51系列微控制器IO引腳的驅動能力與上拉電阻分析

微控制器輸出低電平時，將允許外部器件，向微控制器引腳內灌入電流，這個電流，稱為「灌電流」，外部電路稱為「灌電流負載」；微控制器輸出高電平時，則允許外部器件，從微控制器的引腳，拉出電流，這個電流，稱為「拉電流」，外部電路稱為「拉電流負載」。

這些電流一般是多少？最大限度是多少？　這就是常見的微控制器輸出驅動能力的問題。

早期的 51 系列微控制器的帶負載能力，是很小的，僅僅用「能帶動多少個 ttl 輸入端」來說明的。p1、p2 和 p3口，每個引腳可以都帶動 3 個 ttl 輸入端，只有 p0 口的能力強，它可以帶動 8 個！

分析一下 ttl 的輸入特性，就可以發現，51 微控制器基本上就沒有什麼驅動能力。它的引腳，甚至不能帶動當時的 led 進行正常發光。記得是在 at89c51 微控制器流行起來之後，做而論道才發現：微控制器引腳的能力大為增強，可以直接帶動 led 發光了。

看看下圖，圖中的 d1、d2 就可以不經其它驅動器件，直接由微控制器的引腳控制發光顯示。

雖然引腳已經可以直接驅動 led 發光，但是且慢，先別太高興，還是看看 at89c51 微控制器引腳的輸出能力吧。

從 at89c51 微控制器的 pdf 手冊檔案中可以看到，穩態輸出時，「灌電流」的上限為：

maximum iol per port pin: 10 ma;

maximum iol per 8-bit port：port 0: 26 ma,ports 1, 2, 3: 15 ma;

maximum total i for all output pins: 71 ma.

這裡是說：

每個單個的引腳，輸出低電平的時候，允許外部電路，向引腳灌入的最大電流為 10 ma；

每個 8 位的介面（p1、p2 以及 p3），允許向引腳灌入的總電流最大為 15 ma，而 p0 的能力強一些，允許向引腳灌入的最大總電流為 26 ma；

全部的四個介面所允許的灌電流之和，最大為 71 ma。

而當這些引腳「輸出高電平」的時候，微控制器的「拉電流」能力呢？　可以說是太差了，竟然不到 1 ma。

結論就是：微控制器輸出低電平的時候，驅動能力尚可，而輸出高電平的時候，就沒有輸出電流的能力。

這個結論是依照手冊中給出的資料做出來的。

51 微控制器的這些特性，是源於引腳的內部結構，引腳內部結構圖這裡就不畫了，很多書中都有。

在晶元的內部，引腳和地之間，有個三極體，所以引腳具有下拉的能力，輸出低電平的時候，允許灌入 10ma 的電流；而引腳和正電源之間，有個幾百k的「內部上拉電阻」，所以，引腳在高電平的時候，能夠輸出的拉電流很小。特別是 p0 口，其內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。

再看看上面的電路圖：

圖中的 d1，是接在正電源和引腳之間的，這就屬於灌電流負載，d1 在微控制器輸出低電平的時候發光。這個發光的電流，可以用電阻控制在 10 ma 之內。

圖中的 d2，是接在引腳和地之間的，這屬於拉電流負載，d2 應該在微控制器輸出高電平的時候發光。但是微控制器此時幾乎沒有輸出能力，必須採用外接「上拉電阻」的方法來提供 d2 所需的電流。

哦，明白了，外接電路如果是「拉電流負載」，要求微控制器輸出高電平時發揮作用，那就必須用「上拉電阻」來協助，產生負載所需的電流。

下面做而論道就專門說說上拉電阻存在的問題。

從上面的圖中可以看到，d2 發光，是由上拉電阻 r2 提供的電流，d2 導通發光的電壓約為 2v，那麼發光的電流就是：(5 － 2) / 1k，約為 3ma。

而當微控制器輸出低電平(0v)，d2 不發光的時候，r2 這個上拉電阻閒著了嗎？沒有！它兩端的電壓，比 led 發光的時候還高，現在是 5v 了，其中的電流，是 5ma ！

注意到了嗎？　led 不發光的時候，上拉電阻給出了更大的電流！並且，這個大於正常發光的電流，全部灌入微控制器的引腳了！

如果在乙個 8 位的介面，安裝了 8 個 1k 的上拉電阻，當微控制器都輸出低電平的時候，就有 40ma 的電流灌入這個 8 位的介面！

如果四個 8 位介面，都加上 1k 的上拉電阻，最大有可能出現 32 × 5 = 160ma 的電流，都流入到微控制器中！

這個數值已經超過了微控制器手冊上給出的上限。如果此時微控制器工作不穩定，就是理所當然的了。

而且這些電流，都是在負載處於無效的狀態下出現的，它們都是完全沒有用處的電流，只是產生發熱、耗電大、電池消耗快...等後果。

呵呵，特別是現在，都在提倡節能減排，低碳...。

那麼，把上拉電阻加大些，可以嗎？　

回答是：不行的，因為需要它為拉電流負載提供電流。對於 led，如果加大電阻，將使電流過小，發光暗淡，就失去發光二極體的作用了。

對於 d1，是灌電流負載，微控制器輸出低電平的時候，r1、d1 通路上會有灌電流；輸出高電平的時候，那就什麼電流都沒有，此時就不產生額外的耗電。

綜上所述，灌電流負載，是合理的；而「拉電流負載」和「上拉電阻」會產生很大的無效電流，這種電路不合理。