【導讀】提到51單片機的IO引腳，很多人就會(huì )聯(lián)想到上拉電阻。在單片機的相關(guān)問(wèn)題中，很多問(wèn)題同樣與上拉電阻的息息相關(guān)，在本文中，小編將為大家介紹51單片機中IO引腳與上拉電阻與拉電流負載對電路造成的不良影響。
在單片機輸出低電平時(shí)，將允許外部器件，向單片機引腳內灌入電流，這個(gè)電流，稱(chēng)為“灌電流”，外部電路稱(chēng)為“灌電流負載”。單片機輸出高電平時(shí)，則允許外部器件，從單片機的引腳，拉出電流，這個(gè)電流，稱(chēng)為“拉電流”，外部電路稱(chēng)為“拉電流負載”。
那么這些電流一般是多少？最大限度是多少？
早期的51系列單片機的帶負載能力，是很小的，僅僅用“能帶動(dòng)多少個(gè)TTL輸入端”來(lái)說(shuō)明的。P1、P2和P3口，每個(gè)引腳可以都帶動(dòng)3個(gè)TTL輸入端，只有P0口的能力強，它可以帶動(dòng)8個(gè)。分析一下TTL的輸入特性就可以發(fā)現，51單片機基本上就沒(méi)有什么驅動(dòng)能力。它的引腳甚至不能帶動(dòng)當時(shí)的LED進(jìn)行正常發(fā)光。
圖1
圖1中的D1、D2就可以不經(jīng)其它驅動(dòng)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)可以直接驅動(dòng)LED發(fā)光，但還是看看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，穩態(tài)輸出時(shí)，“灌電流”的上限為：
MaximumIOLperportpin：10mA；
MaximumIOLper8-bitport：Port0：26mA，Ports1、2、3：15mA；
MaximumtotalIforalloutputpins：71mA.
這里也就是說(shuō)每個(gè)單個(gè)的引腳，輸出低電平的時(shí)候，允許外部電路，向引腳灌入的最大電流為10mA。每個(gè)8位的接口（P1、P2以及P3），允許向引腳灌入的總電流最大為15mA，而P0的能力強一些，允許向引腳灌入的最大總電流為26mA。
全部的四個(gè)接口所允許的灌電流之和，最大為71mA。而當這些引腳“輸出高電平”的時(shí)候，單片機的“拉電流”能力呢？結果竟然不到1mA。
結論就是：?jiǎn)纹瑱C輸出低電平的時(shí)候，驅動(dòng)能力尚可，而輸出高電平的時(shí)候，就沒(méi)有輸出電流的能力。
由于芯片的內部引腳和地之間三極管的存在，所以引腳具有下拉的能力，輸出低電平的時(shí)候，允許灌入10mA的電流。而引腳和正電源之間，有個(gè)幾百K的“內部上拉電阻”，所以，引腳在高電平的時(shí)候，能夠輸出的拉電流很小。特別是P0口，其內部根本就沒(méi)有上拉電阻，所以P0口根本就沒(méi)有高電平輸出電流的能力。
圖1中的D1，是接在正電源和引腳之間的，這就屬于灌電流負載，D1在單片機輸出低電平的時(shí)候發(fā)光。這個(gè)發(fā)光的電流，可以用電阻控制在10mA之內。D2是接在引腳和地之間的，這屬于拉電流負載，D2應該在單片機輸出高電平的時(shí)候發(fā)光。但是單片機此時(shí)幾乎沒(méi)有輸出能力，必須采用外接“上拉電阻”的方法來(lái)提供D2所需的電流。
外接電路如果是“拉電流負載”，要求單片機輸出高電平時(shí)發(fā)揮作用，那就必須用“上拉電阻”來(lái)協(xié)助，產(chǎn)生負載所需的電流。
上拉電阻存在的問(wèn)題
圖1中可以看到，D2發(fā)光，是由上拉電阻R2提供的電流，D2導通發(fā)光的電壓約為2V，那么發(fā)光的電流就是：（5-2）/1K，約為3mA。
而當單片機輸出低電平（0V），D2不發(fā)光的時(shí)候，R2上拉電阻兩端的電壓，比LED發(fā)光的時(shí)候還高，達到了5V，其中的電流是5mA。LED不發(fā)光的時(shí)候，上拉電阻給出了更大的電流。并且，這個(gè)大于正常發(fā)光的電流，全部灌入單片機的引腳。
如果在一個(gè)8位的接口，安裝了8個(gè)1K的上拉電阻，當單片機都輸出低電平的時(shí)候，就有40mA的電流灌入這個(gè)8位的接口。如果四個(gè)8位接口，都加上1K的上拉電阻，最大有可能出現32×5=160mA的電流，都流入到單片機中。這個(gè)數值已經(jīng)超過(guò)了單片機手冊上給出的上限。如果此時(shí)單片機工作不穩定，就是理所當然的了。
從以上的文章中可以看到，在單片機IO驅動(dòng)能力上，還是采用灌電流的模式比較合理，而拉電流負載和上拉電阻會(huì )造成電路中產(chǎn)生無(wú)效的電流。本文通過(guò)多方面的分析與論證幫助大家對理清上拉電阻在單片機電路中某些應用的弊端。
