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详细分析51单片机各IO引脚的驱动能力。 单片机的引脚,可以用程序来控制,输出高、低电平,这些可算是单片机的 输出电压。 但是,程序控制不了单片机的输出电流。 单片机的输出电流,很大程度上 是取决于引脚上的外接器件。
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单片机的引脚,可以用程序来控制,输出高、低电平,这些可算是单片机的
输出电压。
但是,程序控制不了单片机的输出电流。 单片机的输出电流,很大程度上
是取决于引脚上的外接器件。
单片机输出低电平时,将允许外部器件,向单片机引脚内灌入电流,这个电
流,称为
“
灌电流
”
,外部电路称为
“
灌电流负载
”
;
单片机输出高电平时,则允许外部器件,从单片机的引脚,拉出电流,这个电流,
称为
“
拉电流
”
,外部电路称为
“
拉电流负载
”
。
这些电流一般是多少?最大限度是多少? 这就是常见的单片机输出驱动
能力的问题。
早期的 51 系列单片机的带负载能力,是很小的,仅仅用“能带动多少个
TTL
输入端
”
来说明的。
P1、P2 和 P3口,每个引脚可以都带动 3 个 TTL 输入端,只有 P0 口的能
力强,它可以带动
8
个!
分析一下 TTL 的输入特性,就可以发现,51 单片机基本上就没有什么驱
动能力。
TTL
输入基极的电流很小(一般为微安级的
10uA-100uA
)。
它的引脚,甚至不能带动当时的 LED 进行正常发光。(其工作电流一般为几个
毫安到十几个毫安)。
记得是在 AT89C51 单片机流行起来之后,做而论道才发现:单片机引脚的
能力大为增强,可以直接带动
LED
发光了。
看看下图,图中的 D1、D2 就可以不经其它驱动器件,直接由单片机的引脚控
制发光显示。
虽然引脚已经可以直接驱动 LED 发光,但是且慢,先别太高兴,还是看
看
AT89C51
单片机引脚的输出能力吧。
从 AT89C51 单片机的 PDF 手册文件中可以看到,稳态输出时,“灌电流”的上
限为:
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.
这里是说:
每个单个的引脚,输出低电平的时候,允许外部电路,向引脚灌入的最大电流为
10 mA
;
每个 8 位的接口(P1、P2 以及 P3),允许向引脚灌入的总电流最大为 15 mA,
而
P0
的能力强一些,允许向引脚灌入的最大总电流为
26 mA
;
全部的四个接口所允许的灌电流之和,最大为 71 mA。
而当这些引脚
“
输出高电平
”
的时候,单片机的
“
拉电流
”
能力呢? 可以说是太差
了,竟然不到 1 mA。
结论就是:单片机输出低电平的时候,驱动能力尚可,而输出高电平的时候,就
没有输出电流的能力。
这个结论是依照手册中给出的数据做出来的。
51 单片机的这些特性,是源于引脚的内部结构,引脚内部结构图这里就不画了,
很多书中都有。
在芯片的内部,引脚和地之间,有个三极管,所以引脚具有下拉的能力,输出低
电平的时候,允许灌入
10mA
的电流;而引脚和正电源之间,有个几百
K
的
“
内
部上拉电阻”,所以,引脚在高电平的时候,能够输出的拉电流很小。特别是 P0
口,其内部根本就没有上拉电阻,所以
P0
口根本就没有高电平输出电流的能
力。
再看看上面的电路图:
图中的 D1,是接在正电源和引脚之间的,这就属于灌电流负载,D1 在单片机
输出低电平的时候发光。这个发光的电流,可以用电阻控制在
10 mA
之内。
图中的 D2,是接在引脚和地之间的,这属于拉电流负载,D2 应该在单片机输
出高电平的时候发光。但是单片机此时几乎没有输出能力,必须采用外接
“
上拉
电阻”的方法来提供 D2 所需的电流。
哦,明白了,外接电路如果是
“
拉电流负载
”
,要求单片机输出高电平时发挥作用,
那就必须用“上拉电阻”来协助,产生负载所需的电流。
下面做而论道就专门说说上拉电阻存在的问题。
从上面的图中可以看到,D2 发光,是由上拉电阻 R2 提供的电流,D2 导通发
光的电压约为
2V
,那么发光的电流就是:
(5
-
2) / 1K
,约为
3mA
。
而当单片机输出低电平(0V),D2 不发光的时候,R2 这个上拉电阻闲着了吗?
没有!它两端的电压,比
LED
发光的时候还高,现在是
5V
了,其中的电流,
是 5mA !
注意到了吗? LED 不发光的时候,上拉电阻给出了更大的电流!并且,这个
大于正常发光的电流,全部灌入单片机的引脚了!
如果在一个
8
位的接口,安装了
8
个
1K
的上拉电阻,当单片机都输出低电
平的时候,就有 40mA 的电流灌入这个 8 位的接口!
如果四个
8
位接口,都加上
1K
的上拉电阻,最大有可能出现
32 × 5 = 160mA
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li_wen0281
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