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单片机IO引脚驱动能力提升篇

2016-10-20 22:39:04 6109 单片机

0 早期的51单片机，驱动能力很低。P1、P2和P3口只能驱动3个LSTTL输入端，P0口可驱动8个。如果想要驱动更多的器件，就要用到“总线驱动芯片”。经常用的就是74LS244(单向)和74LS245(双向)。现在常用的 AT89C51 单片机引脚的输出能力已经大多了，从 PDF 手册文件中可查出：单片机输出低电平的时候，单个的引脚，向引脚灌入的最大电流为 10 mA; 一个 8 位的接口(P1、P2 以及 P3)，灌入的总电流最大为 15 mA，P0 允许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。但是当引脚输出高电平的时候，它们的“拉电流”能力可就差多了，竟然还不到 1 mA。单片机的输出特性和很多常用的LS系列TTL器件的输出特性是相同的，都有灌电流较大的特点。实际上，现在常用的单片机IO引脚驱动能力，就和早期的单片机增加了“总线驱动芯片”的效果基本是相同的。现在的单片机输出低电平的时候，就已经可以直接驱动LED发光了。上述的数值，也并非是不可逾越的破坏性极限数值。当略超过这些数值范围的时候，单片机IO引脚的电压，就会发生变化，造成“高电平不高”、“低电平不低”，这就会缩小外接器件的噪声容限。如果环境再稍有干扰，外接器件就无法正确判定单片机送来的高、低电平，将会胡乱动作。 ================================== 为了合理利用IO引脚的低电平能力强的特点，在外接耗电较大的器件(如LED数码显示器、继电器等)的时候，应该优先选用低电平输出来驱动外部器件。使用IO口输出高电平驱动负载，就是一个错误的选择。下图是一个直接利用单片机IO引脚驱动LED的电路。图中P0口使用低电平驱动方式，只要加上约1K的限流电阻即可，甚至不需要常见的P0口上拉电阻。发光的段，每个引脚灌电流约为3mA，不发光的段，电流为0。即使各个段全都发光，电流也不超过P0所容许的电流，这是一个合理的驱动方式。图中P3口使用了高电平驱动方式，这就必须加上上拉电阻来帮助IO接口输出电流。电阻也采用了1K，发光的段，LED上的电流约为3mA，不发光的段，电流则为5mA，灌入了单片机的IO引脚。这种电路，给单片机IO引脚带来了很大的电流，一个8位的接口最大有可能被灌入40mA的电流，远远超过了容许的数值。上拉电阻能够增加大量不需要的电流，不仅会造成单片机工作不稳定，还会导致电源效率的严重下降，发热，纹波增大。这说明，高电平输出、加上拉电阻，就是一个不合理的驱动方式。如果只是一个引脚的电流取值稍大一些，还算可以;但是综合考虑一个8位的接口，则每个引脚的电流就不要大于2~3mA。这样来看，上拉电阻最小应该在1.8K~2.5K之间，不宜再小，以免总电流超过接口所容许的电流。在网上看到一篇“51单片机P0口上拉电阻的深入研究”的文章，对上拉电阻的最小选择，写的很低，甚至说可以选200欧姆!呵呵，这会烧毁单片机引脚的。 ================================== 驱动更大电流的负载，可以使用三极管来扩充电流，也可使用集成芯片ULN2003(或ULN2008)，另外也可使用专用的驱动器件L298、各种型号的IGBT等等。集成芯片的引脚比较密集，维修检查较困难，更换的时候更是不便。做而论道比较喜欢使用三极管，它的耐压和电流承受能力都远远超过集成芯片，在PCB上布线也很灵活方便。 8550(PNP)和8050(NPN)：它们是一组可以配对使用的三极管，特点是集电极允许的电流很大，Icm竟然能达到1500mA!而且还不需要使用散热片。它们的集电极反向击穿电压BVceo为25V，Pcm为0.5W。 2N5401(PNP)和2N5551(NPN)：它们也是一组可以配对使用的三极管，它们的特点是耐压比较高，集电极反向击穿电压BVceo可达160V!它们的最大集电极电流Icm为0.6A，Pcm为0.6W。不同厂家的产品，参数会稍有不同。 ================================== 下面以常见的继电器为负载继续说明驱动方法。继电器线圈的驱动电流往往要有40mA以上，单片机的引脚肯定是不能承受了，必须用三极管来扩充输出能力。 +5V的大电流负载，用8550(PNP型)驱动电路可见下图。 P3.7输出低电平的时候，在R1中形成Ib约有2mA，经过8550的放大，Ic足够驱动继电器了。用这个电路，不仅可以驱动继电器，也驱动蜂鸣器、扬声器、多个LED等等，甚至驱动小型的直流电机，也是可以的。一般来说，电机的工作电流要大一些，只要不超过8550可以输出的最大电流是1500mA即可。驱动电机时，图中电阻R1的取值应该再小一些。 ================================== 用这个电路，可以各种大电流负载，但是做而论道为什么单单要用继电器，来说明问题呢? 因为在网上，发现很多不适当的继电器驱动电路,这些电路都是一个特点，即使用了射极输出电路结构。射极输出电路要求输入的动态范围要大，而且输出的电压范围永远比输入小0.7V。射极输出电路就不能有效的利用+5V的电源，实际上，加到继电器上的电压，不足+4V，除非是使用4V的继电器，否则这就是不稳定的隐患。做而论道给出的电路是共射极结构，有电压放大能力，所以对输入的要求较低，输出动态范围大。 ================================== 对于大于+5V的负载，如+12V，上面的电路就不行了。如果只是简单的把电源由+5V改为+12V，那么单片机输出的高、低电平，还是只有0~5V的变化幅度，这对8550射极的+12V来说，都是低电平。8550将不能截止。对于大于+5V的负载，只能使用NPN型的8050三极管来驱动，先以单片机输出高电平来驱动。电路如下： ================================== 在上述电路中，上拉电阻R2也会带来无谓的电流，其害处前面已经讨论过。更重要的缺点是：在开机单片机复位后，自然输出的高电平，会使继电器吸合，或者是使电机转动。(使用ULN2003等芯片扩充输出电流的时候，也存在这个问题。) 虽然编程的时候，可以先进行接口的初始化，令其马上就输出0。但是每次开机，还是会有瞬间的大电流冲击，这往往是不允许的。改进一下，可以再加上个8550，进行倒相，这就可以让单片机用输出低电平来驱动负载。上图中倒相用的8550，也可以使用“光耦”器件，这样一来，又增加了电气隔离的功能，这就是最完美的单片机输出驱动电路。电路见下图。图中的4N25经过实际测量，当LED的电流大于等于4.5mA时，输出端的光电管即可为Q4提供足够的基极电流。所以图中的R3，可以使用810~1K的电阻。 ================================== 上述的各个电路，都是以扩充单片机的输出电流为主题。其实，很多数字IC的输出端，都存在扩充电流输出能力的问题，这里给出的电路，是普遍适用的。这里介绍的8050/8550可以输出1500mA的电流，如果要求更大的输出电流，一种方法更换三极管，另外也可以使用专用大功率驱动器件，如L298，固态继电器，IGBT等等。关注【玩转单片机与嵌入式】公众号，了解更多。 2
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