【導(dǎo)讀】學(xué)習(xí)單片機(jī)的朋友們都知道，單片機(jī)的輸出電流很大程度上是取決于引腳上的外接器件。但事實(shí)上，“上拉電阻”是會對單片機(jī)系統(tǒng)造成不良后果的，而許多書籍資料上都沒有對使用上拉電阻的弊病進(jìn)行討論。本文將為大家講解使用上拉電阻的一些弊端及解決方法。
單片機(jī)的引腳，可以用程序來控制，輸出高、低電平，這些可算是單片機(jī)的輸出電壓。但是，程序控制不了單片機(jī)的輸出電流。單片機(jī)的輸出電流，很大程度上是取決于引腳上的外接器件。
單片機(jī)輸出低電平時(shí)，將允許外部器件，向單片機(jī)引腳內(nèi)灌入電流，這個(gè)電流，稱為“灌電流”，外部電路稱為“灌電流負(fù)載”；單片機(jī)輸出高電平時(shí)，則允許外部器件，從單片機(jī)的引腳，拉出電流，這個(gè)電流，稱為“拉電流”，外部電路稱為“拉電流負(fù)載”。
這些電流一般是多少？最大限度是多少？這就是常見的單片機(jī)輸出驅(qū)動能力的問題。
早期的51系列單片機(jī)的帶負(fù)載能力，是很小的，僅僅用“能帶動多少個(gè)TTL輸入端”來說明的。P1、P2和P3口，每個(gè)引腳可以都帶動3個(gè)TTL輸入端，只有P0口的能力強(qiáng)，它可以帶動8個(gè)！
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分析一下TTL的輸入特性，就可以發(fā)現(xiàn)，51單片機(jī)基本上就沒有什么驅(qū)動能力。它的引腳，甚至不能帶動當(dāng)時(shí)的LED進(jìn)行正常發(fā)光。記得是在AT89C51單片機(jī)流行起來之后，做而論道才發(fā)現(xiàn)：單片機(jī)引腳的能力大為增強(qiáng)，可以直接帶動LED發(fā)光了。
從AT89C51單片機(jī)的PDF手冊文件中可以看到，穩(wěn)態(tài)輸出時(shí)，“灌電流”的上限為：
Maximum IOL per port pin: 10 mA;
Maximum IOL per 8-bit port
ort 0: 26 mA,Ports 1, 2, 3: 15 mA;
Maximum total I for all output pins: 71 mA.
這里是說：
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(qiáng)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(dāng)這些引腳“輸出高電平”的時(shí)候，單片機(jī)的“拉電流”能力呢？可以說是太差了，竟然不到1mA。
結(jié)論就是：單片機(jī)輸出低電平的時(shí)候，驅(qū)動能力尚可，而輸出高電平的時(shí)候，就沒有輸出電流的能力。這個(gè)結(jié)論是依照手冊中給出的數(shù)據(jù)做出來的。
51單片機(jī)的這些特性，是源于引腳的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，引腳內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖這里就不畫了，很多書中都有。
在芯片的內(nèi)部，引腳和地之間，有個(gè)三極管，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(nèi)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(nèi)部根本就沒有上拉電阻，所以P0口根本就沒有高電平輸出電流的能力。
哦，明白了，外接電路如果是“拉電流負(fù)載”，要求單片機(jī)輸出高電平時(shí)發(fā)揮作用，那就必須用“上拉電阻”來協(xié)助，產(chǎn)生負(fù)載所需的電流。
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下面就專門說說上拉電阻存在的問題。
從上面提到D2發(fā)光，是由上拉電阻R2提供的電流，D2導(dǎo)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(dāng)單片機(jī)輸出低電平(0V)，D2不發(fā)光的時(shí)候，R2這個(gè)上拉電阻閑著了嗎?沒有!它兩端的電壓，比LED發(fā)光的時(shí)候還高，現(xiàn)在是5V了，其中的電流，是5mA!
注意到了嗎？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(jī)的引腳了！如果在一個(gè)8位的接口，安裝了8個(gè)1K的上拉電阻，當(dāng)單片機(jī)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(xiàn)32×5=160mA的電流，都流入到單片機(jī)中！這個(gè)數(shù)值已經(jīng)超過了單片機(jī)手冊上給出的上限。如果此時(shí)單片機(jī)工作不穩(wěn)定，就是理所當(dāng)然的了。
而且這些電流，都是在負(fù)載處于無效的狀態(tài)下出現(xiàn)的，它們都是完全沒有用處的電流，只是產(chǎn)生發(fā)熱、耗電大、電池消耗快，等后果。
特別是現(xiàn)在，都在提倡節(jié)能減排，低碳。
那么，把上拉電阻加大些，可以嗎?
回答是：不行的，因?yàn)樾枰鼮槔娏髫?fù)載提供電流。對于LED，如果加大電阻，將使電流過小，發(fā)光暗淡，就失去發(fā)光二極管的作用了。
對于D1，是灌電流負(fù)載，單片機(jī)輸出低電平的時(shí)候，R1、D1通路上會有灌電流;輸出高電平的時(shí)候，那就什么電流都沒有，此時(shí)就不產(chǎn)生額外的耗電。
綜上所述，灌電流負(fù)載，是合理的；而“拉電流負(fù)載”和“上拉電阻”會產(chǎn)生很大的無效電流，這種電路不合理。有些網(wǎng)友對上拉電阻情有獨(dú)鐘，有用沒用的，都想在引腳上安裝個(gè)上拉電阻，甚至還能說出些理由：穩(wěn)定性、速度。
其實(shí)，“上拉電阻”和“拉電流負(fù)載”電路，是會對單片機(jī)系統(tǒng)造成不良后果的。筆者看過很多關(guān)于單片機(jī)引腳以及上拉電阻方面的書籍、參考資料，基本上它們對于使用上拉電阻的弊病都沒有進(jìn)行仔細(xì)的討論。
在此，鄭重向大家提出建議：設(shè)計(jì)單片機(jī)的負(fù)載電路，應(yīng)該采用“灌電流負(fù)載”的電路形式，以避免無謂的電流消耗。上拉電阻，僅僅是在P0口才考慮加不加的問題：當(dāng)用P0口做為輸入口的時(shí)候，需要加上、當(dāng)用P0口輸出高電平驅(qū)動MOS型負(fù)載的時(shí)候，也需要加上，其它的時(shí)候，P0口也不用加入上拉電阻。在其它接口(P1、P2和P3)，都不應(yīng)該加上拉電阻，特別是輸出低電平有效的時(shí)候，外接器件就有上拉的作用。
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