51系列單片機IO引腳的驅(qū)動能力與上拉電阻分析

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 10 mA 之內(nèi)。
圖中的 D2，是接在引腳和地之間的，這屬于拉電流負載，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，這種電路不合理。