【導(dǎo)讀】提到51單片機的IO引腳，很多人就會聯(lián)想到上拉電阻。在單片機的相關(guān)問題中，很多問題同樣與上拉電阻的息息相關(guān)，在本文中，小編將為大家介紹51單片機中IO引腳與上拉電阻與拉電流負載對電路造成的不良影響。
在單片機輸出低電平時，將允許外部器件，向單片機引腳內(nèi)灌入電流，這個電流，稱為“灌電流”，外部電路稱為“灌電流負載”。單片機輸出高電平時，則允許外部器件，從單片機的引腳，拉出電流，這個電流，稱為“拉電流”，外部電路稱為“拉電流負載”。
那么這些電流一般是多少？最大限度是多少？
早期的51系列單片機的帶負載能力，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(fā)現(xiàn)，51單片機基本上就沒有什么驅(qū)動能力。它的引腳甚至不能帶動當時的LED進行正常發(fā)光。
圖1
圖1中的D1、D2就可以不經(jīng)其它驅(qū)動器件，直接由單片機的引腳控制發(fā)光顯示。雖然引腳已經(jīng)可以直接驅(qū)動LED發(fā)光，但還是看看AT89C51單片機引腳的輸出能力吧。
從AT89C51單片機的PDF手冊文件中可以看到，穩(wěn)態(tài)輸出時，“灌電流”的上限為：
MaximumIOLperportpin：10mA；
MaximumIOLper8-bitport：Port0：26mA，Ports1、2、3：15mA；
MaximumtotalIforalloutputpins：71mA.
這里也就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10mA。每個8位的接口（P1、P2以及P3），允許向引腳灌入的總電流最大為15mA，而P0的能力強一些，允許向引腳灌入的最大總電流為26mA。
全部的四個接口所允許的灌電流之和，最大為71mA。而當這些引腳“輸出高電平”的時候，單片機的“拉電流”能力呢？結(jié)果竟然不到1mA。
結(jié)論就是：單片機輸出低電平的時候，驅(qū)動能力尚可，而輸出高電平的時候，就沒有輸出電流的能力。
由于芯片的內(nèi)部引腳和地之間三極管的存在，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(nèi)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(nèi)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。
圖1中的D1，是接在正電源和引腳之間的，這就屬于灌電流負載，D1在單片機輸出低電平的時候發(fā)光。這個發(fā)光的電流，可以用電阻控制在10mA之內(nèi)。D2是接在引腳和地之間的，這屬于拉電流負載，D2應(yīng)該在單片機輸出高電平的時候發(fā)光。但是單片機此時幾乎沒有輸出能力，必須采用外接“上拉電阻”的方法來提供D2所需的電流。
外接電路如果是“拉電流負載”，要求單片機輸出高電平時發(fā)揮作用，那就必須用“上拉電阻”來協(xié)助，產(chǎn)生負載所需的電流。
上拉電阻存在的問題
圖1中可以看到，D2發(fā)光，是由上拉電阻R2提供的電流，D2導(dǎo)通發(fā)光的電壓約為2V，那么發(fā)光的電流就是：（5-2）/1K，約為3mA。
而當單片機輸出低電平（0V），D2不發(fā)光的時候，R2上拉電阻兩端的電壓，比LED發(fā)光的時候還高，達到了5V，其中的電流是5mA。LED不發(fā)光的時候，上拉電阻給出了更大的電流。并且，這個大于正常發(fā)光的電流，全部灌入單片機的引腳。
如果在一個8位的接口，安裝了8個1K的上拉電阻，當單片機都輸出低電平的時候，就有40mA的電流灌入這個8位的接口。如果四個8位接口，都加上1K的上拉電阻，最大有可能出現(xiàn)32×5=160mA的電流，都流入到單片機中。這個數(shù)值已經(jīng)超過了單片機手冊上給出的上限。如果此時單片機工作不穩(wěn)定，就是理所當然的了。
從以上的文章中可以看到，在單片機IO驅(qū)動能力上，還是采用灌電流的模式比較合理，而拉電流負載和上拉電阻會造成電路中產(chǎn)生無效的電流。本文通過多方面的分析與論證幫助大家對理清上拉電阻在單片機電路中某些應(yīng)用的弊端。
