51单片机【数码管动态显示，外部中断0，定时器0，蜂鸣器】
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这里写自定义目录标题
51单片机
硬件：硬件调试工具（示波器、万用表、逻辑分析仪）
编程工具：Keil4
下载工具：STC-ISP
安装Keil：安装路径必须是英文路径，不能出现中文。Keil4和keil5不要放在同一个路径下。
1.先创建工程
2.再向工程中添加.c文件（必须和工程在同一目录）
STC-ISP 是 给 STC 系列 51 单片机下载/烧录程序（.hex） 的上位机软件，也常被用来做一些串口相关的调试配置。
把开发板的USB插上电脑之后，在设备管理器查端口号。
51 单片机的来源与生态:
1980年，Intel公司推出MCS-51系列：8051型号单片机
8051 是一种经典的 8 位 MCU（微控制器）架构/指令集体系。
许多公司推出了兼容 8051 内核的芯片，因此统称“51 单片机/8051 系列”：
• Atmel（AT89 系列等）
• STC（STC89、STC12/15 等）
• Philips/NXP（早期 8051 系列）
CPU：Central Processing Unit，中央处理器，完成数据运算、指令处理
Hz：每秒振荡/时钟次数
1 MHz = 10^6 Hz
1 GHz = 10^9 Hz
时钟周期：T = 1 / f
例：2.1 GHz
• T = 1 / 2.1×10^9 s ≈ 0.476×10^-9 s
• ≈ 0.476 ns（纳秒）
s（秒）
ms（毫秒）= 10^-3 s
us（微秒）= 10^-6 s
ns（纳秒）= 10^-9 s
1、处理器架构（ISA）是啥？
ISA（Instruction Set Architecture，指令集架构）
架构/指令集（ISA）：CPU 能理解和执行的指令体系与寄存器模型。
不同 ISA 的程序一般不能直接互跑（要重新编译，甚至完全不能兼容）。
常见架构举例
x86：常见为 32 位时代的 PC 指令集
x86_64：x86 的 64 位扩展（现代 PC 常见）
ARM（常见 32 位/64 位）：手机、嵌入式常见
MIPS：教学/路由器等领域出现过
8051（8 位）：单片机入门经典架构
51单片机的架构
51 单片机的最小系统：
最小系统 = 电源 + 晶振 + 复位
最小系统：让 MCU（单片机） “能稳定运行程序”所必须的最少硬件连接。
供电（VCC / GND）、时钟（OSC：晶振/内部振荡）、复位（Reset / RST）
在最小系统能跑起来后，再一步步接外设：LED、按键、蜂鸣器、数码管、串口模块等。
核心芯片内部（MCU 内部模块）
8051 CPU(或者说Kernel 内核)
RAM (Random Access Memory,随机访问内存)（数据存储器）：存放变量、临时数据、栈（掉电丢）。一般用256byte
ROM (Read - Only Memory，只读存储器)存放单片机程序、代码、指令，掉电数据不丢失 在程序运行期间，ROM是只读的。
TIMER（定时器/计数器）：用于：精准延时（比死循环更可靠）、周期任务（比如动态数码管扫描）、计数外部脉冲等
GPIO（通用输入输出）：连接到外部：LED、按键、蜂鸣器、数码管、继电器等
GPIO 本质：一组寄存器 + 驱动电路
写寄存器→引脚输出高/低；读寄存器→读取引脚电平
UART（串口）
用于与电脑/模块通信：下载、打印调试信息、蓝牙/WiFi 模块通信等
因为变量的地址是随机的，变量存放在RAM中，CPU要访问RAM中的变量来进行指令操作，所以说RAM对于CPU来说是随机访问内存。
芯片外部（开发板外设）
LED：通常连接到某个端口（如 P2.x），常见“低电平点亮”（取决于电路）
KEY（按键）：输入，常见上拉/下拉电阻，按下电平翻转
BEEP（蜂鸣器）：输出，可能需要三极管驱动（IO 直接带不动时）
芯片 + 最小系统 + 外围器件 才是你手里那块“51 开发板系统”。
把PC 的 RAM/外存类比到 MCU
重要概念
RAM :Random Access Memory, 随机访问内存，存放程序中的变量、临时数据掉电数据丢失，读写速度快(256byte)
ROM :Read - Only Memory，只读存储器，存放单片机程序、代码、指令，掉电数据不丢失
MCU：Micro Controller Unit，微控制器，集成度高，将所有功能集成到一块芯片里（CPU、RAM、ROM、GPIO、TIMER、UART），成本低，简单控制
MPU：Micro Processing Unit，微处理器，集成度低，只有一块单独的CPU，需要外接一些功能模块（RAM、ROM、控制器芯片），成本高，应用处理复杂任务，可以跑Linux操作系统
GPU：Graphics Processing Unit, 图形处理单元，处理图形数据，图像渲染
NPU：Neural Processing Unit，神经网络处理单元，AI推理、硬件加速（Mate 60 达芬奇NPU AI拍照优化）
FPU：Float Point Unit，浮点数运算单元，完成浮点数运算
SOC：System On Chip，片上系统，将多个芯片集成到一起
GPU 和 显卡是“零件 vs 整块板/整套系统”的关系：
1）GPU 是什么
GPU（Graphics Processing Unit）= 图形处理器芯片
主要负责并行计算/图形渲染：把图形数据处理成可显示的结果（也可做通用计算，如 CUDA/OpenCL 等）
它本质上是一颗核心芯片，自己单独放桌上不能直接用来输出画面（还需要配套电路、显存、供电、接口等）
2）显卡是什么
显卡（Graphics Card/Video Card）= 一整块用于显示输出的硬件模块
显卡里通常包含：
GPU 芯片
显存（VRAM）：存纹理、帧缓冲等
供电/电源管理（VRM）：把电源转换成 GPU/显存需要的电压电流
散热系统：散热片/风扇/热管
显示输出接口：HDMI/DP 等
以及 PCB、电容电感等外围
C语言 位运算
&：按位与: 将对应位的bit位进行比较，若两个bit都为1，结果为1，若有一个bit为0，结果为0。“全1为1，有0为0”
int a = 3;
int b = 5;
a & b; 0000 0011 & 0000 0101 0000 0001
| ：按位或：将对应位的bit进行比较，若有一个bit为1，结果为1， 若两个bit都为0， 结果为0。“全0为0”
int a = 3;
int b = 5;
a | b; 0000 0011 | 0000 0101 0000 0111
^: 按位异或：将对应位的bit进行比较，若两个bit相同，结果为0；不相同为1。（相同为0，相异为1）
int a = 3;
int b = 5;
a ^ b; 0000 0011 ^ 0000 0101 0000 0110
char t = 0; // 0000 0000 // 0000 0010
0000 0000 | 0000 0010 -> 0000 0010
t = t | (1 << 1); // 0000 0010
t = t | (1 << 7); //1000 0000
t |= (1 << 2) | (1 << 6);
1 << 2：把 1 左移 2 位
0000 0001 -> 0000 0100（十六进制 0x04）
1 << 6：把 1 左移 6 位
0000 0001 -> 0100 0000（0x40）
(1 << 2) | (1 << 6)：把这两个掩码合并
0000 0100 | 0100 0000 = 0100 0100（0x44）
其余位不变，指定位置1：使用按位或 t |= (1 << n);
char t = 0xFF; // 1111 1111 -> 1111 1110
其余位不变，指定位清0: 使用按位与 t &= ~(1 << n)
t & 1111 1110
t = t & ~(1 << 0) // 1111 1110
38译码器工作原理
38译码器（3→8Decoder）的工作原理：用3根输入线（A、B、C）的二进制组合，选通8个输出中的某一个。
74HC138有3个使能端：
G1：高有效（要为1）
\G2A、\G2B：低有效（要为0） (有头上那一横杠，就是表示这个位低电平有效)
只有当G1=1 且 \G2A=0 且 \G2B=0 时，芯片才“打开”，开始译码。
否则芯片关闭：所有输出都为高电平（因为输出是低有效。
数码管动态显示的原理
段选+位选配合
段选：决定这一位显示“几”（a~g、dp哪些段亮）
位选：决定“哪一位被点亮”
动态显示就是：位选轮流开，段码同步切换。
数码管动态显示是通过段选输出段码、位选依次选通各位，使每一位在短时间内显示其对应
数字，并以较高频率循环扫描，利用人眼视觉暂留使人感觉多位同时稳定显示。
动态显示：在某位数码管上显示一位数值，快速刷新，再下一位数码管再去显示另一位数值，
利用人眼视觉暂留效应使人感觉多位同时稳定显示。
（视觉暂留效应、余晖效应）
#include <reg51.h>
#include "delay.h"
//0-9 段码表
unsigned char seg_table[] = {0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};
//存放数码管显示的数值
unsigned char display_buf[8] = {0,0,0,0,0,0,0,0};
//位选
void Bit_Select(unsigned char n)
{
//将P2 2 P2 3 P2 4清零
P2 &= ~(7 << 2);
switch(n)
{
//A:P2 2 B:P2 3 C:P2 4
case 1: //Y0 A:0 B:0 C:0
P2 &= ~(1 << 2);
P2 &= ~(1 << 3);
P2 &= ~(1 << 4);
break;
case 2: // Y1 A:1 B:0 C:0
P2 |= (1 << 2);
P2 &= ~(1 << 3);
P2 &= ~(1 << 4);
break;
case 3: // Y2 A:0 B:1 C:0
P2 &= ~(1 << 2);
P2 |= (1 << 3);
P2 &= ~(1 << 4);
break;
case 4: // Y3 A:1 B:1 C:0
P2 |= (1 << 2);
P2 |= (1 << 3);
P2 &= ~(1 << 4);
break;
case 5: // Y4 A:0 B:0 C:1
P2 &= ~(1 << 2);
P2 &= ~(1 << 3);
P2 |= (1 << 4);
break;
case 6: // Y5 A:1 B:0 C:1
P2 |= (1 << 2);
P2 &= ~(1 << 3);
P2 |= (1 << 4);
break;
case 7: // Y6 A: 0 B: 1 C: 1
P2 &= ~(1 << 2);
P2 |= (1 << 3);
P2 |= (1 << 4);
break;
case 8: // Y7 A:1 B:1 C:1
P2 |= (1 << 2);
P2 |= (1 << 3);
P2 |= (1 << 4);
break;
default:
break;
}
}
//段选 （数码管显示的数字）
void Seg_Select(unsigned int n)
{
P0 = seg_table[n];
}
//将显示的数据存入到数组
void num_to_buff(unsigned long n)
{
int i = 0;
//数组清零
for(i=0; i < 8; i++)
{
display_buf[i] = 0;
}
//将数码管显示的数据存放到数组
i = 0;
while(n != 0 && i < 8)
{
display_buf[i++] = n%10;
n /= 10;
}
}
//数码管动态显示
void digiter_show(void)
{
static int pos = 1;
P0 = 0;
//位选
Bit_Select(pos);
//段选
if(display_buf[pos-1] != 0)
{
Seg_Select(display_buf[pos-1]);
}
delay(100);
pos++;
if(pos > 8)
{
pos = 1;
}
}
GPIO
GPIO = General Purpose Input/Output，通用目的输入输出
GPIO 是可编程的通用数字引脚，既能当输入也能当输出
GPIO输入：检测引脚电平变化
悬空输入
上拉输入
下拉输入
模拟输入
GPIO输出：给定引脚高电平/低电平，控制引脚输出高电平/低电平
推挽输出
开漏输出
中断
中断概念：当CPU在执行一个任务时，此时外界来了一个更为紧急的任务，要求CPU 能够暂停当前的任务，转而去执行更为紧急的任务，执行完之后再回到刚才被打断的 地方继续向下执行。
中断源：能够打断CPU执行当前任务源头/事件叫做中断源
51单片机：5个中断源（我使用的这款单片机只有5个中断源） 外部中断0 外部中断1 定时器0 定时器1 串口
外部中断：引脚电平的变化所引发的中断
中断优先级：CPU处理中断任务时，需要比较中断优先级，优先去处理优先级更高的 中断请求
中断嵌套：CPU再处理一个中断任务时，嵌套处理其他优先级更高的中断任务（51单片机最多 允许嵌套两层）
中断处理流程：
1. 中断源发起中断请求
2. 检查CPU是否允许中断及中断源是否被屏蔽
3. 比较中断优先级
4. 保护现场
5. 执行中断服务函数
6. 恢复现场
外部中断0
现在，我要使用外部中断0。
首先，查原理图，外部中断0连接P32。
可以用按键K3检测外部中断0。
然后查手册，看要使用外部中断0需要哪些条件。
设置触发方式为下降沿触发，按一次K3按键，来一个下降沿，外部中断0触发
至此，软件方面需要我们初始化的条件都查到了，下面是使用外部中断0的流程。
#include <reg51.h>
#include "key.h"
unsigned int g_n = 0;
//外部中断0 中断服务函数
void int0_handler(void) interrupt 0
{
g_n ++;
}
// 外部中断0 初始化函数
void int0_init(void)
{
// 将外部中断0引脚拉高
P3 |= (1 <<2);
//打开CPU中断总开关
IE |= (1 << 7);
//开启外部中断0子开关
IE |= (1 << 0);
//设置外部中断0触发方式：下降沿方式
TCON |= (1 << 0);
}
中断向量表：
中断向量表：本质上是一个数组，数组中存放的是中断服务函数的入口地址
中断向量：中断向量表中各中断服务函数的标号
定时器0：16位自增型定时器
定时器：能够产生一个精准的定时，对时序要求严格（高电平和低电平的时间必须是 精准的）
下面这幅图，横轴是时间，纵轴是电压。
定时器是以时间先后次序，描述引脚上电压变化
我使用的这款开发板有两个定时器，Timer0、Timer1
这是16位自增型定时器/计数器 ：0 - 65535
从初值开始++，+到65535溢出后向CPU发起定时器中断请求
初值大小
自增速率
Clock：时钟，CPU运行的速率
定时 1ms 的初值计算方法：
晶振频率：11.0592MHZ
分频器：可以将晶振提供频率 / 分频系数，降低频率
51单片机工作频率：11.0592MHZ / 12 = 0.9216MHZ
++所需要的时间： 1 / 0.9216MHZ = 1.085us
1ms定时：1ms = 1000us
计数次数：1000us / 1.085us = 922
初值：65535 - 922 = 64,613
unsigned short count = 64613；
void timer0_init(void) 定时器0初始化函数
配置定时器工作模式：16位（TMOD寄存器中的bit0置1）
将定时器初值装入到TL0和TH0
允许定时器0开始计数（TCON寄存器中的TR0置1）
允许CPU响应所有中断（IE寄存器中的EA位置1）
允许定时器0产生中断（IE寄存器中的ET0位置1）
#include <reg51.h>
#include "timer.h"
#include "led.h"
unsigned int g_i = 0;
//外部中断0服务函数
void timer0_handler(void) interrupt 1
{
TH0 = g_i >> 8;
TL0 = g_i;
P2 = P2 ^ (1 << 5);
}
//定时器0初始化函数
void timer0_init(void)
{
//1.将TMOD寄存器低4位清零
TMOD &= ~(0x0F << 0);
//2.设置定时器工作模式：16位
TMOD |= (1 << 0);
//3.设置定时器处置 64613
TH0 = g_i >> 8;
TL0 = g_i;
//4.开启定时器计数
TCON |= (1 << 4);
//5.CPU响应所有中断（总开关）
IE |=(1 << 7);
//6.允许定时器0产生中断（子开关）
IE |= (1 << 1);
}
8位自动重装定时器：实际参与计数的只有TL0，当溢出后会将TH0的值再重新装回到TL0
TL0 230 0 - 255
TH0 230
PWM波
PWM：脉冲宽度调制，能够产生一个方波，能够让引脚电平周期性发生变化
PWM周期：一个方波所经历的时间（从上升沿/下降沿到下一个上升沿/下降沿 ）
PWM占空比：高电平在一个周期内所占的比例
蜂鸣器
蜂鸣器：
声 -> 波 -> 音调 -> 频率 高音 高频 低音 低频 音量 -> 波的振幅 能量大小
有源蜂鸣器：存在震荡源，通电后会持续发出固定频率声音
无源蜂鸣器：不存在震荡源，通电后不会发出声音，需要给定一个震荡
蜂鸣器“响”的本质是：让蜂鸣器里的振动片（压电片或小喇叭结构）做周期性振动，推动空气形成声波。周期越短（频率越高）听起来音调越高；周期越长音调越低。
为什么需要定时器？——因为要产生“稳定的频率”
定时器是“定时”的。关键是：
要让引脚 每隔固定时间翻转一次（0变1、1变0、1变0…）
这就形成了一个周期性方波
翻转间隔 = 半个周期
举例：想要 400Hz 的方波：
周期 T=1/400=2.5ms
半周期 T/2=1.25ms
所以要每隔 1.25ms 触发一次中断，在中断里把蜂鸣器引脚取反
引脚就会输出 400Hz 的方波（近似 50% 占空比）
计算200HZ 频率 占空比 50%
时间：1 / 200HZ = 0.005s
定时器定时时间：0.005s / 2 = 0.0025s
单片机工作频率：11.0592MHZ / 12 = 0.9216MHZ
0.9216MHZ * 10^6 = 921,600HZ
完成一条指令所需时间：1 / 921600HZ = 0.000001085s
计数次数：0.0025s / 0.000001085s = 2,304
初值：65535 - 2304 = 63,231
例子——4个按键控制蜂鸣器4种不同频率的声音
蜂鸣器连接P25口。
//main.c的代码
#include <reg51.h>
#include "timer.h"
#include "key.h"
#define HZ_200 63231
#define HZ_400 64382
#define HZ_600 64767
#define HZ_800 64959
int main(void)
{
timer0_init();
key_init();
while(1)
{
int ret = key_press();
switch(ret)
{
case 1: g_i = HZ_200;break;
case 2: g_i = HZ_400;break;
case 3: g_i = HZ_600;break;
case 4: g_i = HZ_800;break;
default: break;
}
}
return 0;
}
//timer.c的代码
#include <reg51.h>
#include "timer.h"
#include "led.h"
unsigned int g_i = 0;
//unsigned int g_i = 0;
//外部中断0服务函数
void timer0_handler(void) interrupt 1
{
TH0 = g_i >> 8;
TL0 = g_i;
P2 = P2 ^ (1 << 5); //定时器溢出时翻转P2.5引脚，从而输出方波
}
//定时器0初始化函数
void timer0_init(void)
{
//1.将TMOD寄存器低4位清零
TMOD &= ~(0x0F << 0);
//2.设置定时器工作模式：16位
TMOD |= (1 << 0);
//3.设置定时器处置 64613
TH0 = g_i >> 8;
TL0 = g_i;
//4.开启定时器计数
TCON |= (1 << 4);
//5.CPU响应所有中断（总开关）
IE |=(1 << 7);
//6.允许定时器0产生中断（子开关）
IE |= (1 << 1);
}
//key.c的代码
#include <reg51.h>
#include "key.h"
unsigned int g_n = 0;
//外部中断0 中断服务函数
void int0_handler(void) interrupt 0
{
g_n ++;
}
// 外部中断0 初始化函数
void int0_init(void)
{
// 将外部中断0引脚拉高
P3 |= (1 <<2);
//打开CPU中断总开关
IE |= (1 << 7);
//开启外部中断0子开关
IE |= (1 << 0);
//设置外部中断0触发方式：下降沿方式
TCON |= (1 << 0);
}
//按键初始化
void key_init(void)
{
//P3 |= (0x0F << 0);
P3 |= 0x0F; // 0x0F = 0000 1111
}
//按键检测
int key_press(void)
{
int ret = 0;
if((P3 & (1 << 1)) == 0) // P31 —— KEY1 P31为0，表示KEY1按下
{
ret = 1;
}
else if((P3 & (1 << 0)) == 0) // P30 —— KEY2
{
ret = 2;
}
else if((P3 & (1 << 2)) == 0) // P32 —— KEY3
{
ret = 3;
}
else if((P3 & (1 << 3)) == 0) // P33 —— KEY4
{
ret = 4;
}
return ret;
}
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