嵌入式 - 硬件：51單片機（2）

本節重點：
1.?GPIO輸入模式、輸出模式

2.?按鍵工作原理（GPIO輸入）

3.?中斷概念

4.?中斷源概念、中斷源個數、哪幾個中斷源

5.?外部中斷、定時器中斷概念

6.??中斷處理流程：

7.?51單片機中定時器的個數？類型

8.?16位定時器和8位自動重裝載定時器的區別

9.?PWM的概念、PWM周期、PWM占空比

10、有源蜂鳴器和無源蜂鳴器的區別

11、51單片機蜂鳴器實現原理

一、GPIO

GPIO（General Purpose Input/Output，通用輸入輸出口）是單片機與外部設備通信的最基本接口，相當于單片機的 “手”（輸出控制）和 “眼”（輸入檢測）。

1. GPIO 的兩種工作模式

輸出模式：單片機主動給引腳賦值 “高電平（5V）” 或 “低電平（0V）”，從而控制外部設備。比如給 LED 引腳送高電平，LED 點亮；送低電平，LED 熄滅。
可以用 “水龍頭” 比喻：輸出模式就像 “控制水龍頭開關”—— 單片機決定水流（電平）的通斷。
輸入模式：單片機被動檢測引腳的電平變化，獲取外部設備的狀態。比如檢測按鍵是否按下、傳感器是否觸發。
對應 “水龍頭” 的比喻：輸入模式就像 “觀察水龍頭是否有水流出”—— 單片機只負責判斷狀態，不主動控制。

二、按鍵：GPIO 輸入模式的典型應用

按鍵是單片機系統中最常見的 “人機交互部件”，其工作原理本質是通過 GPIO 輸入模式檢測引腳電平。

1. 按鍵的硬件連接（以 K1 為例）

按鍵 K1 的兩個引腳分別接 GND（地）和單片機的 P1_4 引腳：

當 K1 未按下時，P1_4 引腳不受 GND 影響，默認是高電平；
當 K1 按下時，P1_4 引腳與 GND 短路，引腳電平變為低電平。

2. 按鍵狀態的判斷邏輯

要判斷 K1 是否按下，只需檢測 P1_4 引腳是否為低電平。在代碼中可通過 “位運算” 實現：
if((P1 & 0x10) == 0)
（注：0x10 是十六進制，對應二進制0001 0000，與 P1 做 “與運算” 后，只有 P1_4 引腳的電平會保留 —— 結果為 0 時，說明 P1_4 是低電平，即按鍵按下）

3. 實際應用場景

比如車載中控系統中，剎車檢測、安全座椅狀態判斷等，都可以通過類似的 “按鍵邏輯” 實現 —— 用 GPIO 輸入模式實時檢測對應引腳的電平，確保數據的實時性。

練習：
? ? ? ? 實現按下按鍵（1--4），顯示燈（1--4），第一個數碼管顯示數字（1--4），未按下顯示“0”

main.c

digiter.c

LED.C

delay.c

三、中斷：單片機的 “緊急響應機制”

單片機在執行常規任務時，若遇到更緊急的事件（如按鍵觸發、定時器溢出），需要暫停當前任務，優先處理緊急事件，處理完后再回到原任務繼續執行 —— 這個過程就是 “中斷”。

1. 中斷的核心概念

中斷源：觸發中斷的 “事件 / 源頭”。51 單片機有 5 個中斷源，分別是：外部中斷 0（INT0，對應 P3_2 引腳）、外部中斷 1（INT1，對應 P3_3 引腳）、定時器 0 中斷、定時器 1 中斷、串口中斷。

1.中斷源分類：外部中斷0、外部中斷1、定時器0、定時器1、串口
2.外部中斷：單片機上的引腳電平變化所引發的中斷（INTO（P3-2）、INT1(P3-3)）

中斷優先級：多個中斷同時觸發時，CPU 會優先處理 “優先級高” 的中斷（51 單片機可通過寄存器配置優先級）。
中斷嵌套：處理低優先級中斷時，若有高優先級中斷觸發，會暫停當前中斷，先處理高優先級中斷 ——51 單片機最多支持 2 層嵌套。

7. 中斷處理流程（6 步）

中斷源發出 “中斷請求”（如外部中斷 0 引腳電平變化）；
CPU 檢查：是否開啟 “總中斷允許”，該中斷源是否被 “屏蔽”（未屏蔽才繼續）；

3.比較中斷優先級：若當前無更高優先級中斷，暫停當前任務；

4.保護現場：保存當前任務的寄存器數據（避免處理中斷后數據丟失）；

5.執行 “中斷服務函數”（即中斷觸發后要執行的代碼，如按鍵按下后的 LED 翻轉）； (回調函數)

6.恢復現場：恢復之前保存的寄存器數據，回到原任務繼續執行。

3. 中斷相關寄存器配置（關鍵！）

要讓中斷生效，必須配置對應的寄存器，以 “外部中斷 0” 為例：

p3.2 要置1 產生下降沿

IE 寄存器（中斷允許寄存器）：
- 先將 IE 的 bit7（EA，總中斷允許位）置 1—— 開啟 “總中斷開關”（不開啟的話，所有中斷都無效）；
- 再將 IE 的 bit0（EX0，外部中斷 0 允許位）置 1—— 允許外部中斷 0 觸發。

TCON 寄存器（定時器 / 計數器控制寄存器）：

TCON 的 bit1（IE0，外部中斷 0 請求標志位）：中斷觸發時會自動置 1，CPU 響應后會 “硬件清 0”（無需手動處理）。? ??不用置位---- 自動置位

將 TCON 的 bit0（IT0，外部中斷 0 觸發方式位）置 1—— 設置為 “下降沿觸發”（即引腳電平從高變低時觸發中斷）；

優先級

中斷向量表

四、定時器：單片機的 “精準時鐘”

很多場景需要 “精準定時”（如 1ms 刷新一次 LED、1s 讀取一次傳感器數據），此時就需要用到單片機的 “定時器”—— 它能根據時鐘信號，產生精確的時間間隔。

1. 定時器的基礎原理

51 單片機定時器資源：內置 2 個 16 位自增型定時器 / 計數器（Timer0、Timer1），可工作在 “定時器模式”（用于定時）或 “計數器模式”（用于計數外部脈沖）。
時鐘與分頻：單片機的時鐘由 “晶振” 提供，常見晶振頻率為 12MHz 或 11.0592MHz。但 51 單片機會對晶振頻率做 “12 分頻”—— 比如 12MHz 晶振，分頻后實際時鐘頻率為12MHz/12 = 1MHz，對應 “1 個時鐘周期 = 1μs”（即單片機執行一條基本指令需要 1μs）。

2. 定時器初值計算（以 1ms 定時為例）

定時器是 “自增型” 的：從 “初值” 開始，每過 1 個時鐘周期加 1，加到 “65535”（16 位定時器的最大值）后會 “溢出”，觸發定時器中斷。
要實現 1ms（1000μs）定時，需計算 “初值”：

1ms 需要的時鐘周期數：1000μs / 1μs = 1000；
定時器初值 = 最大值 - 所需周期數 =?65535 - 1000 = 64535（十六進制為 0xFC67）。
只需將初值寫入定時器的 TH0（高 8 位）和 TL0（低 8 位），即可實現 1ms 定時。

定時器：能夠產生一個精準的定時，不同外設對時序的要求高(高電平和低電平時間是精準的)
51單片機內部有兩個定時器，分別為timer0、timer1，所使用自增型定時器（計數器16位）

Clock，時鐘，CPU運行節拍，頻率（Intel 2.1GHZ)
頻率單位：HZ
時間單位：S
頻率和時間關系：1/2.1GHZs
51單片機：
晶振，晶體振蕩器（12MHZ/11.059MHZ)

51單片機達不到12MHZ，將12MHZ進行12分頻，12MHZ/12=1MHZ
51單片機完成一條指令運算：1/1MHZ=1us

通過定時器0實現1ms定時：
1ms |= 1000us
定時器初值：64535

3. 定時器相關寄存器配置（以 Timer0 為例）

8位自動重裝載定時器：分為TLO和TH0兩部分，1byte，實際參與計數的只有TLO，當TLO中的值加到255溢出后，再將THO中的值重新裝入到TLO中

TCON 寄存器：

（1）bit4置1，TMOD寄存器中的Gate位清0,代表允許定時器開始計數，

TMOD 寄存器（定時器 / 計數器模式控制寄存器）：

(1）定時器0->低四位清0
(2）將TMOD寄存器中的M0，bit0置1，代表定時器0工作在16位定時器/計數器模式

?????

IE 寄存器：

（1）將IE寄存器中的bit7置1，代表CPU能夠響應所有中斷

（2）將IE寄存器中的bit1置1，代表允許定時器0產生中斷

4. 定時器配置流程（5 步）

1.?先配置TMOD模式選擇寄存器，將低四位清0，再將bit0置1代表工作在16位定時器

2.?向TH0和TL0中裝入定時器的初值(1ms?->?64535)

3.??將TCON寄存器中的bit6置1，代表允許定時器開始計數

4.??將IE寄存器中的bit7和bit1置1，開啟中斷總開關和定時器0的子開關

5.?編寫定時器0的中斷服務函數