51单片机的IO口驱动能力、灌电流、拉电流、上拉电阻的选择

2019-04-15 14:41发布

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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”，如下图1所示；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”，如下图2所示。
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。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。
      下面我们分析一下拉电流负载和灌电流负载的区别：        图1中，是灌电流负载。单片机输出低电平时，LED亮，；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。        图2中，是拉电流负载。单片机输出低电平的时候，LED不亮，此时VCC通过R2把电流全部灌进单片机IO口，并且电流时5ma，单片机输出高电平的时候，VCC通过R2将电流注入到LED中，led亮。注意到了吗？　LED 不发光的时候，上拉电阻给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。此时单片机就会出现工作不稳定的现象。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。
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，并且功耗大。
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。在图2中，假如单片机输出的高电平时4V，此时R2两端的电压差为5V-3V=2V。经过R2的电流为I=2V/1000=2ma,这一部分电流将全部流入LED。如果加大电阻，上拉电阻提供的电流将会减小。上拉电阻的大小一般选择在1K-10K之间就行。
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。

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