51單片機驅(qū)動能力(拉電流_灌電流)及上拉電阻
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| 看來很多網(wǎng)友都搞不清灌電流和拉電流的概念，下面就此解釋一下，希望看過本文后不再就此困擾。 一個重要的前提：灌電流和拉電流是針對端口而言的。 名詞解釋——灌：注入、填充，由外向內(nèi)、由虛而實?？柿?，來一大杯鮮榨橙汁，一飲而盡，飽了，這叫“灌”。 灌電流（sink current） ，對一個端口而言，如果電流方向是向其內(nèi)部流動的則是“灌電流”，比如一個IO通過一個電阻和一個LED連接至VCC，當(dāng)該IO輸出為邏輯0時能不能點亮LED，去查該器件手冊中sink current參數(shù)。 名詞解釋——拉：流出、排空，由內(nèi)向外，由實而虛。一大杯鮮橙汁喝了，過會兒，憋的慌，趕緊找衛(wèi)生間，一陣“大雨”，舒坦了，這叫“拉”。 拉電流（sourcing current），對一個端口而言，如果電流方向是向其外部流動的則是“拉電流”，比如一個IO通過一個電阻和一個LED連至GND，當(dāng)該IO輸出為邏輯1時能不能點亮LED，去查該器件手冊中sourcing current參數(shù)。 |
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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”(sink current)
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“(source current)
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。
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。
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：
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.
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 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。
http://bbs.21ic.com/viewthread.php?tid=255097&highlight=%2Byezhubenyue
單片機驅(qū)動蜂鳴器-.
這里驅(qū)動蜂鳴器電阻為14k 如果電壓為3V的時候需要電流為21ma，但是單片機提供的電流最大也就10ma左右，所以需要三極管來放大電流
如圖P26高電平的時候蜂鳴器工作，P26低電平的時候斷開。 蜂鳴器工作電壓3V，所以取RES2為2v / 21ma為100歐左右。先需要21ma二極管的放大倍數(shù)將近100倍，所以基極電流最小為0.21ma，現(xiàn)E點電壓為3v所以R=U/A 電阻最大需要取2V/0.21ma=10000K 如果電阻取100歐那基極電流就是20ma，單片機驅(qū)動不了。最大為10ma可知電阻的最小為200歐姆,放大2倍則蜂鳴器就可以工作了。。(在飽和，放大的臨界狀態(tài)所以可以使用 IB=β*IC,)
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？ 有10 mA的驅(qū)動能力。
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。
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。
，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。
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行仔細的討論。
在此，做而論道鄭重向大家提出建議：設(shè)計單片機的負載電路，應(yīng)該采用“灌電流負載”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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