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上拉电阻
谈谈AT89S51的上拉电阻问题
2008-10-2611:
26
很多网友都问我AT89S51的P0口为什么要接一个上拉电阻。
我就用一个篇幅来说一说
P0口和其它三个口的内部电路是不同的，如下图
P0口是接在两个三极管D0和D1之间的，而P1－P3口的上部是接一个电阻的。
P0口的上面那个三极管D0是在进扩展存储器或扩展总线时使用MOVX指令时才会控制它的导通和截止，在不用此指令时都是截止的。
在平常我们使用如：
P0_1=0 P0_1=1这些语句时控制的都是下面那个三极管D1。
我们先假设P1口接一个74HC373，来看一看它的等效图
当AT89S51的P1口上接了74HC373后就等于接了一个负载，如上图右边。
一般来说这些数字电路的输入阻抗都很大，都在几百K到上兆欧姆，而P1口内的电阻R一般在几十K以内。
如上图，当我们发出指令P1＝0时，三极管D导通，见中间的等效图，这时P1点的电位为0。
当发出P1＝1的指令后，三极管D截止，见右边等效图，因为Rx的阻值要比R的阻值大得多，因此P1点的电位是接近电源电压的。
即高电平。
我们再来看看P0口接负载时的图
当P0＝0时，等效图是中间的，三极管D1导通，P0点的电位为0。
而当P0＝1时，等效图是右边的，三极管D1截止，而上面的三极管D0始终是截止的，这样P0点就等效于悬空了，它处在不稳定状态，P0点又是RX的高阻抗输入点，很容易受到外界和周围电路的干扰从而直接影响到74HC373的输出状态。
因此就得加上个电阻。
如下图
加上电阻Rc后，电路的状态就和P1口一样了，这个电阻Rc就是上拉电阻。
但你如果只是为了让P0口驱动个发光管，那电路可以直接简化成下图那样。
S51内部的电流最好不超过15mA，如果发光管的电压为2.2V那电阻就是（5-2.2）÷15＝0.18K，也就是180欧姆。
当P0＝0时P0点为低电位，发光管亮起，流过D1的电流约为15mA。
当P0＝1时，P0点为悬空，但发光管和180欧电阻都是低阻抗元件，P点电位就为高电位，再说也无任何输出影响，因此这样电路是可以的。
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23、补一堂通俗的电子基础课
2009-05-1614:
08
很多初学单片机的网友都问过我，关于如何确定数码管的限流电阻问题。
我想这是对电路不理解造成的。
因此在这就用最通俗的方法说说基础的电子知识。
首先就说说三极管，实际上只要你了解了三极管的特性对你使用单片机就顺手很多了。
大家其实也都知道三极管具有放大作用，但如何去真正理解它却是你以后会不会使用大部分电子电路和IC的关键。
我们一般所说的普通三极管是具有电流放大作用的器件。
其它的三极管也都是在这个原理基础上功能延伸。
三极管的符号如下图左边，我们就以NPN型三极管为例来说说它的工作原理。
它就是一个以b（基极）电流Ib来驱动流过CE的电流Ic的器件，它的工作原理很像一个可控制的阀门。
左边细管子里蓝色的小水流冲动杠杆使大水管的阀门开大，就可允许较大红色的水流通过这个阀门。
当蓝色水流越大，也就使大管中红色的水流更大。
如果放大倍数是100，那么当蓝色小水流为1千克/小时，那么就允许大管子流过100千克/小时的水。
三极管的原理也跟这个一样，放大倍数为100时，当Ib（基极电流）为1mA时，就允许100mA的电流通过Ice。
我这么说大家能理解吗？
这个原理大家可能也都知道，但是把它用在电路里的状况能理解，那单片机的运用就少了一大障碍了。
最常用的连接如下图。
我们来分析一下这个电路，如果它的放大倍数是100，基极电压我们不计。
基极电流就是10V÷10K＝1mA，集电极电流就应该是100mA。
根据欧姆定律，这样Rc上的电压就是0.1A×50Ω＝5V。
那么剩下的5V就吃在了三极管的C、E极上了。
好！
现在我们假如让Rb为1K，那么基极电流就是10V÷1K＝10mA，这样按照放大倍数100算，Ic就是不是就为1000mA也就是1A了呢？
假如真的为1安，那么Rc上的电压为1A×50Ω＝50V。
啊？
50V！
都超过电源电压了，三极管都成发电机了吗？
其实不是这样的。
见下图：
我们还是用水管内流水来比喻电流，当这个控制电流为10mA时使主水管上的阀开大到能流过1A的电流，但是不是就能有1A的电流流过呢？
不是的，因为上面还有个电阻，它就相当于是个固定开度的阀门，它串在这个主水管的上面，当下面那个可控制的阀开度到大于上面那个固定电阻的开度时，水流就不会再增大而是等于通过上面那个固定阀开度的水流了，因此，下面的三极管再开大开度也没有用了。
因此我们可以计算出那个固定电阻的最大电流10V÷50Ω＝0.2A也就是200mA。
就是说在电路中三极管基极电流增大集电极的电流也增大，当基极电流Ib增大到2mA时，集电极电流就增大到了200mA。
当基极电流再增大时，集电极电流已不会再增大，就在200mA不动了。
此时上面那个电阻也就是起限流作用了。
下面我们来理解单片机内的IO的状况：
在单片机内有P1－P3的24个IO口的电路都如上图那样。
平常我们用电子电路的目的是最终让目标器件工作，例如让发光二极管亮起来，让电机正常转起来，从根本上说就是让这些器件获得一定的电流让它做功。
例如要让发光二极管亮一般就需要1mA以上的电流。
但是，单片机是智能芯片，它可以通过检测各IO口的电压值来做出逻辑分析和判断，并能输出高或低电压作为结果信号，因此可以看出，单片机的各IO口注重的是所产生的电压而不是流过R和三极管的电流。
那么单片机内IO口的电压和电流的关系又是怎么样的呢？
我们还是用水管流水的例子来说明。
假设我们让R的这个阀开的较大，让下面那个控制阀全关，这时如图1所示可以看出P点的压力就是水箱的压力。
当我们将下面的控制阀全开，如图2所示，则水将以很大的水流流过管线，而此时P点的压力为0。
这个原理和电子电路很相似。
通过三极管的关闭或开大来使输出点P测得的逻辑量为1（电源电压）或0（0电位）。
但这个过程有一个问题，就是当需要P点输出为0时，三极管将开得很大，流过的电流很大，单片机上有32个IO口，这样消耗的电能就很多。
有没有办法改进呢？
有！
见下图：
见图3，如果我们将上面那个阀门R关得很小，将下面的控制阀全关，这时P点的压力仍旧会是水箱的压力，和上面图1是一样的。
但当我们将控制阀开大时，如图4，P点的压力虽然也同样为0，但这时通过的水流就大大减少了。
这样我们既能输出1或者0。
但消耗的水却很少。
单片机里的电路正是这样做的，它上面的电阻R大约为50K，最大电流是5V÷50K＝0.1mA。
也就是说，当P输出1时，不消耗电流，当P输出0时消耗的电流为0.1mA。
正因为它的上拉电阻R很大，因此对于初学者来说，要它直接驱动发光管或其它的负载就要有一定的方法技巧了。
这里我再和大家一起分析一下IO口外接负载时的各种情况。
我们先来看看接TTL器件的情况，当P1.0接到74HC373的一个输入脚上时，因为TTL器件的输入阻抗很高，大约几百K到M欧姆级。
这就相当于P1.0接了个500K（我们假设为500K）的电阻到地。
这样当三极管导通时，P1.0点为低电平，0.1mA的电流经Rc然后流过三极管一地，Ri上没有电流流过。
而当三极管截止后，电流就由Rc流过再通过Ri流到地。
由于电阻分压的作用，在Rc和Ri上各有部分电压，P1.0点的电压为Rc和Ri的分压。
总电流＝5V÷（50K＋500K）＝0.009mA，则P1.0点的电压＝0.009mA×500K=4.5V。
TTL规定输出2.4－5V为高电平；输出0.4－0为低电平。
因此这样接是正确的。
下面我们再来看看用S51来驱动发光管的情况。
先来看看图7的情况，很显然，发光管的方向为上正下负，只有P1.0为高电位才能点亮发光管，要让S51的P1.0为高电位，就必须使三极管截止。
当三极管截止后，电流经Rc流到发光管再从发光管流到地。
要让发光管导通必须要在发光管两端有超过2.1V的门坎电压。
因此流过发光管的电流＝（5V－2.1V）÷50K＝0.058mA的电流，你们说发光管能亮吗？
再来看图8。
由图可以看出，要想让发光管导通P1.0就必须为低电位。
那P1.0口的三极管必须得导通。
当三极管一导通后，电流一路流过Rc到三极管再从三极管流到地。
另一路在发光管上消耗掉2.1V的电压。
然后一路几乎没有阻力地流过三极管，而IO口的三极管最大电流不能超过15mA，超了就会烧坏三极管，因此这个接法不正确。
那么如何才能让这两种接法都可以驱动发光管呢。
见下图：
先看图9，在P1.0端和Vcc间接上个电阻Ri。
当三极管导通时有两路电流都要从它的CE极流过，一路是内部R上的0.1mA电流，另一路就是Ri上的电流，为了不让三极管过流而烧坏我们就要确定它的电阻值。
Ri=5V÷15mA＝0.333K，就大约是330欧姆。
这时流过三极管的电流就大约为15mA，此时发光管是不亮的。
当三极管截止后，这两路电流就都要从发光管流过了，这时流过发光管的电流是多少呢。
S51的内部电阻上流过的电流为（5V－2.1V）÷50K＝0.06mA，很小我们可以忽略不计了。
流过Ri上的电流为（5V－2.1V）÷330Ω＝0.0087A，也就是8.7mA。
已经能让发光管比较亮了。
这样驱动是可以的，但发现没有，发光管不亮时所消耗的电流比发光管点亮时消耗的电流还要大。
如果用许多个IO口去点亮很多发光管的话这样的电路就不经济了。
好！
这就是P1.0高电平直接驱动发光管的状况。
再来看图10，在和发光管串联一个电阻后接在Vcc和P1.0之间。
当三极管导通时，也是两路电流都汇合后从三极管的CE流过，内部电阻上的电流仍为0.1mA，发光管上的电流就要由电阻Ri和发光管共同来保证不让三极管的CE超过15mA，则电阻的确定为（5V－2.1V）÷15mA＝0.193K，大约是200欧姆。
这样流过发光管的电流就约为15mA，发光管比较亮了。
当三极管截止后，就阻断了这两路电流的通路，因此不消耗电流。
这个电路是P1.0低电平直接驱动发光管的状况，可以看出这个电路当发光管被点亮时消耗15mA的电流，而熄灭时就不消耗电流，因此这个电路是最适合用的。
S51直接驱动数码管一般也都是采用这个电路原理。
下面是数码管的原理图：
下图是数码管的电路图。
（点击看大图）
这些原理呢都非常基础的，也许我说的太罗嗦，但我想，对于初学者还是有帮助的。
不妥之处不要客气。
尽管拍砖，不过下手有点数，别让我进医院那么狠就行。
。
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