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单片机IO引脚驱动能力提升篇

发布日期:2019-08-11 08:18 来源:和记h88 发布人:和记娱乐 点击:

  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)。

  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;

  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。

  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,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。

  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。

  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,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。

  因为在网上,发现很多不适当的继电器驱动电,这些电都是一个特点,即使用了射极输出电结构。射极输出电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。

  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。电如下:

  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。

  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。电见下图。

  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,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,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

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