51單片機的IO口驅(qū)動能力、灌電流、拉電流、上拉電阻的選擇

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“灌電流負載”，如下圖1所示；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“拉電流負載”，如下圖2所示。

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。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 10 mA；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 15 mA，而 P0 的能力強一些，允許向引腳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。而當這些引腳“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 1 mA。

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。

下面我們分析一下拉電流負載和灌電流負載的區(qū)別：

圖1中，是灌電流負載。單片機輸出低電平時，LED亮，；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。

圖2中，是拉電流負載。單片機輸出低電平的時候，LED不亮，此時VCC通過R2把電流全部灌進單片機IO口，并且電流時5ma，單片機輸出高電平的時候，VCC通過R2將電流注入到LED中，led亮。注意到了嗎？　LED 不發(fā)光的時候，上拉電阻給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。此時單片機就會出現(xiàn)工作不穩(wěn)定的現(xiàn)象。而且這些電流，都是在負載處于無效的狀態(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。

綜上所述，灌電流負載，是合理的；而“拉電流負載”和“上拉電阻”會產(chǎn)生很大的無效電流，并且功耗大。

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。在圖2中，假如單片機輸出的高電平時4V，此時R2兩端的電壓差為5V-3V=2V。經(jīng)過R2的電流為I=2V/1000=2ma,這一部分電流將全部流入LED。如果加大電阻，上拉電阻提供的電流將會減小。上拉電阻的大小一般選擇在1K-10K之間就行。

設(shè)計單片機的負載電路，應該采用“灌電流負載”的電路形式，以避免無謂的電流消耗。