关于51单片机IO引脚的驱动能力与上拉电阻

￡神魔★判官ぃ 2022-08-19 15:27 130阅读 0赞

单片机的引脚，可以用程序来控制，输出高、低电平，这些可算是单片机的输出电压。  
但是，程序控制不了单片机的输出电流。　单片机的输出电流，很大程度上是取决于引脚上的外接器件。

单片机输出低电平时，将允许外部器件，向单片机引脚内灌入电流，这个电流，称为“灌电流”，外部电路称为“灌电流负载”；  
单片机输出高电平时，则允许外部器件，从单片机的引脚，拉出电流，这个电流，称为“拉电流”，外部电路称为“拉电流负载”。

这些电流一般是多少？最大限度是多少？　这就是常见的单片机输出驱动能力的问题。

早期的 51 系列单片机的带负载能力，是很小的，仅仅用“能带动多少个 TTL 输入端”来说明的。  
P1、P2 和 P3口，每个引脚可以都带动 3 个 TTL 输入端，只有 P0 口的能力强，它可以带动 8 个！

分析一下 TTL 的输入特性，就可以发现，51 单片机基本上就没有什么驱动能力。  
它的引脚，甚至不能带动当时的 LED 进行正常发光。

记得是在 AT89C51 单片机流行起来之后，做而论道才发现：单片机引脚的能力大为增强，可以直接带动 LED 发光了。  
看看下图，图中的 D1、D2 就可以不经其它驱动器件，直接由单片机的引脚控制发光显示。

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虽然引脚已经可以直接驱动 LED 发光，但是且慢，先别太高兴，还是看看 AT89C51 单片机引脚的输出能力吧。  
从 AT89C51 单片机的 PDF 手册文件中可以看到，稳态输出时，“灌电流”的上限为：

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.

这里是说：  
每个单个的引脚，输出低电平的时候，允许外部电路，向引脚灌入的最大电流为 10 mA；  
每个 8 位的接口（P1、P2 以及 P3），允许向引脚灌入的总电流最大为 15 mA，而 P0 的能力强一些，允许向引脚灌入的最大总电流为 26 mA；  
全部的四个接口所允许的灌电流之和，最大为 71 mA。

而当这些引脚“输出高电平”的时候，单片机的“拉电流”能力呢？　可以说是太差了，竟然不到 1 mA。

结论就是：单片机输出低电平的时候，驱动能力尚可，而输出高电平的时候，就没有输出电流的能力。  
这个结论是依照手册中给出的数据做出来的。

51 单片机的这些特性，是源于引脚的内部结构，引脚内部结构图这里就不画了，很多书中都有。  
在芯片的内部，引脚和地之间，有个三极管，所以引脚具有下拉的能力，输出低电平的时候，允许灌入 10mA 的电流；而引脚和正电源之间，有个几百K的“内部上拉电阻”，所以，引脚在高电平的时候，能够输出的拉电流很小。特别是 P0 口，其内部根本就没有上拉电阻，所以 P0 口根本就没有高电平输出电流的能力。

再看看上面的电路图：  
图中的 D1，是接在正电源和引脚之间的，这就属于灌电流负载，D1 在单片机输出低电平的时候发光。这个发光的电流，可以用电阻控制在 10 mA 之内。  
图中的 D2，是接在引脚和地之间的，这属于拉电流负载，D2 应该在单片机输出高电平的时候发光。但是单片机此时几乎没有输出能力，必须采用外接“上拉电阻”的方法来提供 D2 所需的电流。

哦，明白了，外接电路如果是“拉电流负载”，要求单片机输出高电平时发挥作用，那就必须用“上拉电阻”来协助，产生负载所需的电流。

下面做而论道就专门说说上拉电阻存在的问题。

从上面的图中可以看到，D2 发光，是由上拉电阻 R2 提供的电流，D2 导通发光的电压约为 2V，那么发光的电流就是：(5 － 2) / 1K，约为 3mA。

而当单片机输出低电平(0V)，D2 不发光的时候，R2 这个上拉电阻闲着了吗？ 没有！它两端的电压，比 LED 发光的时候还高，现在是 5V 了，其中的电流，是 5mA ！  
注意到了吗？　LED 不发光的时候，上拉电阻给出了更大的电流！并且，这个大于正常发光的电流，全部灌入单片机的引脚了！

如果在一个 8 位的接口，安装了 8 个 1K 的上拉电阻，当单片机都输出低电平的时候，就有 40mA 的电流灌入这个 8 位的接口！  
如果四个 8 位接口，都加上 1K 的上拉电阻，最大有可能出现 32 × 5 = 160mA 的电流，都流入到单片机中！  
这个数值已经超过了单片机手册上给出的上限。如果此时单片机工作不稳定，就是理所当然的了。  
而且这些电流，都是在负载处于无效的状态下出现的，它们都是完全没有用处的电流，只是产生发热、耗电大、电池消耗快...等后果。  
呵呵，特别是现在，都在提倡节能减排，低碳...。

那么，把上拉电阻加大些，可以吗？　  
回答是：不行的，因为需要它为拉电流负载提供电流。对于 LED，如果加大电阻，将使电流过小，发光暗淡，就失去发光二极管的作用了。

对于 D1，是灌电流负载，单片机输出低电平的时候，R1、D1 通路上会有灌电流；输出高电平的时候，那就什么电流都没有，此时就不产生额外的耗电。

综上所述，灌电流负载，是合理的；而“拉电流负载”和“上拉电阻”会产生很大的无效电流，这种电路不合理。

有些网友对上拉电阻情有独钟，有用没用的，都想在引脚上安装个上拉电阻，甚至还能说出些理由：稳定性啦、速度啦...。  
其实，“上拉电阻”和“拉电流负载”电路，是会对单片机系统造成不良后果的。

做而论道看过很多关于单片机引脚以及上拉电阻方面的书籍、参考资料，基本上它们对于使用上拉电阻的弊病都没有进行仔细的讨论。

**在此，做而论道郑重向大家提出建议：设计单片机的负载电路，应该采用“灌电流负载”的电路形式，以避免无谓的电流消耗。**

**上拉电阻，仅仅是在 P0 口才考虑加不加的问题：当用 P0 口做为输入口的时候，需要加上、当用 P0 口输出高电平驱动 MOS 型负载的时候，也需要加上，其它的时候，P0 口也不用加入上拉电阻。**

**在其它接口(P1、P2 和 P3)，都不应该加上拉电阻，特别是输出低电平有效的时候，外接器件就有上拉的作用。**

呵呵，一家之言，欢迎拍砖。

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