單片機(jī)io口輸出電流范圍及問題詳解

　　一、51單片機(jī)IO端口的四種輸入輸出模式

　　1、準(zhǔn)雙向口輸出

　　準(zhǔn)雙向口輸出類型可用作輸出和輸入功能而不需重新配置口線輸出狀態(tài)。這是因?yàn)楫?dāng)口線輸出為1時(shí)驅(qū)動(dòng)能力很弱，允許外部裝置將其拉低。當(dāng)引腳輸出為低時(shí)，它的驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)，可吸收相當(dāng)大的電流。（準(zhǔn)雙向口有3個(gè)上拉晶體管適應(yīng)不同的需要）準(zhǔn)雙向口讀外部狀態(tài)前，要先鎖存為 ?1?，才可讀到外部正確的狀態(tài)。

　　小結(jié)：

　　灌電流能力強(qiáng)，拉電流能力弱

　　讀外部狀態(tài)前要先鎖存“1”（斷開下拉晶體管）

　　讀IO口狀態(tài)的原則是非高即低，只能準(zhǔn)確識(shí)別外部的低電平信號(hào)，無法區(qū)分懸空和真正的高電平

　　作為輸入時(shí)，輸入阻抗不為高阻，可能出現(xiàn)將外部低電平誤讀為高電平的情況（例上拉電阻10K，外部電阻100K，IO=5*100/110=4.54V）

　　準(zhǔn)雙向口（弱上拉）輸出

　　其應(yīng)用方式參考：

　　準(zhǔn)雙向口用作輸入時(shí)，可對(duì)地接按鍵，如圖1，當(dāng)然也可以去掉R1直接接按鍵，當(dāng)按鍵閉合時(shí)，端口被拉至低電平，當(dāng)按鍵松開時(shí)，端口被內(nèi)部“極弱上拉”晶體管拉至高電平。

　　當(dāng)端口作為輸出時(shí)，不應(yīng)對(duì)地外接LED如圖2控制，這樣端口的驅(qū)動(dòng)能力很弱（拉電流能力弱），LED只能發(fā)很微弱的光，如果要驅(qū)動(dòng)LED，要采用圖3的方法，這樣準(zhǔn)雙向口在輸出為低時(shí)，可吸收20mA的電流（灌電流能力強(qiáng)），故能驅(qū)動(dòng)LED。圖4的方法也可以，不過LED不發(fā)光時(shí)，端口要吸收很大電流。

　　2、強(qiáng)推挽輸出

　　推挽輸出配置的下拉結(jié)構(gòu)與開漏輸出以及準(zhǔn)雙向口的下拉結(jié)構(gòu)相同，但當(dāng)鎖存器為1時(shí)提供持續(xù)的強(qiáng)上拉。推挽模式一般用于需要更大驅(qū)動(dòng)電流的情況。

　　如果當(dāng)兩個(gè)推挽輸出結(jié)構(gòu)相連在一起，一個(gè)輸出高電平，即上面的MOS導(dǎo)通，下面的MOS閉合時(shí)；同時(shí)另一個(gè)輸出低電平，即上面的MOS閉合，下面的MOS導(dǎo)通時(shí)。電流會(huì)從第一個(gè)引腳的VCC通過上端MOS再經(jīng)過第二個(gè)引腳的下端MOS直接流向GND。整個(gè)通路上電阻很小，會(huì)發(fā)生短路，進(jìn)而可能造成端口的損害。這也是為什么推挽輸出不能實(shí)現(xiàn)“ 線與”的原因。

　　3、僅為輸入（高阻）

　　輸入口帶有一個(gè)施密特觸發(fā)輸入以及一個(gè)干擾抑制電路。

　　小結(jié)：

　　通過外部上拉電阻輸出高電平

　　若有外部上拉，可作為輸入IO讀取外部狀態(tài)（同準(zhǔn)雙向IO，先鎖存“1”）

　　通過外部上拉電源進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換與外部器件兼容

　　4、開漏輸出配置（若外加上拉電阻，也可讀）

　　當(dāng)口線鎖存器為0時(shí)，開漏輸出關(guān)閉所有上拉晶體管。當(dāng)作為一個(gè)邏輯輸出時(shí)，這種配置方式必須有外部上拉，一般通過電阻外接到Vcc。如果外部有上拉電阻， 開漏的I/O口還可讀外部狀態(tài)，即此時(shí)被配置為開漏模式的I/O口還可作為輸入I/O口。這種方式的下拉與準(zhǔn)雙向口相同。

　　小結(jié)：

　　電路無法流入流出，只能作為輸入數(shù)據(jù)使用

　　二、單片機(jī)的io口輸出最大電流

　　傳統(tǒng)單片機(jī)一般為10ma左右，現(xiàn)在的單片機(jī)一般20－25ma，但多個(gè)IO口加起來總電流有限制，根據(jù)廠家和封裝不同而變化，有的不能超200ma，有的不能超400ma

　　如果外設(shè)要求的驅(qū)動(dòng)電流較大，少量IO口擴(kuò)流可采用三極管，IO 口數(shù)量較多時(shí)，常用7406　TDG2003等驅(qū)動(dòng)芯片。

　　三、單片機(jī)的I/O口輸出電流問題

　　問：單片機(jī)除P0口外，其他輸出都是5V吧？那么用來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管為什么還需要加三極管驅(qū)動(dòng)？比方說加100歐的電阻，那么電流就高達(dá)5V/100歐=50mA，而數(shù)碼管才20mA？再者三極管怎么都沒標(biāo)明電流放大倍數(shù)？

　　答：這個(gè)類似于電源的內(nèi)阻。輸出電流越大，消耗在內(nèi)部的電壓壓降就越大。輸出電壓＝5V-內(nèi)部壓降。

　　51單片機(jī)的上拉管典型阻值20k，若外部開路，在內(nèi)部的壓降＝0，輸出就是5V，如果IO接個(gè)5k電阻到GND，那么外部電阻的電壓＝5V÷（5＋20）×5＝1V，而外部5K電阻上的電流才1V/5k＝200uA。

　　所以你接100歐的電阻，IO的輸出電壓更本就很小了，根本達(dá)不到5V÷100歐=50mA的水平，

　　一般來說高電平輸出能力也就100-200uA，低電平輸出能力8mA-10mA （AT89C2051等IO已強(qiáng)化，可吸入20mA電流）。這么小的電流驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，你就自己看吧，所以才加三極管驅(qū)動(dòng)。數(shù)碼管20mA的電流一般是偏大的，靜態(tài)顯示時(shí)，一般選5－15mA即可。動(dòng)態(tài)顯示可適當(dāng)加大至20mA左右，不然亮度偏低。

　　一般三級(jí)管的靜態(tài)放大值取100就可以估算。比如驅(qū)動(dòng)一個(gè)5V（額定電壓）線圈繼電器。線圈內(nèi)阻是120歐，估算驅(qū)動(dòng)電流有5V/120歐=40mA，單片機(jī)一般只能輸出10mA，驅(qū)動(dòng)不了。那么靠三極管驅(qū)動(dòng)，基極驅(qū)動(dòng)電流＝40mA/100＝400uA》200uA，

　　若使用PNP型三極管，則使用低電平驅(qū)動(dòng)，基極電阻＝（5－0.7）V÷0.4mA＝10k，

　　若使用NPN型三極管，則使用高電平驅(qū)動(dòng)，如上面所說，輸出能力最多200uA，達(dá)不到400uA，要使用上拉電阻產(chǎn)生至少200uA電流，上拉電阻＝（5－0.7）V/0.2mA＝21.5k這些計(jì)算值都是臨界值，要保險(xiǎn)點(diǎn)就在這個(gè)值的基礎(chǔ)上稍微選小一點(diǎn)就好。