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51系列单片机IO引脚的驱动能力与上拉电阻分析

作者:时间:2011-08-10来源:网络收藏

51 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,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”,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,所以 P0 口根本就没有高电平输出电流的

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 在输出低电平的时候发光。这个发光的电流,可以用控制在 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 应该在输出高电平的时候发光。但是单片机此时几乎没有输出,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。

光敏电阻相关文章:光敏电阻工作原理



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