單片機(jī)IO引腳驅(qū)動(dòng)能力提升篇

早期的51單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)能力很低。P1、P2和P3口只能驅(qū)動(dòng)3個(gè)LSTTL輸入端，P0口可驅(qū)動(dòng)8個(gè)。如果想要驅(qū)動(dòng)更多的器件，就要用到“總線驅(qū)動(dòng)芯片”。經(jīng)常用的就是74LS244(單向)和74LS245(雙向)。

現(xiàn)在常用的 AT89C51 單片機(jī)引腳的輸出能力已經(jīng)大多了，從 PDF 手冊(cè)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 10 mA;

一個(gè) 8 位的接口(P1、P2 以及 P3)，灌入的總電流最大為 15 mA，P0 允許灌入的最大總電流為 26 mA;

全部的四個(gè)接口所允許的灌電流之和，最大為 71 mA。

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 1 mA。

單片機(jī)的輸出特性和很多常用的LS系列TTL器件的輸出特性是相同的，都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(dòng)能力，就和早期的單片機(jī)增加了“總線驅(qū)動(dòng)芯片”的效果基本是相同的?，F(xiàn)在的單片機(jī)輸出低電平的時(shí)候，就已經(jīng)可以直接驅(qū)動(dòng)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(guò)這些數(shù)值范圍的時(shí)候，單片機(jī)IO引腳的電壓，就會(huì)發(fā)生變化，造成“高電平不高”、“低電平不低”，這就會(huì)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(wú)法正確判定單片機(jī)送來(lái)的高、低電平，將會(huì)胡亂動(dòng)作。

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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(lái)驅(qū)動(dòng)外部器件。使用IO口輸出高電平驅(qū)動(dòng)負(fù)載，就是一個(gè)錯(cuò)誤的選擇。

下圖是一個(gè)直接利用單片機(jī)IO引腳驅(qū)動(dòng)LED的電路。

圖中P0口使用低電平驅(qū)動(dòng)方式，只要加上約1K的限流電阻即可，甚至不需要常見(jiàn)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。即使各個(gè)段全都發(fā)光，電流也不超過(guò)P0所容許的電流，這是一個(gè)合理的驅(qū)動(dòng)方式。

圖中P3口使用了高電平驅(qū)動(dòng)方式，這就必須加上上拉電阻來(lái)幫助IO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IO引腳。

這種電路，給單片機(jī)IO引腳帶來(lái)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(guò)了容許的數(shù)值。上拉電阻能夠增加大量不需要的電流，不僅會(huì)造成單片機(jī)工作不穩(wěn)定，還會(huì)導(dǎo)致電源效率的嚴(yán)重下降，發(fā)熱，紋波增大。這說(shuō)明，高電平輸出、加上拉電阻，就是一個(gè)不合理的驅(qū)動(dòng)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(lái)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(guò)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，對(duì)上拉電阻的最小選擇，寫(xiě)的很低，甚至說(shuō)可以選200歐姆!呵呵，這會(huì)燒毀單片機(jī)引腳的。

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驅(qū)動(dòng)更大電流的負(fù)載，可以使用三極管來(lái)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(dòng)器件L298、各種型號(hào)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(guò)集成芯片，在PCB上布線也很靈活方便。

8550(PNP)和8050(NPN)：它們是一組可以配對(duì)使用的三極管，特點(diǎn)是集電極允許的電流很大，Icm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(duì)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(huì)稍有不同。

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下面以常見(jiàn)的繼電器為負(fù)載繼續(xù)說(shuō)明驅(qū)動(dòng)方法。繼電器線圈的驅(qū)動(dòng)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(lái)擴(kuò)充輸出能力。

+5V的大電流負(fù)載，用8550(PNP型)驅(qū)動(dòng)電路可見(jiàn)下圖。

P3.7輸出低電平的時(shí)候，在R1中形成Ib約有2mA，經(jīng)過(guò)8550的放大，Ic足夠驅(qū)動(dòng)繼電器了。

用這個(gè)電路，不僅可以驅(qū)動(dòng)繼電器，也驅(qū)動(dòng)蜂鳴器、揚(yáng)聲器、多個(gè)LED等等，甚至驅(qū)動(dòng)小型的直流電機(jī)，也是可以的。一般來(lái)說(shuō)，電機(jī)的工作電流要大一些，只要不超過(guò)8550可以輸出的最大電流是1500mA即可。驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，圖中電阻R1的取值應(yīng)該再小一些。

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用這個(gè)電路，可以各種大電流負(fù)載，但是做而論道為什么單單要用繼電器，來(lái)說(shuō)明問(wèn)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(dòng)電路,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(dòng)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(duì)輸入的要求較低，輸出動(dòng)態(tài)范圍大。

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對(duì)于大于+5V的負(fù)載，如+12V，上面的電路就不行了。

如果只是簡(jiǎn)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(duì)8550射極的+12V來(lái)說(shuō)，都是低電平。8550將不能截止。

對(duì)于大于+5V的負(fù)載，只能使用NPN型的8050三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)，先以單片機(jī)輸出高電平來(lái)驅(qū)動(dòng)。電路如下：

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在上述電路中，上拉電阻R2也會(huì)帶來(lái)無(wú)謂的電流，其害處前面已經(jīng)討論過(guò)。

更重要的缺點(diǎn)是：在開(kāi)機(jī)單片機(jī)復(fù)位后，自然輸出的高電平，會(huì)使繼電器吸合，或者是使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。(使用ULN2003等芯片擴(kuò)充輸出電流的時(shí)候，也存在這個(gè)問(wèn)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(kāi)機(jī)，還是會(huì)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(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

上圖中倒相用的8550，也可以使用“光耦”器件，這樣一來(lái)，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(dòng)電路。電路見(jiàn)下圖。

圖中的4N25經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)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。

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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的輸出端，都存在擴(kuò)充電流輸出能力的問(wèn)題，這里給出的電路，是普遍適用的。

這里介紹的8050/8550可以輸出1500mA的電流，如果要求更大的輸出電流，一種方法更換三極管，另外也可以使用專用大功率驅(qū)動(dòng)器件，如L298，固態(tài)繼電器，IGBT等等