單片機IO引腳驅(qū)動能力與上拉電阻

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！

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

雖然引腳已經(jīng)可以直接驅(qū)動LED發(fā)光，但是且慢，先別太高興，還是看看AT89C51單片機引腳的輸出能力吧。
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：

MaximumIOLperportpin:10mA;
MaximumIOLper8-bitport:Port0:26mA,Ports1,2,3:15mA;
MaximumtotalIforalloutputpins:71mA.

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。

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在單片機輸出低電平的時候發(fā)光。這個發(fā)光的電流，可以用電阻控制在10mA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)該在單片機輸出高電平的時候發(fā)光。但是單片機此時幾乎沒有輸出能力，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。

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。
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)定性啦、速度啦...。
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。

做而論道看過很多關(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(jìn)行仔細(xì)的討論。

在此，做而論道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。