51单片机学习笔记

文章目录

51单片机学习笔记
- 1. 51单片机简介
- - 1.1 安装软件
  - 1.2 单片机简介
- 2. LED灯
- - 2.1点亮一个LED
  - - 2.1.1原理分析
    - 2.1.2 创建工程
  - 2.2LED闪烁
  - - 2.2.1原理分析
    - 2.2.2程序代码及现象
  - 2.3LED流水灯
  - 2.3LED流水灯Pro
- 3.独立按键控制LED灯亮灭

注：笔记主要参考B站江科大自化协教学视频“51单片机入门教程-2020版程序全程纯手打从零开始入门”。
注：工程及代码文件放在了本人的Github仓库。

1. 51单片机简介

1.1 安装软件

应该装的软件主要有两个：

Keil5：编写程序。
STC-ISP：下载比特流文件到板子上，另外还有一些小工具（如串口助手、自动生成代码等）。
注意：Keil5 C51和Keil5 MDK都是Keil系列软件，但前者是用来开发51单片机的，后者是用来开发ARM系列，比如STM32的。

其中Keil可以在官网下载但需要破解，破解（及各种资料）可以按照UP主提供的百度网盘链接获取，也可以找淘宝店家索取，具体的安装过程可以参考视频 [1-2]开发工具及软件介绍。

1.2 单片机简介

单片机（Micro Controller Unit, MCU） 内部集成了CPU、RAM、ROM、定时器、中断系统、通讯接口等一系列电脑的常用硬件功能。 单片机的任务 是信息采集（依靠传感器）、处理（依靠CPU）和硬件设备（例如电机，LED等）的控制。单片机算是一个袖珍版计算机，一个芯片就能构成完整的计算机系统。虽然在性能上，单片机与计算机相差甚远，但单片机成本低、体积小、结构简单，在生活和工业控制领域大有所用同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

51单片机 是指80年代Intel开发的8051单片机内核的统称，就是因为这个“8051”有个51，所以凡是与“8051”内核一样的单片机都统称为51系列单片机。
内核，通俗点理解就是一种代码，单片机的指令系统，即硬件制作就按照这些指令去完成，如灌溉一样，要灌溉那些地方，就把通路打开，而这些通路‘水渠和门阀’都是早就修建好的硬设备，只是具体的灌溉地点需要指令来完成。而51单片机就是一样的“水渠和门阀”，想灌溉，所有51单片机都使用的一样的灌溉指令。
注：51单片机百度百科。

下面给出一些 命名规则 ：

图 STC89C51RC/RD系列的命名规则

图 STC89C52系列的命名规则

注：想要查看更多单片机的资料，可以查看STC宏晶科技官网。更多元器件的资料，可以在 datasheet网站自行搜索器件参数。
再注：宏晶科技的官网就是花花绿绿的，至于为啥，我觉得可能是“土到极致就是潮”吧哈哈哈。知乎文章：STC单片机的网站让我笑喷了。

表单片机参数整理（不定期更新）

单片机型号	所属系列	公司	位数	RAM	ROM	工作频率
STC89C52	51单片机系列	STC公司（中国）	8位	512字节	8K (Flash)	12MHz
STC89C516RD+	51单片机系列	STC公司（中国）	8位	1280字节	62K (Flash)	40MHz

我自己使用的芯片完整型号描述是：STC89C516RD+ 40I-PDIP40 2110CVK416.X90C。引脚图如下：

图 90C版本的引脚图

可以注意到，由于单片机是8位的，所以P0、P1、P2、P3引脚都是8个为一组。

STC89C51RC/RD+单片机中包含中央处理器（CPU）、程序存储器（Flash）、数据存储器（SRAM）、定时/计数器、UART串口、I/0接口、EEPROM、看门狗等模块。STC89C51RC/RD+系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。

图 STC89C51RC/RD+系列内部结构框图（总线结构）

虽然单片机具备一个系统完善的模块，但是要正常工作还是有一些基本需求。下面是STC89C51RC/RD+系统的最小应用系统：

图 STC89C51RC/RD+系列的最小应用系统

上图中，右上角是电源电路，C5和C6是电源的滤波电容，可以是电源输出电压更稳定。左下角是时钟系统，电容C2、C3作用是帮助晶振起振，电阻R2的作用可能是为了帮助时钟系统更稳定的工作。左侧中间位置是高电平复位电路，每次复位会使得芯片从第一条指令开始执行。

最后，关于 板载资源 的介绍，可以参考普中科技官网的普中-单核-A4 的介绍。注意到A4和A3的区别仅在于STC的芯片不同，开发板貌似没有什么区别。进一步查看引脚等信息，则需要查看开发板原理图文件。

2. LED灯

2.1点亮一个LED

2.1.1原理分析

人类电灯：白炽灯 → 节能灯 → LED灯。发光二极管（Light Emitting Diode，简称LED）省电且亮度高，常用于照明、广告灯、指引灯、屏幕。LED灯珠内，较小的电极（一般对应引脚较短）为负极，大的电极（一般对应引脚较长）为正极。

电阻（电容）数值读取：

102 = 10 00 = 1kΩ
473 = 47 000 = 47kΩ
1001 = 100 0 = 1kΩ

单片机电平为TTL电平，高电平5V，低电平0V。根据开发板的原理图示意，在控制LED模块时，芯片引脚输出高电平为灭灯，输出低电平为亮灯。

图普中A4开发板LED模块

2.1.2 创建工程

创建一个工程的步骤是：

打开Keil，顶部菜单栏选择“Project → New μVersion Project”;
在指定文件夹下（路径可以有中文、空格），输入工程名称，“OK → 不需要起始文件”；
创建main文件。在左侧“Source Group 1右键 → Add New Item to… → 语言、文件名 → OK”；
创建hex比特流文件。编写好程序后，在“Options for Target左键 → Output → Create Hex File”，然后编译。
使用STC-ISP下载到芯片中。注意需要重启电源开关才能被识别。

注：在创建工程选择CPU型号时，由于STC是一家中国公司，而Keil是一款外国软件，所以对STC的支持不友好。但STC89C系列的芯片是完全兼容8051的，所以可以直接选择Atmel的AT89C51/AT89C52，是完全兼容的（我选择ATC89C52）。

根据2.1节的原理，给出程序代码：

#include <REGX52.H>void main(){P2 = 0x7F;//0111 1111，左侧是高位while(1){//为了保证LED灯常亮}
}

结果可以发现A4开发板上的D8灯被点亮。

2.2LED闪烁

2.2.1原理分析

根据“点亮一个LED”的原理，如果要使LED灯以0.5s变化一次亮灭状态的速度进行闪烁，只需要添加延时函数即可。这可以使用STC-ISP软件中自带的“软件延时计算器”。

由于需要延时0.5s，所以“定时长度”设置为500毫秒；
“系统频率”根据晶振标注“Y11.0592”可知为11.0592MHz；
“8051指令集”选择“STC-Y1”，以支持STC89C系列。

然后“复制代码”到main函数中，就可以直接调用了。

2.2.2程序代码及现象

#include <REGX52.H>
#include <INTRINS.H>//调用_nop_函数//使用SRC-ISP生成的延时函数
void Delay500ms()       //@11.0592MHz
{unsigned char i, j, k;_nop_();i = 4;j = 129;k = 119;do{do{while (--k);} while (--j);} while (--i);
}//主函数
void main(){while(1){P2 = 0x7F;Delay500ms();P2 = 0xFF;Delay500ms();}
}

下载程序现象：D8灯珠以0.5s的速度改变亮灭状态。

注意，如果遇到复制出来的代码是乱码的状态，可以选择“Edit → Configuration → Encoding”设置为与编辑器相同的编码方式即可（比如都为UTF-8）。

2.3LED流水灯

原理和上面没什么区别，直接放代码：

#include <REGX52.H>
#include <INTRINS.H>//调用_nop_函数//使用SRC-ISP生成的延时函数
void Delay500ms()       //@11.0592MHz
{unsigned char i, j, k;_nop_();//延时1us左右，删掉也没关系i = 4;j = 129;k = 119;do{do{while (--k);} while (--j);} while (--i);
}//主函数
void main(){while(1){P2 = 0x7f;0111 1111Delay500ms();P2 = 0xbf;1011 1111Delay500ms();P2 = 0xdf;1101 1111Delay500ms();P2 = 0xef;1110 1111Delay500ms();P2 = 0xf7;1111 0111Delay500ms();P2 = 0xfb;1111 1011Delay500ms();P2 = 0xfd;1111 1101Delay500ms();P2 = 0xfe;1111 1110Delay500ms();}
}

运行效果：LED从D8开始每过0.5s就向左亮一个灯，形成流水灯效果。

2.3LED流水灯Pro

然而上述代码有一个很大的缺点，就是每次想修改流水灯的变化间隔时间，就需要重新生成一次延时函数，过于麻烦。解决思路是生成一个延时1ms的代码，每次想延时多少ms就调用几次。

注：在计算机中，int表示32位，与单片机数据类型有所出入。

图 C51单片机数据类型

于是根据上图，可以写出一个有输入参数的延时函数，该函数按照输入的无符号整型参数将函数体进行循环。代码如下：

#include <REGX52.H>//函数基础延时1ms
void Delay1ms(unsigned int cycles)      //@11.0592MHz
{unsigned char i, j;do{i = 2;j = 199;do{while (--j);} while (--i);}while(--cycles);
}void main(){unsigned int cycles = 50;//延时的ms数while(1){P2 = 0x7f;//0111 1111Delay1ms(cycles);P2 = 0xbf;//1011 1111Delay1ms(cycles);P2 = 0xdf;//1101 1111Delay1ms(cycles);P2 = 0xef;//1110 1111Delay1ms(cycles);P2 = 0xf7;//1111 0111Delay1ms(cycles);P2 = 0xfb;//1111 1011Delay1ms(cycles);P2 = 0xfd;//1111 1101Delay1ms(cycles);P2 = 0xfe;//1111 1110Delay1ms(cycles);}
}

3.独立按键控制LED灯亮灭

轻触按键 相当于是一种电子开关，按下时开关接通，松开时开关断开，实现原理是通过轻触按键内部的金属弹片受力弹动来实现接通和断开。内部连线和开发板原理图如下：

图轻触按键内部连线

图独立按键开发板原理图

根据上面的原理图可以知道，四个按键分别是连接到MCU的P31、P30、P32、P33。由于开发板上电后，所有的IO口默认是高电平，那么按键松开时相应的IO口保持高电平，按键按下时IO口保持低电平。
小技巧： 右键打开头文件<REGX52.H>就可以查看IO的声明（比如一位IO口的声明）。

下面讲一下按键开关的抖动问题。对于机械开关，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开，所以在开关闭合及断开的瞬间会伴随一连串的抖动。如下图所示：

图轻触按键抖动示意图

软件消抖的原理就是，检测到按键按下后，延时10ms，再观察按键是否按下。注意这和FPGA中使用三个触发器消抖的思路不同。

现在提出几个功能：

1.按键K1按下时，LED8亮；K1松开，LED8灭；
2.K2每次按下后，只有松开的时候，LED7改变一次状态；
3.K3每次按下后，8位LED自加1（要求D1是高位）；
4.K4每次按下后，8位LED左移一位。

#include <REGX52.H>//生成延时1ms的函数
void Delay1ms(unsigned int cycles)
{unsigned char i, j;do{//_nop_();i = 2;j = 199;do{while (--j);} while (--i);}while(--cycles);
}void main(){unsigned char LED_r=0;//由于无符号字符是8位，所以常用其表示一个寄存器while(1){//按键K1按下，LED8亮；松开，灭。if(!P3_1){Delay1ms(10);//这里使用软件消抖             while(!P3_1){P2_7 = 0;};Delay1ms(10);if(P3_1){P2_7 = 1;}}//按键K2每次按下，松开时LED7改变状态。if(!P3_0){Delay1ms(10);//这里使用软件消抖while(!P3_0);//等着松开Delay1ms(10);if(P3_0){P2_6 = ~P2_6;}}//按键K3按下后松开时，8个LED在当前的状态下+1（D7是高位，LED灯亮表示1）if(!P3_2){Delay1ms(10);//这里使用软件消抖while(!P3_2);//等着松开Delay1ms(10);if(P3_2){LED_r = ~P2;LED_r++;P2 = ~LED_r;}}//按键K4按下后松开时，8个LED在当前的状态下左移1位if(!P3_3){Delay1ms(10);//这里使用软件消抖while(!P3_3);//等着松开Delay1ms(10);if(P3_3){if(P2 == 0xfe | P2 == 0xff)P2 = 0x7f;elseP2 = ~(~P2>>1);//由于D8是高位，所以右移}}}
}

注意到上面的函数中，每一个按键的事件是独立的，也就是，当按下一个按键后，其他按键将不会发生作用，直到当前按键的功能执行完成。另外，51单片机中常用 无符号字符 表示一个8位的寄存器。