day41 51單片機最小系統、GPIO控制、時序邏輯器件（74HC138/595）與LED點陣驅動原理

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一、嵌入式系統基礎概念

1.1 嵌入式系統定義

先設計硬件，基于硬件設計軟件實現一個具體的功能 —— 專用的計算機系統

• 硬件/軟件可剪裁：根據功能需求裁剪軟硬件資源。
• 主流方案：ARM + Linux（當前主流）
• 早期方案：單片機 + C語言（至今仍廣泛用于教學與簡單控制）

1.2 軟件操作硬件的核心特點

• 軟件可以直接操作硬件寄存器/引腳電平
• 程序執行需要時間 → 引入延時函數、定時器、中斷機制
• 接口類型：
  • 輸入/輸出（采集/控制/通信）
  • 模擬量（需ADC/DAC）
• 關鍵技術模塊：
  • 定時器（Timer）
  • 中斷（Interrupt）
  • UART（串口通信）

1.3 開發思維三要素（獨立思考）

• 做什么？ —— 明確目標（如：點亮LED、顯示數字）
• 怎么做？ —— 方法/步驟（如：查原理圖→找引腳→寫電平）
• 會不會？ —— 評估能力（如：是否掌握GPIO、時序控制）

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二、單片機最小系統與電平基礎

2.1 最小系統必備組件

• 電源：直流5V（部分支持3.3V）
• 晶振：提供標準時鐘信號（方波）
• 復位電路：高電平或低電平復位
• 51單片機必須外接以上三部分

2.2 電平標準（5V系統）

電壓范圍	邏輯電平
< 0.8V	低電平 (0)
> 2.4V	高電平 (1)
0.8V ~ 2.4V	不確定狀態（應避免）

注：實際中，0V = GND = 邏輯0；5V = 邏輯1

2.3 時鐘與機器周期

• 時鐘頻率決定處理器工作速率
• STC89C52RC特性：
  • 工作電壓：5.5V–3.3V
  • 頻率：0–40MHz（等效8051的0–80MHz，實際可達48MHz）
  • 6T/12T模式可選（指令周期）
  • 4K–64K ROM，1280/512字節RAM
  • 35/39個I/O口，P0開漏需上拉，其余為準雙向口
  • 支持ISP/IAP，通過串口下載程序
  • 內置EEPROM、看門狗、MAX810復位電路（可省外部復位）

標準時鐘信號：方波，協調數字系統各部分時序，保證有序運行。

晶振波形：正弦波形態，為系統提供穩定基準頻率。

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三、裸機硬件開發流程

3.1 開發三步驟

1. 理解硬件工作原理（如LED、數碼管、點陣、74HC595等）
2. 查看原理圖 → 找連接關系
   • 在開發板上找器件絲印（白色小字）
   • 在原理圖中按絲印定位元器件
   • 查看引腳連接關系（網絡標號成對出現）
3. 控制對應引腳輸出電平（高/低）

原理圖：邏輯連接關系
PCB：物理連接關系

3.2 復位電路示例

高電平復位阻容電路：

• 元件：VCC、RSTK1（復位鍵）、C14（10μF）、R9（10kΩ）、GND
• 未按鍵：C14充電 → RST高電平 → 復位
• 按鍵：強制拉低 → 釋放后重新充電復位

3.3 排阻與灌電流

• 排阻：如 RP9、RP10，阻值 471 = 47 × 101 = 470Ω
• 引腳灌電流能力弱 → 需外接驅動或限流電阻

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四、GPIO控制與LED點亮實踐

4.1 單片機端口結構

• P0（0x80）、P1（0x90）、P2（0xA0）、P3（0xB0）
• 每個端口8位，支持讀（輸入）和寫（輸出）

4.2 Keil工程與代碼示例

#include <reg51.h>  // 包含51單片機寄存器定義頭文件void main(void)
{P2 = 0x55; // 0b 0101 0101，P2口輸出交替高低電平
}

編譯輸出：

Build target 'Target 1'
assembling STARTUP.A51...
compiling main.c...
"test1" - 0 Error(s), 0 Warning(s).

下載成功提示（STC-ISP）：

操作成功 !(2025-09-13 14:30:51)

示波器實測波形：正弦波，50kSa/s，2V/div，最大值5.20V

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五、延時函數與方波生成

5.1 延時函數實現

#include <reg51.h>// 延時函數，參數i控制延時長度
void delay(unsigned int i)
{unsigned int num = i;  // 初始化計數值int j = 0;             // 循環變量for(j = 0; j < 10; j++) // 外層循環放大延時{num = i;           // 重置內層計數while(num--);      // 空循環消耗時間}
}void main(void)
{while(1){P2 = 0;            // 輸出全低電平// P2 = 0xff;      // 若取消注釋，將輸出全高電平，形成方波}
}

示波器實測方波：

• 2μs/div，250MSa/s采樣率
• 2V/div（10X探頭），最大值5.04V
• 波形穩定，高低電平分明

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六、數碼管與74HC138譯碼器驅動

6.1 數碼管段碼

• P0 = 0x5b; // 顯示數字“2”

74HC138譯碼器電路：

• 輸入：A(P22)、B(P23)、C(P24) → 組合0~7
• 輸出：Yn低電平有效（選中第n個LED/數碼管）
• G1=VCC，G2A=G2B=GND → 使能譯碼器

74HC138真值表：輸入組合決定哪個Yn輸出低電平

動態數碼管模塊：P0口控制段碼，P2口經74HC138控制位選

6.2 動態掃描代碼

#include <reg51.h>void delay(unsigned int i)
{unsigned int num = i;int j = 0;for(j = 0; j < 10; j++){num = i;while(num--);}
}void main(void)
{while(1){P2 = 0;          // 選中第0位P0 = 0x5b;       // 顯示數字2delay(10000);P2 = (1 << 2);   // 選中第1位（P2.2=1, P2.3=0, P2.4=0 → ABC=001）P0 = 0x5b;delay(10000);P2 = (2 << 2);   // 選中第2位（ABC=010）P0 = 0x5b;delay(10000);P2 = (3 << 2);   // 選中第3位（ABC=011）P0 = 0x5b;delay(10000);}
}

6.3 優化：循環掃描0~7位

void main(void)
{unsigned char i = 0;while(1){for(i = 0; i < 8; i++){P2 = i << 2;     // 位選：i左移2位送P2口（控制ABC）P0 = 0x5b;       // 段碼：顯示數字2delay(6000);}}
}

6.4 顯示0~7數字

// 數碼管0~9的段碼表（共陰）
unsigned char digit_data[10] = {0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f};void main(void)
{unsigned char i = 0;while(1){for(i = 0; i < 8; i++){P2 = i << 2;           // 位選第i個數碼管P0 = digit_data[i];    // 顯示數字idelay(1);              // 短暫延時P0 = 0;                // 熄滅，避免殘影（動態掃描關鍵）}}
}

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七、8×8 LED點陣驅動原理

175775507819211.png&pos_id=img-ptGkiVTP-1757759177008)
8×8 LED點陣模塊：

• 行：A1-A8（DPa-DPh）→ 接P0口
• 列：K1-K8 → 接P2口（或其他控制口）
• 顯示“1”示例：
  • a=0, b=1, c=1, d=0, e=0, f=0, g=0 （需根據實際連接推導）

7.1 控制原理（以共陽點陣為例）

• 共陽極：行接VCC（高電平），列接地（低電平）則LED亮
• 共陰極：列接VCC（高電平），行接地（低電平）則LED亮
• 掃描方式：逐行/逐列掃描 + 視覺暫留 → 顯示完整圖案

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八、74HC595 串轉并移位寄存器詳解

74HC595模塊電路：

• SER (P34)：串行數據輸入
• SRCLK (P36)：移位寄存器時鐘
• RCLK (P35)：存儲寄存器時鐘（與OE共用P35，實際應分開）
• OE (P35)：輸出使能（低電平有效）
• QA-QH → DPa-DPh（并行輸出）

引腳功能表：

• Q0~Q7 (15,1,7…)：并行輸出
• MR (10)：主復位（低有效，通常接VCC）
• SHCP (11)：移位時鐘（SCK）
• STCP (12)：存儲時鐘（RCK）
• OE (13)：輸出使能（低有效）
• DS (14)：串行數據輸入（SER）
• Q7’ (9)：串行數據輸出（級聯用）

8.1 控制端說明

• /SCLR (MR, 10腳)：低電平時清零移位寄存器。通常接VCC。
• SCK (SHCP, 11腳)：
  • 上升沿：數據移位 QA→QB→…→QH
  • 下降沿：數據保持不變
  • 脈寬 > 幾十納秒（5V系統）
• RCK (STCP, 12腳)：
  • 上升沿：移位寄存器 → 存儲寄存器
  • 下降沿：存儲寄存器保持
  • 通常先置低，移位完成后給一個正脈沖（微秒級）更新輸出
• /G (OE, 13腳)：
  • 高電平：輸出高阻態（禁止輸出）
  • 低電平：正常輸出
  • 用單獨引腳控制可輕松實現閃爍效果（比數據移位更高效）

工作邏輯示意圖：

• 輸入數據：0b 11001010
• 步驟：
  1. RCLK=0; SRCLK=0;
  2. 8次 SRCLK 上升沿 → 數據逐位移入 QA~QH
  3. 1次 RCLK 上升沿 → 數據鎖存到輸出端
  4. 輸出：DPa=QA, DPb=QB, …, DPh=QH

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? 本日知識點：嵌入式概念、最小系統、電平標準、GPIO控制、延時函數、74HC138譯碼器、數碼管動態掃描、8×8點陣原理、74HC595串轉并驅動 —— 構成單片機外設控制核心知識體系。