图1三极管控制电路图
图1里所示,当IO口输出高电平5V时,三极管导通,OUT输出低电平0V,当IO口输出低电平时,三极管截止,OUT则由于上拉电阻R2的作用而输出12V的高电平,这样就实现了低电压控制高电压的工作原理。
所谓的驱动,主要是指电流输出能力。我们再来看这两个图之间的对比
图2LED小灯对比示意图
图2中上边的LED灯,和我们第二课讲过的LED灯是一样的,当IO口是高电平时,小灯熄灭,当IO口是低电平时,小灯点亮。
下边那个图呢,按照这种推理,IO口是高电平的时候,应该有电流流过并且点亮小灯,但是实际并非如此。
单片机主要是个控制器件,具备四两拨千斤的特点。就如同杠杆必须有一个支点一样,想要撑起整个地球必须有力量承受的支点。单片机的IO口可以输出一个高电平,但是他的输出电流很有限,普通IO口输出高电平的时候,大概只有几十到几百uA的电流,达不到1mA,也就点不亮这个LED小灯或者亮度很低,这个时候如果我们想高电平点亮LED,用上三极管就可以这样来处理,我们板上的这种型号,可以通过500mA的电流,有的三极管通过的电流还更大一些,如图3所示。
图3三极管驱动LED小灯
图3中,当IO口是高电平,三极管导通,因为三极管的电流放大作用,c极电流就可以达到mA以上了,就可以成功点亮LED小灯。
虽然我们用了IO口的低电平可以直接点亮LED,但是单片机的IO口作为低电平,输入电流就可以很大吗?这个我想大家都能猜出来,当然不可以。单片机的IO口电流承受能力,不同型号不完全一样,就STC89C52来说,官方手册的81页有对电气特性的介绍,整个单片机的工作电流,不要超过50mA,单个IO口总电流不要超过6mA。即使一些增强型51的IO口承受电流大一点,可以到25mA,但是还要受到总电流50mA的限制。那我们来看电路图的8个LED小灯的这个部分电路,如图4所示。
图4LED电路图(一)
4图示这里我们要学会看电路图的一个知识点,大家注意看,电路图右侧所有的LED下侧的线最终都连到一根黑色的粗线上去了,大家注意,这个地方不是实际的完全连到一起,而是一种总线的画法,画了这种线以后,表示这是个总线结构,所有的名字一样的是一一对应的连接到一起,其他名字不一样的,是不连到一起的。比如左侧的DB0和右侧的最左边的LED2小灯下边的DB0是连在一起的,而和DB1等其他线不是连在一起的。
那么我们把4电路图里的我们现在需要讲的这部分再摘出来看。
图5LED电路图(二)
大家通过5的电路图来计算一下,5V的电压减去LED本身的压降,减掉三极管e和c之间的压降,限流电阻用的是330欧,那么每条支路的电流大概是8mA,那么8路LED如果全部同时点亮的话电流总和就是64mA。这样如果直接接到单片机的IO口,那单片机肯定是承受受不住的,即使短时间可以承受,长时间工作就会不稳定,甚至导致单片机烧毁。
有的同学会提出来可以加大限流电阻的方式来降低这个电流。比如改到1K,那么电流不到3mA,8路总的电流就是20mA左右。首先,降低电流会导致LED小灯亮度变弱,小灯的亮度可能关系不大,因为我们同样的电路接了数码管,后边我们要讲数码管还要动态显示,如果数码管亮度不够的话,那视觉效果就会很差,所以降低电流的方法并不可取;其次,对于单片机来说,他主要是起到控制作用,电流输入和输出的能力相对较弱,P0的8个口总电流也有一定限制,所以如果接一两个LED小灯观察,可以勉强直接用单片机的IO口来接,但是接多个小灯,从实际工程的角度去考虑,就不推荐直接接IO口了。那么我们如果要用单片机控制多个LED小灯该怎么办呢?
除了三极管之外,其实还有一些驱动IC,这些驱动IC可以作为单片机的缓冲器,仅仅是电流驱动缓冲,不起到任何逻辑控制的效果,比如我们板子上用的74HC245D这个芯片,这个芯片在逻辑上起不到什么别的作用,就是当做电流缓冲器的,我们通过查看其数据手册,74HC245稳定工作在70mA电流是没有问题的,比单片机的8个IO口大多了,所以我们可以把他接在小灯和IO口之间做缓冲,如图6所示
图674HC245功能图
从图6我们来分析,其中VCC和GND就不用多说了,细心的同学会发现这里有个0.1uF的去耦电容噢。
74HC245是个双向缓冲器,1引脚DIR是方向引脚,当这个引脚接高电平的时候,右侧所有的B编号的电压都等于左侧A编号对应的电压。比如A0是高电平,那么B0就是高电平,A1是低电平,B1就是低电平等等。如果DIR引脚接低电平,得到的效果是左侧A编号的电压都会等于右侧B编号对应的电压。因为我们这个地方控制端是左侧接的是P0口,所以我们要求B等于A的状态,所以1脚我们直接接的高电平。图6中还有一排电阻R10到R17是上拉电阻,这个电阻的用法我们在后边介绍。
还有最后一个使能引脚19脚OE,这个引脚上边有一横,表明是低电平有效,当接了低电平后,74HC245就会按照刚才上边说的起到双向缓冲器的作用,如果OE接了高电平,那么无论DIR怎么接,A和B的引脚是没有关系的,也就是74HC245功能不能实现出来。
从我们的电路图7可以看出来,我们的P0口和74HC245的A端是直接接起来的。这个地方,有个别同学有一个疑问,就是我们明明在电源VCC那地方加了一个三极管驱动了,为何还要再加245驱动芯片呢。这里大家要理解一个道理,电路上从正极经过器件到地,首先必须有电流才能正常工作,电路中任何一个位置断开,都不会有电流,器件也就不会参与工作了。其次,和水流一个道理,从电源正极到负极的电流水管的粗细都要满足要求,任何一个位置的管子过细,都会出现瓶颈效应,电流在整个通路中细管处会受到限制而降低,所以在电路通路的每个位置上,都要保证足够通道足够畅通,这个245的作用就是消除单片机IO这一环节的瓶颈。
图7单片机和74HC245接口