單片機小白學步(23) IO口原理知識補充:雙向IO口 互補推挽

由於之前考慮不周，本篇在IO口原理知識的基礎上，進一步補充一些知識。

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本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201611/317591.htm

雙向IO口的輸出：互補推挽

在51單片機的P0口工作在普通IO口模式下，為準雙向IO口。而工作在第二功能狀態下時，則為標準的雙向IO口。由於雙向IO口的輸出，要求能輸出高低電平，通常會採用互補推挽電路。

在第二功能狀態下，51單片機P0口採用的是互補推挽的輸出方式。何為互補推挽呢？下面是它的等效電路圖。

當P0第二功能作為輸出時，K1和K2兩個開關輪流打開。K2閉合K1打開，就會輸出高電平，並且其驅動能力很大，因為電子開關的阻值小（不像上拉電阻的值那麼大）。反之K2打開，K1閉合，就會輸出低電平。

兩個開關交替導通，互為補充，「挽」是「拉」的意思，兩個電子開關分別負責在IO口輸出處「推」和「拉」電流，所以稱為互補推挽。

這種IO口結構的優點很明顯，驅動能力強，穩定可靠。缺點在於實現起來比較困難。在切換輸出電平的過程中，例如從低電平切換到高電平，當K1斷開時，要求儘可能快的輸出高電平，也就是K2應該立即閉合；同時，如果K1還沒斷開，K2就提前閉合了，相同於兩個開關同時導通，會直接短路，後果又會很嚴重。所以需要用電路控制好兩個開關的協調工作。

雙向IO口的輸入：高阻態、輸入電阻

雙向IO口的輸出，只要求能輸出高低電平，因此並不是必須採用互補推挽電路。而採用互補推挽電路的好處在於，這種電路同時又可以實現高阻態的輸入，從而實現標準雙向IO口。

當圖中的K1和K2同時斷開時，IO口就可以工作在高阻態的輸入狀態下。高阻態到底是什麼樣的一個概念呢？

當IO口處於高阻態時，也將其稱為浮空輸入狀態，其電平是懸浮不定的，既不是高電平也不是低電平。我們可以想像單片機在檢測IO口的電平高低時，相當於在CPU裡面有一個類似電壓表的東西，並且這個電壓表內阻很大，例如圖中給出的100MΩ。在這裡，我們可以把這個電壓表的內阻稱為P0.0口此時的輸入電阻（也可以近似認為是輸出阻抗，電阻是對直流電而言，而阻抗是對交流電來說的。這是模擬電路的知識，這裡不做細說）。

現在試想，如果我不小心用手碰到了P0.0埠，而由於人體本身就是阻值很大的導體，周圍有很多電磁波幹擾，手上可能存在一些很微弱的電流，這個時候，電壓表的讀數就會發生變化，單片機讀取的電平高低就會變。高阻態表現出來的結果就是外界很小的幹擾，都可能導致讀取的電平變化，甚至即使沒有碰這個IO口，它每次讀取的結果也可能不一樣，因為外界的電磁波等可能會干擾到IO口。稍後我們會利用51單片機做個實驗，來體驗P0口的高阻態。

高阻態的意義、輸出電阻

為什麼雙向IO口輸入的時候要求是高阻態呢？

我們假設有一種裝置，等效電路如下圖。開關上下切換，它就會輸出高低電平，通過電壓表可以檢測出來。但是其驅動能力很弱，連LED也驅動不了。裝置裡的100kΩ，可以叫做裝置的輸出電阻（同樣也可以近似認為是輸出阻抗）。

讓這個裝置輸出低電平，然後連接51單片機的P1.0口。這時，VCC經過10kΩ上拉電阻到達IO口，再到裝置內部的100kΩ電阻，通過開關K接到GND。根據分壓原理，P1.0上的電壓值大概是4.55V，於是單片機讀取的是高電平。而事實是，裝置想輸出低電平告知51單片機。這裡單片機管腳作為輸入功能，卻幹擾了外界裝置的輸出值，相當於單片機的這個IO口也在輸出。

當單片機的P0口工作在第二功能的輸入狀態，或者工作在普通IO口的輸入狀態，且沒有外界上下拉電阻，內部的兩個電子開關都是斷開的，對外部呈現高阻態。從圖中可以看出，裝置輸出的電平能被準確的讀取到單片機中。之所以能準確讀取，就是因為裝置輸出電阻比單片機IO口的輸入電阻要小。

有人可能會說，如果把裝置中的電阻換成1000MΩ，這個時候這個單片機又不能準確讀取電平了。但是一般情況下，我們不需要考慮這麼極端。如果是理想的高阻態，其輸入阻抗應該是無窮大，而這有點像超導體一樣比較特殊。一般情況下認為導線電阻幾乎為0，同樣也認為高阻態輸入電阻是無窮大。

總的來說，就是高阻態情況下，IO口輸入電阻很大，而不容易幹擾那些輸出電阻較大、驅動能力弱的裝置輸出到IO口上的電平。

用51單片機體驗高阻態

編寫程序如下：

#include reg52.h

sbit TOUCH = P0^0;

sbit LED = P1^0;

void main()

{

TOUCH = 1;

while(1) {

LED = TOUCH;

}

}

電路方面，LED接在P1.0埠，仍然是採用灌電流的方式，低電平有效。P0.0什麼都不要接。特別注意，這個實驗必須在P0.0什麼都沒接的情況下才能進行。很多成品開發板上，P0.0都連接了外部上拉電阻，沒法做這個實驗，建議自己搭建麵包板。

程序燒寫好之後，理論上來說，TOUCH管腳作為高阻態輸入，電平是不確定的，因此LED的亮滅也是不定的。我在實際實驗時，P0.0懸空的情況下，LED是一直點亮的，這可能是因為51單片機的高阻態和理想的高阻態還有一點差距，讀取P0.0的電平為低。

當把手指或很大的電阻放在P0.0和VCC之間，就會發現LED熄滅了，或者變暗了（變暗了說明LED在閃爍，只是閃爍的很快所以看不出來，就像交流電驅動的白熾燈一樣）。手指的電阻很大，如果是P1.0口，或者在P0.0上外接了上拉或下拉電阻，這時通過手指很難改變其電平狀態。而由於是高阻態，所以P0.0原先的低電平，通過手指從VCC傳過來的很微弱的電流就變成了高電平。

備註1：考慮到不同人的皮膚電阻不一樣，不能保證用手指接觸都能實現LED亮滅變化。如果沒有效果，可以嘗試用較大電阻（例如100kΩ）代替手指進行實驗。

備註2：如果你通電的時候發現LED原先是熄滅的，說明P0.0讀取到的是高電平，則應該用兩個手指分別放在P0.0和GND上，使得電平變化，LED點亮。當然LED不亮還有一種可能是，你的程序沒有被執行，可能是單片機最小系統電路出現了問題，或者程序寫錯了。

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《單片機小白學步》系列教程（原名《單片機入門指南》）介紹

本系列教程從最基本的入門知識開始，逐步深入介紹單片機系統設計，內容包括：
1、入門篇：單片機等基本概念、各種電子設計基本知識
2、思想篇：單片機/計算機系統設計的工程思想
3、學習篇：單片機學習過程、方法和技巧，以51單片機為例介紹，並推廣到其他單片機
4、應用篇：遵循規範的工程方法，設計單片機系統實例（計劃設計的系統有：計算器、電子表、密碼鎖、簡易手機，具體看有沒有時間再確定）
5、原理篇：從模擬電路、數字電路開始，逐步深入介紹單片機/計算機系統原理，並自行設計簡易的CPU（由於個人水平有限，這部分沒有把握寫好，具體內容視情況而定）

教程特點

1、技術知識點全面，從入門到精通

包含了各種基本知識，尤其是對單片機基本概念的介紹、為什麼要用單片機等，在很多同類書籍教程中都被忽略了。同時也包含了一些深入的知識，包括原理篇考慮對單片機的基本原理進行介紹，有助於深入理解單片機。

本系列教程以51單片機為例進行介紹。通過51介紹完單片機的基本知識，我會再把430進行簡要介紹，尤其是對比兩者之間的優缺點，讓大家很快感受到430的巨大優勢，而學習51正好為快速了解430打下了堅實的基礎。

2、除了單片機知識，還有思想、方法、技巧的介紹

本系列教程中，介紹單片機各種模塊編程知識的主要是學習篇，而學習篇只是整個教程的一部分。在學習篇中我會貫穿各種方法技巧，如何理解一些模塊功能，怎麼看時序圖，嚴格遵守工程思想進行編程，程序發生了錯誤怎麼調試等等。而在思想篇中會總體介紹很多重要的思想，為後面的學習做好準備工作。

3、知識先後順序的設計

單片機學習過程中，涉及大量的知識，而且很多知識之間相互依賴，關聯很強。

本系列教程對知識的先後順序進行比較明確的規劃，盡最大可能符合人的認知過程。但是實際規劃時發現，無論怎麼調整知識的順序，總有一些知識之間相互依賴，關係複雜。例如開始講IO口的時候肯定會提到寄存器，而寄存器這個詞的理解，需要深厚的背景知識。但是這些背景知識在沒有進行實踐的時候也很難理解。

初學者常常就會在這樣的地方感覺疑惑不解，不知所措。而每次遇到類似這樣的知識，我會向初學者指出，應該如何對待。這個知識是應該自己去學習補充，還是等到學完原理篇再做理解，而現在又應該怎麼去看待這個名詞。

另外，在整個教程的學習前，需要掌握一定的C語言等基礎知識，具體可參考教程第〇篇《序》中的相關說明
http://www.paincker.com/mcu-primer-0

4、語言通俗易懂

本系列教程力求語言通俗易懂，而不會用一堆新手不懂的詞語去解釋另一個不懂的詞語。但是受限於個人語言表達能力，可能有些地方表述的比較繁瑣，或者不清楚，希望大家能夠幫忙指出。