单片机常用电路3-按键检测、LED驱动电路

在单片机入门学习中，最简单、最常见的两种入门元器件大概就是按键和LED了，围绕按键和LED可以基本上把单片机的功能学很多，例如按键可以用来学习单片机的端口输入功能、端口外部中断功能、定时/计数器的计数功能等等；而LED可以用来学习单片机的端口输出功能，定时/计数器的定时功能、PWM功能，位操作功能，电压比较器功能，以及单片机多种操作控制、流程指示等功能。

现在我们就来简单了解一下按键检测和LED驱动电路。

1、按键检测电路

图1是按键检测电路。该电路图包含两种电路：

图1 按键检测电路

一种是连接按键的单片机端口在按键未按下时，处于低电平状态，当按键按下后，单片机端口变为高电平，也就是说，当单片机端口检测到端口电平由低电平变为高电平后，可以判断为按键按下。

另一种是连接按键的单片机端口在按键未按下时，处于高电平状态，当按键按下后，单片机端口变为低电平，也就是说，当单片机端口检测到端口电平由高电平变为低电平后，可以判断为按键按下。

这种按键检测电路的缺点是没有防抖动功能，所以要实现消抖功能，必须通过单片机软件编程实现。

另外，电路中的电阻的作用是为了保护端口，避免电源直接连到单片机端口导致的烧毁端口情况发生。

2、带消抖功能的按键检测电路

图2是带消抖功能的按键检测电路，同样的，带消抖功能的按键检测电路也分为按键平时处于高电平还是低电平两种。我们以按键未按下时处于高电平，按下后处于低电平为例来了解一下电路原理。

图2 硬件消抖电路

当按键断开时，电源电压通过电阻对电容充电，电容上的电压与电源电压相等，当按键按下时，由于按键内阻很小，电容通过按键迅速放电，按键两端电压迅速降到接近0V，单片机输入端为低电平，在按键按下时，由于抖动导致按键会短时断开，电源电压经电阻对电容充电，由于电阻的阻值较大，短时间内电容充电量很少，所以电容两端电压基本不变，单片机输入端的电平也基本保持不变，从而保证了按键抖动时仍可以使单片机输入端保持稳定的低电平信号。

这种硬件消抖电路需要根据实际情况选择R和C的值，具体请参考我在头条里的文章《基于proteus的51单片机开发实例（7）--按键的检测》。

3、简单的LED驱动电路

图3是一种简单的LED驱动电路。这两个电路一个是LED发光时，电流经过LED流到单片机端口，俗称“灌电流”驱动LED，另一种是LED发光时，电流经过单片机端口流到地，俗称“拉电流”驱动LED。

图3 LED驱动电路

这种电路的缺点是：单片机的驱动能力有限，一般单片机端口驱动电流能力在10mA以下，并且单片机总的驱动电流一般不超过100mA。所以当单片机电路中电路模块较多时，可能会导致驱动能力不足，因此这种方式只适合在学习和实验时，不适合用在单片机产品中。

4、通用LED驱动电路

图4，图5是常用的LED驱动电路。在这两个电路中，单片机端口实际上相当于开关的功能，当单片机输出高（或者低）电平时，LED点亮（或者熄灭）；当单片机输出低（或者高）电平时，LED熄灭（或者点亮），驱动LED发光所需的电流由三极管提供，单片机端口只负责控制三极管的导通或者截止就可以了。

图4 LED驱动电路1

图5 LED驱动电路2

5、LED驱动芯片

现在有很多专用的LED驱动芯片，可以直接驱动多路LED，至于LED驱动芯片的电路，每种芯片有各自特点，这里就不多说了。

有继电器引发对单片机驱动能力的思考！

最近，我在用单片机制作一个简易的门禁开锁系统，用到的器件和电子模块有STM32单片机、矩阵键盘、光耦隔离继电器(12V单路)、电磁锁、RFID-RD522射频模块和指纹模块。在测试继电器的时候，发现12v的继电器触发端口的高低电平和数字电子的高低电平不是统一区分的。该继电器的高电平需要4.5v才能触发，但我使用的SM32单片机的IO口只能输出3.3v的高电平。为了测试该模块的好坏，就用了一块51单片机，这就引出了今天的话题。

在测试过程中，发现51单片机原本应该输出高电平的管脚在接了继电器模块后，电压直接被拉低到了3v。看到这个现象，就猜测造成此现象的原因应该是IO口驱动能力不足造成的。取下继电器模块，用万用表测了一下继电器的阻抗，400欧姆左右，相对来说，明显就是一个大负载。

这里介绍2个概念：拉电流和灌电流。

拉电流：IO口输出端向外界提供电流。相当于外界将电流从IO口拉向自己。

灌电流：IO口输出端从外界吸收电流。相当于外界将电流注入IO口。

单片机的数据手册上标明了每个端口的驱动能力，51单片机的端口最大的灌电流才6mA。6mA什么概念？6mA的驱动电流要使负载达到5v电压需要多大的负载？根据欧姆定律，至少需要接近1K的电阻。而上述继电器的阻值才400欧姆左右，当然输出达不到5v。

IO口驱动能力理解

以51单片机的P1口为例，我们看一下它的内部结构

当晶体管导通时，P1端口输出0(低电平)。当晶体管截止时，P1口输出1(高电平)。当P1端口接负载RL时，晶体管截止时，就相当于内部上拉电阻和负载RL串联。此时RL两端真的能够输出高电平吗？

答案是不一定的！根据电阻分压。Vout = VCC/(1+R/RL)只有分母接近1的时候，输出才是高电平VCC。能够输出高电平的条件是：RL >> R 。而R是IO口内部固定的，是某一个值。我们可以得出串联电路中电流(驱动电流)的表达式，从表达式中，我们可以看出，负载小(电阻R大)的时候，需要的驱动电流就小，负载大(电阻R小)的时候，需要的驱动电流就大。

提高单片机的IO驱动能力

1、用低电平+非门的组合驱动。单片机输出低电平的时候的驱动能力要高于输出高电平时候的驱动能力，单片机输出0，经过非门就变成了1。

2、外部加三极管驱动电路。但需要注意的是，驱动一些电感性元器件的时候，一定要在电感性元器件两端加一个二极管来泄流(泄流二极管)。三极管导通的时候，电感性器件上肯定会有电流存在。当三极管截止时，由于电感电流不能突变，所以如果不加二极管续流，电感上的电流会直接加在三极管上，很有可能损坏三极管。

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