輸出低電平的時候,就有40mA的電流灌入這個8位的接口!如果四個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,都流入到單片機中!這個數(shù)值已經(jīng)超過了單片機手冊上給出的上限。如果此時單片機工作不穩(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。
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,因為需要它為拉電流負(fù)載提供電流。對于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。
對于D1,是灌電流負(fù)載,單片機輸出低電平的時候,R1、D1通路上會有灌電流;輸出高電平的時候,那就什么電流都沒有,此時就不產(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”會產(chǎn)生很大的無效電流,這種電路不合理。有些網(wǎng)友對上拉電阻情有獨鐘,有用沒用的,都想在引腳上安裝個上拉電阻,甚至還能說出些理由:穩(wěn)定性、速度。
其實,“上拉電阻”和“拉電流負(fù)載”電路,是會對單片機系統(tǒng)造成不良后果的。筆者看過很多關(guān)于單片機引腳以及上拉電阻方面的書籍、參考資料,基本上它們對于使用上拉電阻的弊病都沒有進行仔細(xì)的討論。
在此,鄭重向大家提出建議:設(shè)計單片機的負(fù)載電路,應(yīng)該采用“灌電流負(fù)載”的電路形式,以避免無謂的電流消耗。上拉電阻,僅僅是在P0口才考慮加不加的問題:當(dāng)用P0口做為輸入口的時候,需要加上、當(dāng)用P0口輸出高電平驅(qū)動MOS型負(fù)載的時候,也需要加上,其它的時候,P0口也不用加入上拉電阻。在其它接口(P1、P2和P3),都不應(yīng)該加上拉電阻,特別是輸出低電平有效的時候,外接器件就有上拉的作用。
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