51单片机驱动能力(拉电流_灌电流)及上拉电阻

看来很多网友都搞不清灌电流和拉电流的概念，下面就此解释一下，希望看过本文后不再就此困扰。 一个重要的前提：灌电流和拉电流是针对端口而言的。 名词解释——灌：注入、填充，由外向内、由虚而实。渴了，来一大杯鲜榨橙汁，一饮而尽，饱了，这叫“灌”。                  灌电流（sink current） ，对一个端口而言，如果电流方向是向其内部流动的则是“灌电流”，比如一个IO通过一个电阻和一个LED连接至VCC，当该IO输出为逻辑0时能不能点亮LED，去查该器件手册中sink current参数。 名词解释——拉：流出、排空，由内向外，由实而虚。一大杯鲜橙汁喝了，过会儿，憋的慌，赶紧找卫生间，一阵“大雨”，舒坦了，这叫“拉”。                  拉电流（sourcing current），对一个端口而言，如果电流方向是向其外部流动的则是“拉电流”，比如一个IO通过一个电阻和一个LED连至GND，当该IO输出为逻辑1时能不能点亮LED，去查该器件手册中sourcing current参数。

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单片机输出低电平时，将允许外部器件，向单片机引脚内灌入电流，这个电流，称为“灌电流”，外部电路称为“灌电流负载”(sink current)
单片机输出高电平时，则允许外部器件，从单片机的引脚，拉出电流，这个电流，称为“拉电流”，外部电路称为“拉电流负载“(source current)

这些电流一般是多少？最大限度是多少？　这就是常见的单片机输出驱动能力的问题。

分析一下 TTL 的输入特性，就可以发现，51 单片机基本上就没有什么驱动能力。
它的引脚，甚至不能带动当时的 LED 进行正常发光。

记得是在 AT89C51 单片机流行起来之后，做而论道才发现：单片机引脚的能力大为增强，可以直接带动 LED 发光了。
看看下图，图中的 D1、D2 就可以不经其它驱动器件，直接由单片机的引脚控制发光显示。

虽然引脚已经可以直接驱动 LED 发光，但是且慢，先别太高兴，还是看看 AT89C51 单片机引脚的输出能力吧。
从 AT89C51 单片机的 PDF 手册文件中可以看到，稳态输出时，“灌电流”的上限为：

Maximum IOL per port pin: 10 mA;
Maximum IOL per 8-bit port:Port 0: 26 mA,Ports 1, 2, 3: 15 mA;
Maximum total I for all output pins: 71 mA.

这里是说：
每个单个的引脚，输出低电平的时候，允许外部电路，向引脚灌入的最大电流为 10 mA；
每个 8 位的接口（P1、P2 以及 P3），允许向引脚灌入的总电流最大为 15 mA，而 P0 的能力强一些，允许向引脚灌入的最大总电流为 26 mA；
全部的四个接口所允许的灌电流之和，最大为 71 mA。 

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单片机驱动蜂鸣器-. 

这里驱动蜂鸣器电阻为14k 如果电压为3V的时候需要电流为21ma，但是单片机提供的电流最大也就10ma左右，所以需要三极管来放大电流

如图P26高电平的时候蜂鸣器工作，P26低电平的时候断开。 蜂鸣器工作电压3V，所以取RES2为2v / 21ma为100欧左右。先需要21ma二极管的放大倍数将近100倍，所以基极电流最小为0.21ma，现E点电压为3v所以R=U/A   电阻最大需要取2V/0.21ma=10000K   如果电阻取100欧那基极电流就是20ma，单片机驱动不了。最大为10ma可知电阻的最小为200欧姆,放大2倍则蜂鸣器就可以工作了。。(在饱和，放大的临界状态所以可以使用 IB=β*IC,)   

而当这些引脚“输出高电平”的时候，单片机的“拉电流”能力呢？　有10 mA的驱动能力。

结论就是：单片机输出低电平的时候，驱动能力尚可，而输出高电平的时候，就没有输出电流的能力。
这个结论是依照手册中给出的数据做出来的。

51 单片机的这些特性，是源于引脚的内部结构，引脚内部结构图这里就不画了，很多书中都有。
在芯片的内部，引脚和地之间，有个三极管，所以引脚具有下拉的能力，输出低电平的时候，允许灌入 10mA 的电流；而引脚和正电源之间，有个几百K的“内部上拉电阻”，所以，引脚在高电平的时候，能够输出的拉电流很小。特别是 P0 口，其内部根本就没有上拉电阻，所以 P0 口根本就没有高电平输出电流的能力。

 

哦，明白了，外接电路如果是“拉电流负载”，要求单片机输出高电平时发挥作用，那就必须用“上拉电阻”来协助，产生负载所需的电流。

下面做而论道就专门说说上拉电阻存在的问题。

 

如果在一个 8 位的接口，安装了 8 个 1K 的上拉电阻，当单片机都输出低电平的时候，就有 40mA 的电流灌入这个 8 位的接口！
如果四个 8 位接口，都加上 1K 的上拉电阻，最大有可能出现 32 × 5 = 160mA 的电流，都流入到单片机中！
这个数值已经超过了单片机手册上给出的上限。如果此时单片机工作不稳定，就是理所当然的了。
而且这些电流，都是在负载处于无效的状态下出现的，它们都是完全没有用处的电流，只是产生发热、耗电大、电池消耗快...等后果。
呵呵，特别是现在，都在提倡节能减排，低碳...。

那么，把上拉电阻加大些，可以吗？　
回答是：不行的，因为需要它为拉电流负载提供电流。对于 LED，如果加大电阻，将使电流过小，发光暗淡，就失去发光二极管的作用了。

对于 D1，是灌电流负载，单片机输出低电平的时候，R1、D1 通路上会有灌电流；输出高电平的时候，那就什么电流都没有，此时就不产生额外的耗电。

综上所述，灌电流负载，是合理的；而“拉电流负载”和“上拉电阻”会产生很大的无效电流，这种电路不合理。

有些网友对上拉电阻情有独钟，有用没用的，都想在引脚上安装个上拉电阻，甚至还能说出些理由：稳定性啦、速度啦...。
其实，“上拉电阻”和“拉电流负载”电路，是会对单片机系统造成不良后果的。

做而论道看过很多关于单片机引脚以及上拉电阻方面的书籍、参考资料，基本上它们对于使用上拉电阻的弊病都没有进行仔细的讨论。

 

在此，做而论道郑重向大家提出建议：设计单片机的负载电路，应该采用“灌电流负载”的电路形式，以避免无谓的电流消耗。

上拉电阻，仅仅是在 P0 口才考虑加不加的问题：当用 P0 口做为输入口的时候，需要加上、当用 P0 口输出高电平驱动 MOS 型负载的时候，也需要加上，其它的时候，P0 口也不用加入上拉电阻。

在其它接口(P1、P2 和 P3)，都不应该加上拉电阻，特别是输出低电平有效的时候，外接器件就有上拉的作用。