單片機(jī)IO引腳驅(qū)動能力的提高

單片機(jī)IO引腳驅(qū)動能力的提高早期的51單片機(jī)，驅(qū)動能力很低。P1、P2和P3口只能驅(qū)動3個(gè)LSTTL輸入端，P0口可驅(qū)動8個(gè)。如果想要驅(qū)動更多的器件，就要用到“總線驅(qū)動芯片”。經(jīng)常用的就是74LS244（單向）和74LS245（雙向）?，F(xiàn)在常用的AT89C51單片機(jī)引腳的輸出能力己經(jīng)大多了，從PDF手冊文件中可查出：單片機(jī)輸出低電平的時(shí)候，單個(gè)的引腳，向引腳灌入的最大電流為10mA：一個(gè)8位的接口（P1、P2以及P3）,灌入的總電流最大為15mA,P0允許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,但是當(dāng)引腳輸出高電平的時(shí)候，它們的“拉電流''能力可就差多了，竟然還不到1mA。單片機(jī)的輸出特性和很多常用的LSTTL器件的輸出特性是相同的，挪有灌電流較大的特點(diǎn)。實(shí)際上，現(xiàn)在常用的單片機(jī)IO引腳驅(qū)動能力，就和早期的單片機(jī)增加了“總線驅(qū)動芯片”的效果基木是相同的?，F(xiàn)在的單片機(jī)輸出低電平的時(shí)候，就己經(jīng)可以直接驅(qū)動LED發(fā)光了。上述的數(shù)值，也并非是不可逾越的破壞性極限數(shù)值。當(dāng)略超過這些數(shù)值范圍的時(shí)候，單片機(jī)IO引腳的電壓，就會發(fā)生變化，造成“高電平不高”、“低電平不低”,這就會縮小外接器件的噪聲容限。如果環(huán)境再稍有干擾，外接器件就無法正確判定單片機(jī)送來的高、低電平，將會胡亂動作。為了合理利用IO引腳的低電平能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在外接耗電較大的器件（如LED數(shù)碼顯示器、繼電器等）的時(shí)候，應(yīng)該優(yōu)先選用低電平輸出來驅(qū)動外部器件。使用IO口輸出高電平驅(qū)動負(fù)載，就是一個(gè)錯誤的選擇。下圖是一個(gè)直接利用單片機(jī)IO引腳驅(qū)動LED的電路。圖中P0口使用低電平驅(qū)動方式，只要加上約1K的限流電阻即可，甚至不需要常見的P0口上拉電阻。發(fā)光的段，每個(gè)引腳灌電流約為3mA,不發(fā)光的段，電流為0。即使務(wù)個(gè)段全部發(fā)光，電流也不超過P0所容許的電流，這是一個(gè)合理的驅(qū)動方式。圖片鏈接：圖中P3口使用了高電平驅(qū)動方式，這就必須加上上拉電阻來幫助10接口輸出電流。電阻也采用了1K,發(fā)光的段，LED上的電流約為3mA,不發(fā)光的段，電流則為5mA,灌入了單片機(jī)的I0引腳。這種電路，給單片機(jī)IO引腳帶來了很大的電流，一個(gè)8位的接口最大有可能被灌入40mA的電流，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了容許的數(shù)值。上拉電阻能夠增加大雖不需要的電流，不僅會造成單片機(jī)工作不穩(wěn)定，還會導(dǎo)致電源效率的嚴(yán)重下降，發(fā)熱，紋波增大。這說明，高電平輸出、加上拉電阻，就是一個(gè)不合理的驅(qū)動方式。如果只是一個(gè)引腳的電流取值稍大一些，還算可以：但是綜合考慮一個(gè)8位的接口，則每個(gè)引腳的電流就不要大于2~3mA。這樣來看，上拉電阻最小應(yīng)該在1.8K-2.5K之間，不宜再小，以免總電流超過接口所容許的電流。在網(wǎng)上看到一篇“51單片機(jī)P0口上拉電阻的深入研究”的文章C,對上拉電阻的最小選擇，寫的很低，甚至說可以選200歐姆！呵呵，這會燒毀單片機(jī)引腳的。驅(qū)動更大電流的負(fù)載，可以使用三極管來擴(kuò)充電流，也可使用集成芯片ULN2003(或ULN2008),另外也可使用專用的驅(qū)動器件L298、各種型號的IGBT等等。集成芯片的引腳比較密集，維修檢查較困難，更換的時(shí)候更是不便。做而論道比較喜歡使用三極管，它的耐壓和電流承受能力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過集成芯片，在PCB上布線也很靈活方便。做而論道常用的三極管如下：8550(PNP)和8050(NPN)：它們是一組可以配對使用的三極管，特點(diǎn)是集電極允許的電流很大，1cm竟然能達(dá)到1500mA!而且還不需要使用散熱片。它們的集電極反向擊穿電壓BVceo為25V,Pcm為0.5W。2N5401(PNP)和2N5551(NPN)：它們也是一組可以配對使用的三極管，它們的特點(diǎn)是耐壓比較高，集電極反向擊穿電壓BVceo可達(dá)160V!它們的最大集電極電流Icm為0.6A,Pcm為0.6W。不同廠家的產(chǎn)品，參數(shù)會稍有不同。下面以常見的繼電器為負(fù)載繼續(xù)說明驅(qū)動方法。繼電器線圈的驅(qū)動電流往往要有40mA以上，單片機(jī)的引腳肯定是不能承受了，必須用三極管來擴(kuò)充輸出能力。+5V的大電流負(fù)載，用8550(PNP型)驅(qū)動電路可見下圖。P3.7輸出低電平的時(shí)候，在R1中形成lb約有2mA,經(jīng)過8550的放大，lc足夠驅(qū)動繼電器了。用這個(gè)電路，不僅可以驅(qū)動繼電器，也驅(qū)動蜂鳴器、揚(yáng)聲器、多個(gè)LED等等，甚至驅(qū)動小型的立流電機(jī),也是可以的。一般來說，電機(jī)的工作電流要大一些，只要不超過8550可以輸出的最大電流是1500mA即可。驅(qū)動電機(jī)時(shí),圖中電阻R1的取值應(yīng)該再小一些。此種電路經(jīng)過多位網(wǎng)友的驗(yàn)證，鏈接之一如下：用這個(gè)電路，可以各種大電流負(fù)裁，但是做而論道為什么單單要用繼電器，來說明問題呢？因?yàn)樵诰W(wǎng)上，發(fā)現(xiàn)很多不適當(dāng)?shù)睦^電器驅(qū)動電路，比如：這些電路都是一個(gè)特點(diǎn)，即使用了射極輸出電路結(jié)構(gòu)。射極輸出電路要求輸入的動態(tài)范圍要大，而且輸出的電壓范圍永遠(yuǎn)比輸入小0.7V。射極輸出電路就不能有效的利用+5V的電源，實(shí)際上，加到繼電器上的電壓，不足+4V,除非是使用4V的繼電器，否則這就是不穩(wěn)定的隱患。做而論道給出的電路是共射極結(jié)構(gòu)，有電壓放大能力，所以對輸入的要求較低，輸出動態(tài)范圍大。對于大于+5V的負(fù)載，如+12V,上面的電路就不行了。如果只是簡單的把電源由+5V改為+12V,那么單片機(jī)輸出的高、低電平，還是只有0~5V的變化幅度，這對8550射極的+12V來說，都是低電平。8550將不能截止。對于大于+5V的負(fù)載，只能使用NPN型的8050三極管來驅(qū)動，先單片機(jī)以輸出高電平來驅(qū)動。電路如下。

上述的電路，完全可以工作，也經(jīng)過了多位網(wǎng)友的驗(yàn)證，鏈接之一如下:在上述電路中，上拉電阻R2也會帶來無謂的電流，其害處前面己經(jīng)討論過。更重要的缺點(diǎn)是：在開機(jī)單片機(jī)復(fù)位后，自然輸出的高電平，會使繼電器吸合，或者是使電機(jī)轉(zhuǎn)動。（使用ULN2003等芯片擴(kuò)充輸出電流的時(shí)候，也存在這個(gè)問題。）雖然編程的時(shí)候，可以先進(jìn)行接口的初始化，令其馬上就輸出0。但是每次開機(jī)，還是會有瞬間的大電流沖擊，這往往是不允許的。改進(jìn)一下，可以再加上個(gè)8550,進(jìn)行倒相，這就可以讓單片機(jī)用輸出低電平來驅(qū)動負(fù)載。

上述的電路，完全可以工作，也經(jīng)過了多位網(wǎng)友的驗(yàn)證，鏈接之一如下:上圖中倒相用的8550,也可以使用“光耦”器件，這樣一來，又增加了電氣隔離的功能，這就是最完美的單片機(jī)輸出驅(qū)動電路。電路見下圖。圖中的4N25經(jīng)過實(shí)際測量，當(dāng)LED的電流大于等于4.5mA時(shí)，輸出端的光電管即可為Q4提供足夠的基極電流。所以圖中的R3,可以使用810~1K的電阻。上述的各個(gè)電路，都是以擴(kuò)充單片機(jī)的輸出電流為主題。其實(shí)，很多數(shù)字IC的輸