51單片機驅動能力(拉電流_灌電流)及上拉電阻

看來很多網友都搞不清灌電流和拉電流的概念，下面就此解釋一下，希望看過本文後不再就此困擾。

一個重要的前提：灌電流和拉電流是針對埠而言的。

名詞解釋——灌：注入、填充，由外向內、由虛而實。渴了，來一大杯鮮榨橙汁，一飲而盡，飽了，這叫「灌」。

灌電流（sink current） ，對一個埠而言，如果電流方向是向其內部流動的則是「灌電流」，比如一個IO通過一個電阻和一個LED連接至VCC，當該IO輸出為邏輯0時能不能點亮LED，去查該器件手冊中sink current參數。

名詞解釋——拉：流出、排空，由內向外，由實而虛。一大杯鮮橙汁喝了，過會兒，憋的慌，趕緊找衛生間，一陣「大雨」，舒坦了，這叫「拉」。

拉電流（sourcing current），對一個埠而言，如果電流方向是向其外部流動的則是「拉電流」，比如一個IO通過一個電阻和一個LED連至GND，當該IO輸出為邏輯1時能不能點亮LED，去查該器件手冊中sourcing current參數。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201611/318344.htm

http://bbs.21ic.com/viewthread.php?tid=219138&highlight=%2Byezhubenyue

單片機輸出低電平時，將允許外部器件，向單片機引腳內灌入電流，這個電流，稱為「灌電流」，外部電路稱為「灌電流負載」(sink current)
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「(source current)

這些電流一般是多少？最大限度是多少？　這就是常見的單片機輸出驅動能力的問題。

分析一下 TTL 的輸入特性，就可以發現，51 單片機基本上就沒有什麼驅動能力。
它的引腳，甚至不能帶動當時的 LED 進行正常發光。

記得是在 AT89C51 單片機流行起來之後，做而論道才發現：單片機引腳的能力大為增強，可以直接帶動 LED 發光了。
看看下圖，圖中的 D1、D2 就可以不經其它驅動器件，直接由單片機的引腳控制發光顯示。

雖然引腳已經可以直接驅動 LED 發光，但是且慢，先別太高興，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，穩態輸出時，「灌電流」的上限為：

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.

這裡是說：
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 10 mA；
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 15 mA，而 P0 的能力強一些，允許向引腳灌入的最大總電流為 26 mA；
全部的四個接口所允許的灌電流之和，最大為 71 mA。

http://bbs.21ic.com/viewthread.php?tid=255097&highlight=%2Byezhubenyue

單片機驅動蜂鳴器-.

這裡驅動蜂鳴器電阻為14k 如果電壓為3V的時候需要電流為21ma，但是單片機提供的電流最大也就10ma左右，所以需要三極體來放大電流

如圖P26高電平的時候蜂鳴器工作，P26低電平的時候斷開。 蜂鳴器工作電壓3V，所以取RES2為2v / 21ma為100歐左右。先需要21ma二極體的放大倍數將近100倍，所以基極電流最小為0.21ma，現E點電壓為3v所以R=U/A 電阻最大需要取2V/0.21ma=10000K 如果電阻取100歐那基極電流就是20ma，單片機驅動不了。最大為10ma可知電阻的最小為200歐姆,放大2倍則蜂鳴器就可以工作了。。(在飽和，放大的臨界狀態所以可以使用 IB=β*IC,)

而當這些引腳「輸出高電平」的時候，單片機的「拉電流」能力呢？　有10 mA的驅動能力。

結論就是：單片機輸出低電平的時候，驅動能力尚可，而輸出高電平的時候，就沒有輸出電流的能力。
這個結論是依照手冊中給出的數據做出來的。

51 單片機的這些特性，是源於引腳的內部結構，引腳內部結構圖這裡就不畫了，很多書中都有。
在晶片的內部，引腳和地之間，有個三極體，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。

哦，明白了，外接電路如果是「拉電流負載」，要求單片機輸出高電平時發揮作用，那就必須用「上拉電阻」來協助，產生負載所需的電流。

下面做而論道就專門說說上拉電阻存在的問題。

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 32 × 5 = 160mA 的電流，都流入到單片機中！
這個數值已經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定，就是理所當然的了。
而且這些電流，都是在負載處於無效的狀態下出現的，它們都是完全沒有用處的電流，只是產生發熱、耗電大、電池消耗快...等後果。
，特別是現在，都在提倡節能減排，低碳...。

那麼，把上拉電阻加大些，可以嗎？　
回答是：不行的，因為需要它為拉電流負載提供電流。對於 LED，如果加大電阻，將使電流過小，發光暗淡，就失去發光二極體的作用了。

對於 D1，是灌電流負載，單片機輸出低電平的時候，R1、D1 通路上會有灌電流；輸出高電平的時候，那就什麼電流都沒有，此時就不產生額外的耗電。

綜上所述，灌電流負載，是合理的；而「拉電流負載」和「上拉電阻」會產生很大的無效電流，這種電路不合理。

有些網友對上拉電阻情有獨鍾，有用沒用的，都想在引腳上安裝個上拉電阻，甚至還能說出些理由：穩定性啦、速度啦...。
其實，「上拉電阻」和「拉電流負載」電路，是會對單片機系統造成不良後果的。

做而論道看過很多關於單片機引腳以及上拉電阻方面的書籍、參考資料，基本上它們對於使用上拉電阻的弊病都沒有進行仔細的討論。

在此，做而論道鄭重向大家提出建議：設計單片機的負載電路，應該採用「灌電流負載」的電路形式，以避免無謂的電流消耗。

上拉電阻，僅僅是在 P0 口才考慮加不加的問題：當用 P0 口做為輸入口的時候，需要加上、當用 P0 口輸出高電平驅動 MOS 型負載的時候，也需要加上，其它的時候，P0 口也不用加入上拉電阻。

在其它接口(P1、P2 和 P3)，都不應該加上拉電阻，特別是輸出低電平有效的時候，外接器件就有上拉的作用。