51单片机端口驱动能力详解

2023-10-28 理论教育版权反馈

【摘要】：早期的51系列单片机的带负载能力是很小的，P1～P3口，每个引脚可以带动3个TTL输入端，只有P0口的能力强，可以带动8个。但分析一下TTL的输入特性就可以发现，51单片机基本上没有驱动能力，它的引脚甚至不能带动LED进行正常发光。而当这些引脚“输出高电平”时，单片机的“拉电流”能力竟然不到1mA。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。

单片机输出低电平时，将允许外部元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，则允许外部元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，P1～P3口，每个引脚可以带动3个TTL输入端，只有P0口的能力强，可以带动8个。但分析一下TTL的输入特性就可以发现，51单片机基本上没有驱动能力，它的引脚甚至不能带动LED进行正常发光。直到AT89C51单片机流行起来之后，单片机引脚的能力大为增强，可以直接带动LED发光了。

如图7-2所示，图中的D₁、D₂就可以不经其他驱动器件，直接由单片机的引脚控制发光显示。

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：

即每个单个的引脚，输出低电平时，允许外部电路向引脚灌入的最大电流为10mA；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15mA，而P0的能力强一些，允许向引脚灌入的最大总电流为26mA；全部的四个接口所允许的灌电流之和最大为71mA。而当这些引脚“输出高电平”时，单片机的“拉电流”能力竟然不到1mA。因此，单片机输出低电平时，驱动能力尚可，而输出高电平时，就没有输出电流的能力。

51单片机的这些特性，是源于引脚的内部结构，引脚内部结构图详见参考文献[2]。在芯片的内部，引脚和地之间，有个MOS管，所以引脚具有下拉的能力，输出低电平时，允许灌入10mA的电流；而引脚和正电源之间，有个几百千欧的“内部上拉电阻”，所以引脚在高电平时，能够输出的拉电流很小。但P0口的内部没有上拉电阻，所以P0口没有高电平输出电流的能力。

如图7-2所示，图中的D₁是接在正电源和引脚之间的，属于灌电流负载，D₁在单片机输出低电平时发光。这个发光的电流可以用电阻控制在10mA之内。图中的D₂是接在引脚和地之间的，属于拉电流负载，D₂应该在单片机输出高电平时发光。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。(www.chuimin.cn)

图7-2 51单片机的I/O端口

从图7-2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不发光时，R₂这个上拉电阻两端的电压，比LED发光时还高，达到5V，其中的电流是5mA。LED不发光时，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。如果在一个8位的接口，安装了8个1kΩ的上拉电阻，当单片机都输出低电平时，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1kΩ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。那么，把上拉电阻加大些，可以吗？显然不行，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，单片机输出低电平时，R₁、D₁通路上会有灌电流；输出高电平时，那就什么电流都没有，此时不产生额外的耗电。

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。

51单片机端口驱动能力详解

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