單片機(jī)小白學(xué)步(23) 知識(shí)補(bǔ)充：雙向IO口、互補(bǔ)推挽、高阻態(tài)

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雙向IO口的輸出：互補(bǔ)推挽

在51單片機(jī)的P0口工作在普通IO口模式下，為準(zhǔn)雙向IO口。而工作在第二功能狀態(tài)下時(shí)，則為標(biāo)準(zhǔn)的雙向IO口。由于雙向IO口的輸出，要求能輸出高低電平，通常會(huì)采用互補(bǔ)推挽電路。

在第二功能狀態(tài)下，51單片機(jī)P0口采用的是互補(bǔ)推挽的輸出方式。何為互補(bǔ)推挽呢？下面是它的等效電路圖。

當(dāng)P0第二功能作為輸出時(shí)，K1和K2兩個(gè)開(kāi)關(guān)輪流打開(kāi)。K2閉合K1打開(kāi)，就會(huì)輸出高電平，并且其驅(qū)動(dòng)能力很大，因?yàn)殡娮娱_(kāi)關(guān)的阻值?。ú幌?strong>上拉電阻的值那么大）。反之K2打開(kāi)，K1閉合，就會(huì)輸出低電平。

兩個(gè)開(kāi)關(guān)交替導(dǎo)通，互為補(bǔ)充，“挽”是“拉”的意思，兩個(gè)電子開(kāi)關(guān)分別負(fù)責(zé)在IO口輸出處“推”和“拉”電流，所以稱為互補(bǔ)推挽。

這種IO口結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)很明顯，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，穩(wěn)定可靠。缺點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。在切換輸出電平的過(guò)程中，例如從低電平切換到高電平，當(dāng)K1斷開(kāi)時(shí)，要求盡可能快的輸出高電平，也就是K2應(yīng)該立即閉合；同時(shí)，如果K1還沒(méi)斷開(kāi)，K2就提前閉合了，相同于兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，會(huì)直接短路，后果又會(huì)很嚴(yán)重。所以需要用電路控制好兩個(gè)開(kāi)關(guān)的協(xié)調(diào)工作。

雙向IO口的輸入：高阻態(tài)、輸入電阻

雙向IO口的輸出，只要求能輸出高低電平，因此并不是必須采用互補(bǔ)推挽電路。而采用互補(bǔ)推挽電路的好處在于，這種電路同時(shí)又可以實(shí)現(xiàn)高阻態(tài)的輸入，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)雙向IO口。

當(dāng)圖中的K1和K2同時(shí)斷開(kāi)時(shí)，IO口就可以工作在高阻態(tài)的輸入狀態(tài)下。高阻態(tài)到底是什么樣的一個(gè)概念呢？

當(dāng)IO口處于高阻態(tài)時(shí)，也將其稱為浮空輸入狀態(tài)，其電平是懸浮不定的，既不是高電平也不是低電平。我們可以想象單片機(jī)在檢測(cè)IO口的電平高低時(shí)，相當(dāng)于在CPU里面有一個(gè)類似電壓表的東西，并且這個(gè)電壓表內(nèi)阻很大，例如圖中給出的100MΩ。在這里，我們可以把這個(gè)電壓表的內(nèi)阻稱為P0.0口此時(shí)的輸入電阻（也可以近似認(rèn)為是輸出阻抗，電阻是對(duì)直流電而言，而阻抗是對(duì)交流電來(lái)說(shuō)的。這是模擬電路的知識(shí)，這里不做細(xì)說(shuō)）。

現(xiàn)在試想，如果我不小心用手碰到了P0.0端口，而由于人體本身就是阻值很大的導(dǎo)體，周圍有很多電磁波干擾，手上可能存在一些很微弱的電流，這個(gè)時(shí)候，電壓表的讀數(shù)就會(huì)發(fā)生變化，單片機(jī)讀取的電平高低就會(huì)變。高阻態(tài)表現(xiàn)出來(lái)的結(jié)果就是外界很小的干擾，都可能導(dǎo)致讀取的電平變化，甚至即使沒(méi)有碰這個(gè)IO口，它每次讀取的結(jié)果也可能不一樣，因?yàn)橥饨绲碾姶挪ǖ瓤赡軙?huì)干擾到IO口。稍后我們會(huì)利用51單片機(jī)做個(gè)實(shí)驗(yàn)，來(lái)體驗(yàn)P0口的高阻態(tài)。

高阻態(tài)的意義、輸出電阻

為什么雙向IO口輸入的時(shí)候要求是高阻態(tài)呢？

我們假設(shè)有一種裝置，等效電路如下圖。開(kāi)關(guān)上下切換，它就會(huì)輸出高低電平，通過(guò)電壓表可以檢測(cè)出來(lái)。但是其驅(qū)動(dòng)能力很弱，連LED也驅(qū)動(dòng)不了。裝置里的100kΩ，可以叫做裝置的輸出電阻（同樣也可以近似認(rèn)為是輸出阻抗）。

讓這個(gè)裝置輸出低電平，然后連接51單片機(jī)的P1.0口。這時(shí)，VCC經(jīng)過(guò)10kΩ上拉電阻到達(dá)IO口，再到裝置內(nèi)部的100kΩ電阻，通過(guò)開(kāi)關(guān)K接到GND。根據(jù)分壓原理，P1.0上的電壓值大概是4.55V，于是單片機(jī)讀取的是高電平。而事實(shí)是，裝置想輸出低電平告知51單片機(jī)。這里單片機(jī)管腳作為輸入功能，卻干擾了外界裝置的輸出值，相當(dāng)于單片機(jī)的這個(gè)IO口也在輸出。

當(dāng)單片機(jī)的P0口工作在第二功能的輸入狀態(tài)，或者工作在普通IO口的輸入狀態(tài)，且沒(méi)有外界上下拉電阻，內(nèi)部的兩個(gè)電子開(kāi)關(guān)都是斷開(kāi)的，對(duì)外部呈現(xiàn)高阻態(tài)。從圖中可以看出，裝置輸出的電平能被準(zhǔn)確的讀取到單片機(jī)中。之所以能準(zhǔn)確讀取，就是因?yàn)檠b置輸出電阻比單片機(jī)IO口的輸入電阻要小。

有人可能會(huì)說(shuō)，如果把裝置中的電阻換成1000MΩ，這個(gè)時(shí)候這個(gè)單片機(jī)又不能準(zhǔn)確讀取電平了。但是一般情況下，我們不需要考慮這么極端。如果是理想的高阻態(tài)，其輸入阻抗應(yīng)該是無(wú)窮大，而這有點(diǎn)像超導(dǎo)體一樣比較特殊。一般情況下認(rèn)為導(dǎo)線電阻幾乎為0，同樣也認(rèn)為高阻態(tài)輸入電阻是無(wú)窮大。

總的來(lái)說(shuō)，就是高阻態(tài)情況下，IO口輸入電阻很大，而不容易干擾那些輸出電阻較大、驅(qū)動(dòng)能力弱的裝置輸出到IO口上的電平。

用51單片機(jī)體驗(yàn)高阻態(tài)

編寫程序如下：

#include reg52.h

sbit TOUCH = P0^0;

sbit LED = P1^0;

void main()

{

TOUCH = 1;

while(1) {

LED = TOUCH;

}

}

電路方面，LED接在P1.0端口，仍然是采用灌電流的方式，低電平有效。P0.0什么都不要接。特別注意，這個(gè)實(shí)驗(yàn)必須在P0.0什么都沒(méi)接的情況下才能進(jìn)行。很多成品開(kāi)發(fā)板上，P0.0都連接了外部上拉電阻，沒(méi)法做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，建議自己搭建面包板。

程序燒寫好之后，理論上來(lái)說(shuō)，TOUCH管腳作為高阻態(tài)輸入，電平是不確定的，因此LED的亮滅也是不定的。我在實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，P0.0懸空的情況下，LED是一直點(diǎn)亮的，這可能是因?yàn)?1單片機(jī)的高阻態(tài)和理想的高阻態(tài)還有一點(diǎn)差距，讀取P0.0的電平為低。

當(dāng)把手指或很大的電阻放在P0.0和VCC之間，就會(huì)發(fā)現(xiàn)LED熄滅了，或者變暗了（變暗了說(shuō)明LED在閃爍，只是閃爍的很快所以看不出來(lái)，就像交流電驅(qū)動(dòng)的白熾燈一樣）。手指的電阻很大，如果是P1.0口，或者在P0.0上外接了上拉或下拉電阻，這時(shí)通過(guò)手指很難改變其電平狀態(tài)。而由于是高阻態(tài)，所以P0.0原先的低電平，通過(guò)手指從VCC傳過(guò)來(lái)的很微弱的電流就變成了高電平。

備注1：考慮到不同人的皮膚電阻不一樣，不能保證用手指接觸都能實(shí)現(xiàn)LED亮滅變化。如果沒(méi)有效果，可以嘗試用較大電阻（例如100kΩ）代替手指進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

備注2：如果你通電的時(shí)候發(fā)現(xiàn)LED原先是熄滅的，說(shuō)明P0.0讀取到的是高電平，則應(yīng)該用兩個(gè)手指分別放在P0.0和GND上，使得電平變化，LED點(diǎn)亮。當(dāng)然LED不亮還有一種可能是，你的程序沒(méi)有被執(zhí)行，可能是單片機(jī)最小系統(tǒng)電路出現(xiàn)了問(wèn)題，或者程序?qū)戝e(cuò)了。

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