王薇

摘要：該文以AT89C51單片機(jī)討論單片機(jī)IO引腳驅(qū)動(dòng)能力，并以常見(jiàn)的繼電器為負(fù)載說(shuō)明驅(qū)動(dòng)方法。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；拉電流；灌電流；三極管；繼電器

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）09-2159-02

基于AT89C51芯片的單片機(jī)共有40組引腳。其中有32組IO引腳是控制中心起到傳遞系統(tǒng)信號(hào)的作用，因而可以說(shuō)基于AT89C51芯片的單片機(jī)系統(tǒng)以IO引腳作為驅(qū)動(dòng)能力是一個(gè)十分關(guān)鍵的問(wèn)題。

1 基于IO引腳的驅(qū)動(dòng)能力

單片機(jī)的IO引腳可以用系統(tǒng)來(lái)監(jiān)控程序的輸出電壓。然而，系統(tǒng)無(wú)法控制單片機(jī)系統(tǒng)的輸出電流，系統(tǒng)的輸出電流于一定程度上完全取決于引腳的外接元件。輸出電流的極限大小是多少？這就是常見(jiàn)的單片機(jī)IO引腳驅(qū)動(dòng)能力問(wèn)題。

如圖1所示，D1，D2 可以不經(jīng)其它驅(qū)動(dòng)器件，直接由單片機(jī)的引腳控制發(fā)光顯示。P1.0輸出低電平時(shí)啟動(dòng)D1發(fā)光，輸出電流由P1.0端口輸入；P1.1端口輸出高電平后啟動(dòng)D2發(fā)光，然后輸出電流由P1.1端口輸出。但是，此時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)還不具有良好的電流輸出能力，輸出電流不能滿足啟動(dòng)D2發(fā)光的作用。因此，我們必需采取外接“上拉電阻”的方式來(lái)滿足啟動(dòng)D2發(fā)光對(duì)電流的需求。

如圖1所示，不管是拉電電流的負(fù)載還是灌電電流負(fù)載都能啟動(dòng)二極管發(fā)光。那么拉電電流負(fù)載和灌電電流負(fù)載在這一步驟中的區(qū)別在于那些方面，具體的電路設(shè)計(jì)中應(yīng)該如何進(jìn)行選擇？ AT89C51芯片手冊(cè)中提到，電流穩(wěn)態(tài)輸出，“灌電電流”的上限值為：

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換句話說(shuō)，每一個(gè)引腳元件在輸出低電平過(guò)程中外接電路向引腳灌入的電流上限值為10毫安，而每一組8位制端口（如P1、P2 和P3等端口）向引腳灌入的電流上限值為15毫安。P0端口的灌入電流能力強(qiáng)度要相對(duì)較好，向引腳灌入的電流上限值為26毫安。所有的四道端口向引腳灌入的電流上限值不超過(guò)71毫安。如果引腳端口輸出高電平，單片機(jī)系統(tǒng)的拉電電流能力則表現(xiàn)的極差，拉電電流的上限值不會(huì)超過(guò)1毫安，幾乎沒(méi)有輸出電流的能力。

由圖1電路可知，“拉電流”負(fù)載在單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)下耗電量大，因此在對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需采取灌電流負(fù)載措施。

2 提高單片機(jī)系統(tǒng)IO引腳驅(qū)動(dòng)能力的對(duì)策

由于P0口沒(méi)有弱上拉，所以做地址線時(shí)不用上拉，但輸出“1”時(shí)就要加上拉電阻，不然輸出電平到不了高電平，P1～P3則不存在這個(gè)問(wèn)題，每個(gè)輸出管腳都有弱上拉電阻（也就是電阻很大的上拉電阻），造成的結(jié)果是輸出高電平電流很小，為10-6量級(jí)，驅(qū)動(dòng)不了LED、數(shù)碼管之類的負(fù)載。要驅(qū)動(dòng)更大電流的負(fù)載，要么再外加一個(gè)三極管增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)，要么LED、數(shù)碼管用共陽(yáng)極接法（也就是LED正極接VCC，負(fù)極接單片機(jī)的I/O；數(shù)碼管用共陽(yáng)數(shù)碼管，COM口接VCC），另外也可使用集成芯片或?qū)Ｓ抿?qū)動(dòng)元件芯片引腳非常密集，維修和檢查的難度不小，廢舊元件的更換也是個(gè)棘手的問(wèn)題。三極管的耐壓性能和承受電流的能力也要好于集成芯片，尤其是在PCB上的布線更為便捷。這里主要介紹幾種使用三極管的負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路。

2.1通用驅(qū)動(dòng)電路

以通用繼電器負(fù)載舉證說(shuō)明驅(qū)動(dòng)的方法。通用繼電器的線圈驅(qū)動(dòng)電流不低于40毫安，單片機(jī)系統(tǒng)的IO 引腳無(wú)法承受大負(fù)荷驅(qū)動(dòng)電流，因而需采用三極管以擴(kuò)大輸出能力。大于5伏特電流荷載的三極管驅(qū)動(dòng)電路（PNP 8550型），所示如圖2：

圖2中，如P3. 7在輸出低電平中，電阻R1可形成的基級(jí)電流值IB大約為2毫安，通過(guò)PNP 8550型繼電器進(jìn)行放大，輸出電流LC完全可以保障驅(qū)動(dòng)繼電器。一般地，此繼電電路的構(gòu)成可以包括驅(qū)動(dòng)器、蜂鳴器、擴(kuò)音器和LED顯示屏組成，也可作為小型直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置。以上PNP 8550型驅(qū)動(dòng)電路于大于5伏特的負(fù)載電路不再適用。例如，直接接入12伏特負(fù)荷，那么單片機(jī)系統(tǒng)的輸出電壓值也僅僅在0伏特至5伏特之間的變化，這樣一來(lái)三極管8550發(fā)射極12伏特的負(fù)載均為低電平，直接導(dǎo)致三極管8550不能立即被截止。因此，我們需要對(duì)此選擇用更為合適的三極管來(lái)應(yīng)對(duì)。如NPN 8050型三極管，單片機(jī)系統(tǒng)的輸出高電平可作為驅(qū)動(dòng)力，其電路構(gòu)成如圖3所示。

圖3中電路完全可以工作，但上拉電阻R2也會(huì)帶來(lái)無(wú)謂的電流，單片機(jī)啟動(dòng)然后完成復(fù)位操作，輸出高電平啟動(dòng)繼電器的吸合或使得電機(jī)發(fā)動(dòng)。在編程中，即使先將接入端初始化并指令輸出設(shè)置為0，也會(huì)在每次啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行階段出現(xiàn)瞬間的大電流沖擊的問(wèn)題，更有甚者導(dǎo)致三極管直接燒壞。因此，設(shè)計(jì)中需注意到這個(gè)問(wèn)題，盡可能去規(guī)避。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化

以圖3所示的8050（NPN型）驅(qū)動(dòng)電路為基礎(chǔ)，通過(guò)加設(shè)PNP 8550型三極管的倒相，可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)輸出低電平對(duì)負(fù)載的驅(qū)動(dòng)。其電路構(gòu)成如圖4所示。

圖4中電路完全可以工作，需要說(shuō)明的是，倒相所用PNP 8550型三極管亦可以“光耦”元件來(lái)代替，可以增強(qiáng)電路的電氣隔離效果。電路構(gòu)成如圖5所示。

圖5中4N25 型“光耦”經(jīng)實(shí)際監(jiān)測(cè)，如LED顯示屏中的電流不低于5毫安，輸出端口的光電管則可提供足量的基極電流LB給8050三極管。因此，圖5中電阻R3的取值范圍應(yīng)該為810k～1k。

3 總結(jié)

綜上所述，以上正文所述各個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的構(gòu)成，都將以擴(kuò)大單片機(jī)系統(tǒng)輸出電流為目的。但是，很多有關(guān)IC輸出端口都會(huì)存在一些如擴(kuò)充電流輸出性能等問(wèn)題。該文所列電路均可通用。筆者所介紹的8050三極管和8550三極管均可輸出1500毫安電流，如需更大的輸出電流，僅需更換其他相應(yīng)型號(hào)的三極管即可。

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