上海羊羽卓进出口贸易有限公司自学单片机第十八篇：信号的输入检测
通过前段时间的学习，我们基本上已经掌握了关于单片机的端口控制，可以通过控制端口的电位变化来实现一些功能。有时间也可以练习一些复杂的变化，来熟悉自己的所学知识。
输出是说的差不多了，那么接下来的一段时间，就要开始叨叨输入的哪些事情了。
如果说输出是向世界发出声音，那么输入就是聆听世界的声音，婴儿刚出生的一声啼哭，就是通过向外界输出自己的力量，来证明自己的降生，慢慢到了婴儿时期，就会通过聆听周围的声音，观察周围人的动作，来学习这个世界的生存技能。我们学习单片机也是一样，先展示自己的力量，然后再去感受周围的力量，这个过程需要漫长的磨砺，不断的练习和付出。
单片机的输入和输出是使用的同一个引脚，所以我们之前说51的引脚为IO口，意思是既可以作为IN输入端口，也可以作为OUT输出端口，所以简写为IO端口，属于复用端口，有利于节省空间。我们先来看下输入端口的结构，大致了解下。
这个是P1的端口结构，我们暂且不用理会左边那一大堆东西，只看右边这一部分，首先看到的是一个上拉电阻，然后是我们的针脚，接着是一个三极管（实际上是一个场效应管，我们简单理解就好），还有一路单独引出来了，这部分电路看似简单，但却承担着内部与外界的所有数据交换，可谓地位之重。我通过模拟器来简单实现端口的控制，直观的了解下端口是如何读取输入的数据的。
电路尽可能的与原理图一致，我们分为了电源部分、输入输出部分、端口部分、和外部电路，首先我们来说下当输出部分输出高电位时，电路的状态。
注：接下来的解释，需要用到三极管的部分知识，这个需要高中以上的物理知识，如果不理解，我们可以在留言中讨论。我尽量通俗的说，如果真的听不懂，也不影响接下来的学习。
从图中可以看出，当三极管基极（也就是左边横着那个电极），电位为5V高电位，那么三极管就处于截止状态，相当于上下电路是断开的，好比我打差号的部分断开，所以下方的输入电路就读取到了一个高电位，这个高电位是通过上拉电阻送过来的，如果此时外电路接的有小灯泡，那么小灯泡就会点亮了。
当我们让单片机输出0时，三极管的基极（图中b）就会处于低电位，于是三极管导通，图中的a和c就导通了，相当于通过导线直接相连在了一起，所以a点就也是0V低电位了，外部电路也是0V低电位，输入读取电路f也是0V低电位。
通过控制基极的电位，我们就可以让外电路出现与控制器相同的高低电位状态，同时驱动能力也有了很大的提升。但是由于内电路的导线很细，所以驱动功率也是很小的，不要尝试大功率设备，会烧坏芯片内部电路的。我们了解了输出的控制。那么，如果此时我在IO口上接一个SW1开关，人为的给引脚设置高低电位，情况又会是什么样呢？
当我们把SW1设置为0V低电位时，我们会发现，电路状态从接近0V降到了完全的0V，这主要是因为在三极管中存在电阻，而外接的电路不存在电阻，所以电压被拉低到了完全的0V。我们通过时间调整，看下实际情况下当内部电路输出0时，外电路切换高低电位对IO口的电位影响。
我们反复的切换外电路的状态，发现输入电路f读取的a点的状态如上图波形，当SW1切换到5V高电位，此时a点电位是494mV，完全达不到3V高电位的最低电压，所以控制器输入电路读取到的电位就是0.494V，认为输入的是低电位，当SW1切换到0V低电位时，此时a点电位是0V，低于低电位1V的标准，所以控制器输入电路就读取到0V，认为输入的是低电位，通过这个实验，我们发现，不论外电路如何变化，内电路都是读取的低电位，这还怎么知道我输入的是低电位还是高电位，怎么知道我的按键什么时间按下了？
所以我们把控制器的输出从0改为1再试一下，我们还是对SW1进行反复的切换，观察a点的电位和输入电路的波形变化。
此时可以直观的看出，上方的波形已经从几毫伏的变化，变成了现在的0到5V，当SW1切换到5V高电位，由于三极管截止了，所以a点就是5V高电位，f读取到的就是5V高于3V，于是控制器认为输入的是一个高电位，当SW1切换到0V低电位，还是因为三极管截止的原因，a点相当于通过SW1直接与负极相连，所以a点就是0V低电位，f读取到的就是0V低于1V，于是控制器就认为输入的是一个低电位，这样外部的信号与控制器读取的信号就一致了。
所以，我们就有一个要求，在你需要读取外部信号时，除了程序中需要做出读取的相应操作，你的需要读取的引脚在控制器中要先输出一个高电位，也就是置1.不然你就读不到东西。
有人会说了，在前边当控制器输出0时，你如果把SW1连接5V的电阻取消，那么控制器不就可以读取到5V的高电位了吗？实际情况并不这么理想，
我们可以看到，此时芯片的IO口电流已经达到了3A，这对芯片来说就是毁灭的灾难。所以是不允许这么做的，如果你这么做了芯片依然坚持了过来，感到幸运吧。不是每次都有这么好运的。在IO口外接电路时，我们是不允许直接毫无控制直连正负极的，计算好自己的功耗和电流，然后匹配相应的电阻才是最佳的选择。
好了通过以上的解释，我们知道了IO口需要读取外部信息时，是需要内部对IO口提前置1的。下篇我们就尝试读取P1口的信号来看看。
你觉得一个IO口，单片机最大可以带动多大的电流？欢迎留言讨论。
测量单片机IO输入输出电阻
➤ 01背景
在 电子小帮手电路中电源开关电路分析 中介绍测量模块电路实验原理的时候，对于ATmega系列的 单片机的输出端口进行了内部描述 。特别是对于端口做为IO输出口的时候，它可以等效为通过电阻19Ω和22Ω分别上拉到VCC，或者下拉的GND。
电子小帮手电路中电源开关电路分析:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/109242259单片机的输出端口进行了内部描述:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/109238622▲ ATMEGA单片机IO口等效电路
那么就会出现一个新的问题，对于ATmega单片机，这个IO口的内阻究竟有多大呢？
通过实验来确定单片机输出IO口的实际电阻阻值，这为将来使用单片机进行测量工作提供数据基础。
利用在 ATMEGA8 DIP-28面包板实验 中可以下载程序的实验方式，对于ATmega8单片机搭建在面包板上的测试芯片。通过实验来测量对应的IO端口在作为输出端时相对于GND，VCC的电阻阻抗。
ATMEGA8 DIP-28面包板实验:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/109245968➤ 02测量方案
1.测量端口电阻
测量电阻阻抗的方式可以通过以下三种方式来进行：
通过V-A方法检测，也就是通过测量IO口输入、输出电流一项相对应的IO口电压的变化，来获得端口的等效串联点租。使用万用表直接测量；使用手持LCR表来测。2.测量过程
通过软件编程，使得单片机的PB4,PB3,PB2,PB1分别处于输出高电平，和输出低电平的情况，然后按照上面三种方法来测量对于端口的内部等效阻抗。
▲ ATMEGA8 DIP-28封装
➤ 03测量数据
1.使用V-A方法测量IO内阻
(1) IO低电平内阻
▲ 测量电路图示意图
使用在 低价电阻箱-阻值测试 中的9999Ω电阻箱，分别改变IO端口的输出负载，记录不同电阻下输出端口的电压，进而可以进行获得内部电阻。
低价电阻箱-阻值测试:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/107112157Current(mA) 3.068900 1.900500 1.376000 1.078700 0.889500 0.754900 0.655700 0.579500 0.519100 Voltage(V) 0.086651 0.055485 0.041959 0.034435 0.029279 0.025946 0.023526 0.021161 0.019959
▲ 端口电流与电压
通过线性拟合，可以建立输入电流（i，单位mA）与端口电压之间的线性关系。
通过上述线性方程，可以得到端口的输入电阻为：
(2) IO高电平内阻
测量不同输出电流下输出电压的变化。
Current(mA) 3.066000 1.897700 1.373900 1.077000 0.888000 0.753500 0.654500 0.578400 0.518200 Voltage(V) 0.077972 0.050410 0.038025 0.031065 0.026657 0.023490 0.021160 0.019415 0.018024
▲ 端口电压与电流
对上述电压电流线性拟合：
由此可以得到单片机高电平下输出内阻大约为：
通过实际测量，可以看到ATmega的IO口在输出状态下，内阻分别是26.15Ω（低电平）以及23.56Ω（高电平）。
2.使用万用表测量IO内阻
使用DM3068数字万用表，直接测量ATmega的输出低电平的IO对GND之间的电阻：
测量ATmega8输出高电平的IO对VCC（+5V）之间的直流电阻：
注意：由于存在输出静态电压，不能够测量输出高电平的IO对GND之间的电阻，或者输出低电平IO对VCC之间的电阻。
3.使用LCR表测量IO内阻
为了避免单片机端口的静态电压对于LCR表的测量影响，使用100uF的电解电容进行隔直之后，然后在使用Smart Tweezers进行测量相应端口的内阻。
▲ 使用隔直电容之后测量端口的内阻
低电平IO内阻：
高电平IO内阻：
➤ ※ 结论
单片机的IO如果作为输出端口，它可以等效一个内部穿有内阻的电压源。由于它内部是通过MOS管完成IO端口与VCC,GND的相连，所以内阻实际上是这些MOS管导通内阻。
通过对ATmega8单片机端口的内阻测量，可以看到这些内阻的大小在20欧姆到30欧姆之间。这与它的数据手册上相关的数值基本上是在同一数量级之内。
上文中使用了三种方法测量单片机IO口的内阻，它们的取值基本相似。因此上，在未来实际上应用中，可以根据具体情况来选择相应的测量方式。
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