单片机IO口原理解析

参考：http://m.elecfans.com/article/581431.html
@[TOP]

第二功能

单片机有4组IO口，内部结构各不同，有些IO口具有第二功能

上面除了P1外，其他接口都有第二功能。

IO口等效电路

作为普通IO口使用时，4个IO口的工作原理基本一致。
下面的图是P1电路图

右边P1.X是P1的一个IO口，如P1.0；PULL-UP*是内部上拉电阻的意思，之所以叫上拉，是因为电阻一端接在VCC上。下面的三角形表示接地，相当于GND。
最关键的器件是下面这个

这个器件的本质是晶体管，起到电子开关的作用。
上面的电路大致等效成下图。

图中的R是上拉电阻，S是前面晶体管等效的电子开关。蓝色框中的部分在单片机内部。
S的开关状态由CPU控制。当用程序设置P1.0管脚为低时，电子开关S闭合。实际S闭合时，两端还有很小的电阻。根据分压原理，P1.0上还有一个很低的电压，近似为0V，可视为低电平。当设置管脚为高电平时，S断开，P1.0通过10K欧电阻接到VCC上。如果用电压表测量，因为电压表内阻很大，所以可得出其电压值为高电平。
备注1：“输入”绿色箭头，这部分电路只有在读取管脚输入时才会导通，并且是单向的，可以想象成内阻较大的电压表输入端。
备注2：51单片机IO口工作在普通IO口状态下，电子开关使用晶体管实现的（包括三极管和MOS管两种）。下图中实现的这种电平输出结构，如果是MOS管实现，则被称为漏极开路输出（OD=Open Drain，或简称（“开漏”）），漏极是MOS管的一个管脚，对应与图中S和R的节点处。如果是三极管实现，则称为集电极开路输出（OC=Open Collector），两者原理基本一致。

IO口输出：点亮LED

#include

sbit LED = P1^0;

void main()
{
	LED = 0;
	while(1);
}

电路关键部分，将VCC通过1K欧电阻接到LED正极，LED负极接到P1.0口。
单片机执行LED = 0的时候，电子开关S由CPU控制闭合，P1.0上输出低电平。电流流过1K电阻和LED流入P1.0，在经过S流入GND，LED两端有合适电压，于是被点亮。

灌电流与拉电流

在上面例子中，P1.0输出低电平点亮LED。能否反过来，P1.0输出高电平，点亮LED呢？将电路连接成下面这样，并程序中编写LED = 1。

执行LED = 1时，S断开，电流通过10K欧上拉电阻从P1.0流出，并进入LED。由于上拉电阻阻值很大，电流过小，LED不亮。
这两种方法，前者电流从单片机外部流入单片机内部，称为灌电流接法；后者电流由单片机内部留到外部，称为拉电流接法。对51单片机，灌电流接法，电流比拉电流接法电流大。
实际中，灌电流的最大电流也是有限的，因为电子开关S中能通过的电流有限。STC官方手册中，建议单个IO口灌电流不超过20mA，所有IO口灌电流之和不超过55mA，否则容易烧坏IO口。而拉电流大小只有230UA左右。

上拉电阻/下拉电阻/高阻态

拉电力是从上拉电阻流出来的，能否提高拉电流大小呢？可以。只需要在单片机外部加一个上拉电阻，就可以增大电流，并能成功点亮LED。如下图所示。

但是当单片机输出低电平时，S闭合，电流从VCC通过上拉电阻和S流入GND，造成电流浪费。上拉电阻过大，会导致驱动力不足，过小，输出低电平时浪费电能。
上拉电阻的作用是什么呢？使IO口输出高电平。如果没有上拉电阻时，开关闭合时能输出高电平，但是开关断开时，P1.0悬空，什么也没连接，这时IO口的电压就是不确定的，这种状态无法判断它是高电平还是低电平，叫做高阻态。

IO口的输入：开关控制

IO口（Input/Output），意味着可以作输入或输出。

图中S0是一个单刀双掷开关，往上切换，可将P1.0连接到VCC，往下切换可以接到GND。读取时CPU会通过特定电路获取上图中橙色导线的电平。我们要实现的效果是，让CPU读取P1.0端口的电平，从而获得开关S0的状态。
设置输出高电平时，S断开，CPU通过获取P1.0上的电平，知道外部开关S0的状态。
设置处处低电平时，S闭合，S0往下切换，P1.0低电平，S0往上切换，P1.0仍是低电平。于是CPU无法判断外部开关S0的状态。
总结就是，在读取IO电平时，应先设置输出高电平（即断开S），再读取数据。