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单片机小白学步(23) IO口原理知识补充:双向IO口、互补推挽、高阻态

单片机小白学步 1,327℃ 0 3年前 (2014-11-25)

由于之前考虑不周,本篇在IO口原理知识的基础上,进一步补充一些知识。

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双向IO口的输出:互补推挽

在51单片机的P0口工作在普通IO口模式下,为准双向IO口。而工作在第二功能状态下时,则为标准的双向IO口。由于双向IO口的输出,要求能输出高低电平,通常会采用互补推挽电路。

在第二功能状态下,51单片机P0口采用的是互补推挽的输出方式。何为互补推挽呢?下面是它的等效电路图。

当P0第二功能作为输出时,K1和K2两个开关轮流打开。K2闭合K1打开,就会输出高电平,并且其驱动能力很大,因为电子开关的阻值小(不像上拉电阻的值那么大)。反之K2打开,K1闭合,就会输出低电平。

两个开关交替导通,互为补充,“挽”是“拉”的意思,两个电子开关分别负责在IO口输出处“推”和“拉”电流,所以称为互补推挽。

这种IO口结构的优点很明显,驱动能力强,稳定可靠。缺点在于实现起来比较困难。在切换输出电平的过程中,例如从低电平切换到高电平,当K1断开时,要求尽可能快的输出高电平,也就是K2应该立即闭合;同时,如果K1还没断开,K2就提前闭合了,相同于两个开关同时导通,会直接短路,后果又会很严重。所以需要用电路控制好两个开关的协调工作。

双向IO口的输入:高阻态、输入电阻

双向IO口的输出,只要求能输出高低电平,因此并不是必须采用互补推挽电路。而采用互补推挽电路的好处在于,这种电路同时又可以实现高阻态的输入,从而实现标准双向IO口。

当图中的K1和K2同时断开时,IO口就可以工作在高阻态的输入状态下。高阻态到底是什么样的一个概念呢?

当IO口处于高阻态时,也将其称为浮空输入状态,其电平是悬浮不定的,既不是高电平也不是低电平。我们可以想象单片机在检测IO口的电平高低时,相当于在CPU里面有一个类似电压表的东西,并且这个电压表内阻很大,例如图中给出的100MΩ。在这里,我们可以把这个电压表的内阻称为P0.0口此时的输入电阻(也可以近似认为是输出阻抗,电阻是对直流电而言,而阻抗是对交流电来说的。这是模拟电路的知识,这里不做细说)。

现在试想,如果我不小心用手碰到了P0.0端口,而由于人体本身就是阻值很大的导体,周围有很多电磁波干扰,手上可能存在一些很微弱的电流,这个时候,电压表的读数就会发生变化,单片机读取的电平高低就会变。高阻态表现出来的结果就是外界很小的干扰,都可能导致读取的电平变化,甚至即使没有碰这个IO口,它每次读取的结果也可能不一样,因为外界的电磁波等可能会干扰到IO口。稍后我们会利用51单片机做个实验,来体验P0口的高阻态。

高阻态的意义、输出电阻

为什么双向IO口输入的时候要求是高阻态呢?

我们假设有一种装置,等效电路如下图。开关上下切换,它就会输出高低电平,通过电压表可以检测出来。但是其驱动能力很弱,连LED也驱动不了。装置里的100kΩ,可以叫做装置的输出电阻(同样也可以近似认为是输出阻抗)。

让这个装置输出低电平,然后连接51单片机的P1.0口。这时,VCC经过10kΩ上拉电阻到达IO口,再到装置内部的100kΩ电阻,通过开关K接到GND。根据分压原理,P1.0上的电压值大概是4.55V,于是单片机读取的是高电平。而事实是,装置想输出低电平告知51单片机。这里单片机管脚作为输入功能,却干扰了外界装置的输出值,相当于单片机的这个IO口也在输出。

当单片机的P0口工作在第二功能的输入状态,或者工作在普通IO口的输入状态,且没有外界上下拉电阻,内部的两个电子开关都是断开的,对外部呈现高阻态。从图中可以看出,装置输出的电平能被准确的读取到单片机中。之所以能准确读取,就是因为装置输出电阻比单片机IO口的输入电阻要小。

有人可能会说,如果把装置中的电阻换成1000MΩ,这个时候这个单片机又不能准确读取电平了。但是一般情况下,我们不需要考虑这么极端。如果是理想的高阻态,其输入阻抗应该是无穷大,而这有点像超导体一样比较特殊。一般情况下认为导线电阻几乎为0,同样也认为高阻态输入电阻是无穷大。

总的来说,就是高阻态情况下,IO口输入电阻很大,而不容易干扰那些输出电阻较大、驱动能力弱的装置输出到IO口上的电平。

用51单片机体验高阻态

编写程序如下:

#include reg52.h

sbit TOUCH = P0^0;

sbit LED = P1^0;

void main()

{

    TOUCH = 1;

    while(1) {

        LED = TOUCH;

    }

}

电路方面,LED接在P1.0端口,仍然是采用灌电流的方式,低电平有效。P0.0什么都不要接。特别注意,这个实验必须在P0.0什么都没接的情况下才能进行。很多成品开发板上,P0.0都连接了外部上拉电阻,没法做这个实验,建议自己搭建面包板。

程序烧写好之后,理论上来说,TOUCH管脚作为高阻态输入,电平是不确定的,因此LED的亮灭也是不定的。我在实际实验时,P0.0悬空的情况下,LED是一直点亮的,这可能是因为51单片机的高阻态和理想的高阻态还有一点差距,读取P0.0的电平为低。

当把手指或很大的电阻放在P0.0和VCC之间,就会发现LED熄灭了,或者变暗了(变暗了说明LED在闪烁,只是闪烁的很快所以看不出来,就像交流电驱动的白炽灯一样)。手指的电阻很大,如果是P1.0口,或者在P0.0上外接了上拉或下拉电阻,这时通过手指很难改变其电平状态。而由于是高阻态,所以P0.0原先的低电平,通过手指从VCC传过来的很微弱的电流就变成了高电平。

备注1:考虑到不同人的皮肤电阻不一样,不能保证用手指接触都能实现LED亮灭变化。如果没有效果,可以尝试用较大电阻(例如100kΩ)代替手指进行实验。

备注2:如果你通电的时候发现LED原先是熄灭的,说明P0.0读取到的是高电平,则应该用两个手指分别放在P0.0和GND上,使得电平变化,LED点亮。当然LED不亮还有一种可能是,你的程序没有被执行,可能是单片机最小系统电路出现了问题,或者程序写错了。

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《单片机小白学步》系列教程(原名《单片机入门指南》)介绍

本系列教程从最基本的入门知识开始,逐步深入介绍单片机系统设计,内容包括:
1、入门篇:单片机等基本概念、各种电子设计基本知识
2、思想篇:单片机/计算机系统设计的工程思想
3、学习篇:单片机学习过程、方法和技巧,以51单片机为例介绍,并推广到其他单片机
4、应用篇:遵循规范的工程方法,设计单片机系统实例(计划设计的系统有:计算器、电子表、密码锁、简易手机,具体看有没有时间再确定)
5、原理篇:从模拟电路、数字电路开始,逐步深入介绍单片机/计算机系统原理,并自行设计简易的CPU(由于个人水平有限,这部分没有把握写好,具体内容视情况而定)

教程特点

1、技术知识点全面,从入门到精通

包含了各种基本知识,尤其是对单片机基本概念的介绍、为什么要用单片机等,在很多同类书籍教程中都被忽略了。同时也包含了一些深入的知识,包括原理篇考虑对单片机的基本原理进行介绍,有助于深入理解单片机。

本系列教程以51单片机为例进行介绍。通过51介绍完单片机的基本知识,我会再把430进行简要介绍,尤其是对比两者之间的优缺点,让大家很快感受到430的巨大优势,而学习51正好为快速了解430打下了坚实的基础。

2、除了单片机知识,还有思想、方法、技巧的介绍

本系列教程中,介绍单片机各种模块编程知识的主要是学习篇,而学习篇只是整个教程的一部分。在学习篇中我会贯穿各种方法技巧,如何理解一些模块功能,怎么看时序图,严格遵守工程思想进行编程,程序发生了错误怎么调试等等。而在思想篇中会总体介绍很多重要的思想,为后面的学习做好准备工作。

3、知识先后顺序的设计

单片机学习过程中,涉及大量的知识,而且很多知识之间相互依赖,关联很强。

本系列教程对知识的先后顺序进行比较明确的规划,尽最大可能符合人的认知过程。但是实际规划时发现,无论怎么调整知识的顺序,总有一些知识之间相互依赖,关系复杂。例如开始讲IO口的时候肯定会提到寄存器,而寄存器这个词的理解,需要深厚的背景知识。但是这些背景知识在没有进行实践的时候也很难理解。

初学者常常就会在这样的地方感觉疑惑不解,不知所措。而每次遇到类似这样的知识,我会向初学者指出,应该如何对待。这个知识是应该自己去学习补充,还是等到学完原理篇再做理解,而现在又应该怎么去看待这个名词。

另外,在整个教程的学习前,需要掌握一定的C语言等基础知识,具体可参考教程第〇篇《序》中的相关说明
http://www.paincker.com/mcu-primer-0

4、语言通俗易懂

本系列教程力求语言通俗易懂,而不会用一堆新手不懂的词语去解释另一个不懂的词语。但是受限于个人语言表达能力,可能有些地方表述的比较繁琐,或者不清楚,希望大家能够帮忙指出。

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