單片機小白學步(23) 知識補充：雙向IO口、互補推挽、高阻態(tài)

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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，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，K1和K2兩個開關輪流打開。K2閉合K1打開，就會輸出高電平，并且其驅(qū)動能力很大，因為電子開關的阻值小（不像上拉電阻的值那么大）。反之K2打開，K1閉合，就會輸出低電平。

兩個開關交替導通，互為補充，“挽”是“拉”的意思，兩個電子開關分別負責在IO口輸出處“推”和“拉”電流，所以稱為互補推挽。

這種IO口結(jié)構(gòu)的優(yōu)點很明顯，驅(qū)動能力強，穩(wěn)定可靠。缺點在于實現(xiàn)起來比較困難。在切換輸出電平的過程中，例如從低電平切換到高電平，當K1斷開時，要求盡可能快的輸出高電平，也就是K2應該立即閉合；同時，如果K1還沒斷開，K2就提前閉合了，相同于兩個開關同時導通，會直接短路，后果又會很嚴重。所以需要用電路控制好兩個開關的協(xié)調(diào)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，這種電路同時又可以實現(xiàn)高阻態(tài)的輸入，從而實現(xiàn)標準雙向IO口。

當圖中的K1和K2同時斷開時，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概念呢？

當IO口處于高阻態(tài)時，也將其稱為浮空輸入狀態(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，相當于在CPU里面有一個類似電壓表的東西，并且這個電壓表內(nèi)阻很大，例如圖中給出的100MΩ。在這里，我們可以把這個電壓表的內(nèi)阻稱為P0.0口此時的輸入電阻（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說的。這是模擬電路的知識，這里不做細說）。

現(xiàn)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，周圍有很多電磁波干擾，手上可能存在一些很微弱的電流，這個時候，電壓表的讀數(shù)就會發(fā)生變化，單片機讀取的電平高低就會變。高阻態(tài)表現(xiàn)出來的結(jié)果就是外界很小的干擾，都可能導致讀取的電平變化，甚至即使沒有碰這個IO口，它每次讀取的結(jié)果也可能不一樣，因為外界的電磁波等可能會干擾到IO口。稍后我們會利用51單片機做個實驗，來體驗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。開關上下切換，它就會輸出高低電平，通過電壓表可以檢測出來。但是其驅(qū)動能力很弱，連LED也驅(qū)動不了。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）。

讓這個裝置輸出低電平，然后連接51單片機的P1.0口。這時，VCC經(jīng)過10kΩ上拉電阻到達IO口，再到裝置內(nèi)部的100kΩ電阻，通過開關K接到GND。根據(jù)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)，且沒有外界上下拉電阻，內(nèi)部的兩個電子開關都是斷開的，對外部呈現(xiàn)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。

有人可能會說，如果把裝置中的電阻換成1000MΩ，這個時候這個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窮大，而這有點像超導體一樣比較特殊。一般情況下認為導線電阻幾乎為0，同樣也認為高阻態(tài)輸入電阻是無窮大。

總的來說，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(qū)動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，這個實驗必須在P0.0什么都沒接的情況下才能進行。很多成品開發(fā)板上，P0.0都連接了外部上拉電阻，沒法做這個實驗，建議自己搭建面包板。

程序燒寫好之后，理論上來說，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。我在實際實驗時，P0.0懸空的情況下，LED是一直點亮的，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，就會發(fā)現(xiàn)LED熄滅了，或者變暗了（變暗了說明LED在閃爍，只是閃爍的很快所以看不出來，就像交流電驅(qū)動的白熾燈一樣）。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，這時通過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，通過手指從VCC傳過來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現(xiàn)LED亮滅變化。如果沒有效果，可以嘗試用較大電阻（例如100kΩ）代替手指進行實驗。

備注2：如果你通電的時候發(fā)現(xiàn)LED原先是熄滅的，說明P0.0讀取到的是高電平，則應該用兩個手指分別放在P0.0和GND上，使得電平變化，LED點亮。當然LED不亮還有一種可能是，你的程序沒有被執(zhí)行，可能是單片機最小系統(tǒng)電路出現(xiàn)了問題，或者程序?qū)戝e了。

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