單片機小白學(xué)步(23) IO口原理知識補充：雙向IO口 互補推挽

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雙向IO口的輸出：互補推挽

在51單片機的P0口工作在普通IO口模式下，為準雙向IO口。而工作在第二功能狀態(tài)下時(shí)，則為標準的雙向IO口。由于雙向IO口的輸出，要求能輸出高低電平，通常會(huì )采用互補推挽電路。

在第二功能狀態(tài)下，51單片機P0口采用的是互補推挽的輸出方式。何為互補推挽呢？下面是它的等效電路圖。

當P0第二功能作為輸出時(shí)，K1和K2兩個(gè)開(kāi)關(guān)輪流打開(kāi)。K2閉合K1打開(kāi)，就會(huì )輸出高電平，并且其驅動(dòng)能力很大，因為電子開(kāi)關(guān)的阻值?。ú幌?strong>上拉電阻的值那么大）。反之K2打開(kāi)，K1閉合，就會(huì )輸出低電平。

兩個(gè)開(kāi)關(guān)交替導通，互為補充，“挽”是“拉”的意思，兩個(gè)電子開(kāi)關(guān)分別負責在IO口輸出處“推”和“拉”電流，所以稱(chēng)為互補推挽。

這種IO口結構的優(yōu)點(diǎn)很明顯，驅動(dòng)能力強，穩定可靠。缺點(diǎn)在于實(shí)現起來(lái)比較困難。在切換輸出電平的過(guò)程中，例如從低電平切換到高電平，當K1斷開(kāi)時(shí)，要求盡可能快的輸出高電平，也就是K2應該立即閉合；同時(shí)，如果K1還沒(méi)斷開(kāi)，K2就提前閉合了，相同于兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導通，會(huì )直接短路，后果又會(huì )很?chē)乐?。所以需要用電路控制好兩個(gè)開(kāi)關(guān)的協(xié)調工作。

雙向IO口的輸入：高阻態(tài)、輸入電阻

雙向IO口的輸出，只要求能輸出高低電平，因此并不是必須采用互補推挽電路。而采用互補推挽電路的好處在于，這種電路同時(shí)又可以實(shí)現高阻態(tài)的輸入，從而實(shí)現標準雙向IO口。

當圖中的K1和K2同時(shí)斷開(kāi)時(shí)，IO口就可以工作在高阻態(tài)的輸入狀態(tài)下。高阻態(tài)到底是什么樣的一個(gè)概念呢？

當IO口處于高阻態(tài)時(shí)，也將其稱(chēng)為浮空輸入狀態(tài)，其電平是懸浮不定的，既不是高電平也不是低電平。我們可以想象單片機在檢測IO口的電平高低時(shí)，相當于在CPU里面有一個(gè)類(lèi)似電壓表的東西，并且這個(gè)電壓表內阻很大，例如圖中給出的100MΩ。在這里，我們可以把這個(gè)電壓表的內阻稱(chēng)為P0.0口此時(shí)的輸入電阻（也可以近似認為是輸出阻抗，電阻是對直流電而言，而阻抗是對交流電來(lái)說(shuō)的。這是模擬電路的知識，這里不做細說(shuō)）。

現在試想，如果我不小心用手碰到了P0.0端口，而由于人體本身就是阻值很大的導體，周?chē)泻芏嚯姶挪ǜ蓴_，手上可能存在一些很微弱的電流，這個(gè)時(shí)候，電壓表的讀數就會(huì )發(fā)生變化，單片機讀取的電平高低就會(huì )變。高阻態(tài)表現出來(lái)的結果就是外界很小的干擾，都可能導致讀取的電平變化，甚至即使沒(méi)有碰這個(gè)IO口，它每次讀取的結果也可能不一樣，因為外界的電磁波等可能會(huì )干擾到IO口。稍后我們會(huì )利用51單片機做個(gè)實(shí)驗，來(lái)體驗P0口的高阻態(tài)。

高阻態(tài)的意義、輸出電阻

為什么雙向IO口輸入的時(shí)候要求是高阻態(tài)呢？

我們假設有一種裝置，等效電路如下圖。開(kāi)關(guān)上下切換，它就會(huì )輸出高低電平，通過(guò)電壓表可以檢測出來(lái)。但是其驅動(dòng)能力很弱，連LED也驅動(dòng)不了。裝置里的100kΩ，可以叫做裝置的輸出電阻（同樣也可以近似認為是輸出阻抗）。

讓這個(gè)裝置輸出低電平，然后連接51單片機的P1.0口。這時(shí)，VCC經(jīng)過(guò)10kΩ上拉電阻到達IO口，再到裝置內部的100kΩ電阻，通過(guò)開(kāi)關(guān)K接到GND。根據分壓原理，P1.0上的電壓值大概是4.55V，于是單片機讀取的是高電平。而事實(shí)是，裝置想輸出低電平告知51單片機。這里單片機管腳作為輸入功能，卻干擾了外界裝置的輸出值，相當于單片機的這個(gè)IO口也在輸出。

當單片機的P0口工作在第二功能的輸入狀態(tài)，或者工作在普通IO口的輸入狀態(tài)，且沒(méi)有外界上下拉電阻，內部的兩個(gè)電子開(kāi)關(guān)都是斷開(kāi)的，對外部呈現高阻態(tài)。從圖中可以看出，裝置輸出的電平能被準確的讀取到單片機中。之所以能準確讀取，就是因為裝置輸出電阻比單片機IO口的輸入電阻要小。

有人可能會(huì )說(shuō)，如果把裝置中的電阻換成1000MΩ，這個(gè)時(shí)候這個(gè)單片機又不能準確讀取電平了。但是一般情況下，我們不需要考慮這么極端。如果是理想的高阻態(tài)，其輸入阻抗應該是無(wú)窮大，而這有點(diǎn)像超導體一樣比較特殊。一般情況下認為導線(xiàn)電阻幾乎為0，同樣也認為高阻態(tài)輸入電阻是無(wú)窮大。

總的來(lái)說(shuō)，就是高阻態(tài)情況下，IO口輸入電阻很大，而不容易干擾那些輸出電阻較大、驅動(dòng)能力弱的裝置輸出到IO口上的電平。

用51單片機體驗高阻態(tài)

編寫(xiě)程序如下：

#include reg52.h

sbit TOUCH = P0^0;

sbit LED = P1^0;

void main()

{

TOUCH = 1;

while(1) {

LED = TOUCH;

}

}

電路方面，LED接在P1.0端口，仍然是采用灌電流的方式，低電平有效。P0.0什么都不要接。特別注意，這個(gè)實(shí)驗必須在P0.0什么都沒(méi)接的情況下才能進(jìn)行。很多成品開(kāi)發(fā)板上，P0.0都連接了外部上拉電阻，沒(méi)法做這個(gè)實(shí)驗，建議自己搭建面包板。

程序燒寫(xiě)好之后，理論上來(lái)說(shuō)，TOUCH管腳作為高阻態(tài)輸入，電平是不確定的，因此LED的亮滅也是不定的。我在實(shí)際實(shí)驗時(shí)，P0.0懸空的情況下，LED是一直點(diǎn)亮的，這可能是因為51單片機的高阻態(tài)和理想的高阻態(tài)還有一點(diǎn)差距，讀取P0.0的電平為低。

當把手指或很大的電阻放在P0.0和VCC之間，就會(huì )發(fā)現LED熄滅了，或者變暗了（變暗了說(shuō)明LED在閃爍，只是閃爍的很快所以看不出來(lái)，就像交流電驅動(dòng)的白熾燈一樣）。手指的電阻很大，如果是P1.0口，或者在P0.0上外接了上拉或下拉電阻，這時(shí)通過(guò)手指很難改變其電平狀態(tài)。而由于是高阻態(tài)，所以P0.0原先的低電平，通過(guò)手指從VCC傳過(guò)來(lái)的很微弱的電流就變成了高電平。

備注1：考慮到不同人的皮膚電阻不一樣，不能保證用手指接觸都能實(shí)現LED亮滅變化。如果沒(méi)有效果，可以嘗試用較大電阻（例如100kΩ）代替手指進(jìn)行實(shí)驗。

備注2：如果你通電的時(shí)候發(fā)現LED原先是熄滅的，說(shuō)明P0.0讀取到的是高電平，則應該用兩個(gè)手指分別放在P0.0和GND上，使得電平變化，LED點(diǎn)亮。當然LED不亮還有一種可能是，你的程序沒(méi)有被執行，可能是單片機最小系統電路出現了問(wèn)題，或者程序寫(xiě)錯了。

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《單片機小白學(xué)步》系列教程（原名《單片機入門(mén)指南》）介紹

本系列教程從最基本的入門(mén)知識開(kāi)始，逐步深入介紹單片機系統設計，內容包括：
1、入門(mén)篇：?jiǎn)纹瑱C等基本概念、各種電子設計基本知識
2、思想篇：?jiǎn)纹瑱C/計算機系統設計的工程思想
3、學(xué)習篇：單片機學(xué)習過(guò)程、方法和技巧，以51單片機為例介紹，并推廣到其他單片機
4、應用篇：遵循規范的工程方法，設計單片機系統實(shí)例（計劃設計的系統有：計算器、電子表、密碼鎖、簡(jiǎn)易手機，具體看有沒(méi)有時(shí)間再確定）
5、原理篇：從模擬電路、數字電路開(kāi)始，逐步深入介紹單片機/計算機系統原理，并自行設計簡(jiǎn)易的CPU（由于個(gè)人水平有限，這部分沒(méi)有把握寫(xiě)好，具體內容視情況而定）

教程特點(diǎn)

1、技術(shù)知識點(diǎn)全面，從入門(mén)到精通

包含了各種基本知識，尤其是對單片機基本概念的介紹、為什么要用單片機等，在很多同類(lèi)書(shū)籍教程中都被忽略了。同時(shí)也包含了一些深入的知識，包括原理篇考慮對單片機的基本原理進(jìn)行介紹，有助于深入理解單片機。

本系列教程以51單片機為例進(jìn)行介紹。通過(guò)51介紹完單片機的基本知識，我會(huì )再把430進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，尤其是對比兩者之間的優(yōu)缺點(diǎn)，讓大家很快感受到430的巨大優(yōu)勢，而學(xué)習51正好為快速了解430打下了堅實(shí)的基礎。

2、除了單片機知識，還有思想、方法、技巧的介紹

本系列教程中，介紹單片機各種模塊編程知識的主要是學(xué)習篇，而學(xué)習篇只是整個(gè)教程的一部分。在學(xué)習篇中我會(huì )貫穿各種方法技巧，如何理解一些模塊功能，怎么看時(shí)序圖，嚴格遵守工程思想進(jìn)行編程，程序發(fā)生了錯誤怎么調試等等。而在思想篇中會(huì )總體介紹很多重要的思想，為后面的學(xué)習做好準備工作。

3、知識先后順序的設計

單片機學(xué)習過(guò)程中，涉及大量的知識，而且很多知識之間相互依賴(lài)，關(guān)聯(lián)很強。

本系列教程對知識的先后順序進(jìn)行比較明確的規劃，盡最大可能符合人的認知過(guò)程。但是實(shí)際規劃時(shí)發(fā)現，無(wú)論怎么調整知識的順序，總有一些知識之間相互依賴(lài)，關(guān)系復雜。例如開(kāi)始講IO口的時(shí)候肯定會(huì )提到寄存器，而寄存器這個(gè)詞的理解，需要深厚的背景知識。但是這些背景知識在沒(méi)有進(jìn)行實(shí)踐的時(shí)候也很難理解。

初學(xué)者常常就會(huì )在這樣的地方感覺(jué)疑惑不解，不知所措。而每次遇到類(lèi)似這樣的知識，我會(huì )向初學(xué)者指出，應該如何對待。這個(gè)知識是應該自己去學(xué)習補充，還是等到學(xué)完原理篇再做理解，而現在又應該怎么去看待這個(gè)名詞。

另外，在整個(gè)教程的學(xué)習前，需要掌握一定的C語(yǔ)言等基礎知識，具體可參考教程第〇篇《序》中的相關(guān)說(shuō)明
http://www.paincker.com/mcu-primer-0

4、語(yǔ)言通俗易懂

本系列教程力求語(yǔ)言通俗易懂，而不會(huì )用一堆新手不懂的詞語(yǔ)去解釋另一個(gè)不懂的詞語(yǔ)。但是受限于個(gè)人語(yǔ)言表達能力，可能有些地方表述的比較繁瑣，或者不清楚，希望大家能夠幫忙指出。