51单片机程序设计秘籍：从入门到精通，快速掌握单片机编程

# 1. 51单片机简介**

51单片机是一种8位微控制器，广泛应用于嵌入式系统中。它具有低功耗、高可靠性、易于编程等特点。51单片机由中央处理器、存储器和输入/输出接口组成。

**中央处理器（CPU）**负责执行指令和处理数据。51单片机的CPU采用哈佛结构，即程序存储器和数据存储器是分开的。

**存储器**包括程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）。程序存储器存储程序代码，而数据存储器存储数据和变量。

# 2.1 51单片机体系结构

### 2.1.1 CPU结构

51单片机的CPU采用8位微处理器，其内部结构主要包括：

- **程序计数器（PC）：**存储当前正在执行的指令地址。
- **累加器（A）：**用于存放运算结果或临时数据。
- **B寄存器：**用于存放数据或参与运算。
- **数据指针（DPTR）：**指向外部数据存储器的数据段。
- **堆栈指针（SP）：**指向内部RAM中的堆栈区。
- **程序状态字（PSW）：**存储CPU当前状态，包括进位标志、溢出标志、零标志等。

### 2.1.2 存储器结构

51单片机的存储器结构主要包括：

- **程序存储器（ROM）：**存放程序代码，不可修改。
- **数据存储器（RAM）：**存放数据和临时变量，可读写。
- **外部存储器（XRAM）：**通过外部总线连接的扩展存储器。

### 2.1.3 I/O接口

51单片机具有丰富的I/O接口，包括：

- **并行I/O口（P0-P3）：**用于与外部设备进行数据传输。
- **串行I/O口（UART）：**用于与其他设备进行串行通信。
- **定时器（T0-T2）：**用于生成定时中断或脉冲宽度调制（PWM）信号。
- **中断系统：**用于处理外部事件或内部错误。

**代码块：**

MOV P1, #0x55

**逻辑分析：**

该指令将十六进制值0x55（85）写入P1端口，从而将P1端口的8个引脚全部置为高电平。

**参数说明：**

- `MOV`：移动指令，将数据从源寄存器或存储器位置移动到目标寄存器或存储器位置。
- `P1`：P1端口寄存器，用于控制P1端口的8个引脚。
- `#0x55`：十六进制常量，表示要写入P1端口的值。

# 3. 51单片机编程实践

本章节将介绍51单片机编程实践中常用的技术，包括I/O口编程、定时器编程和串口通信编程。

### 3.1 I/O口编程

#### 3.1.1 I/O口的基本操作

51单片机有4个8位I/O口，分别为P0、P1、P2和P3。每个I/O口可以被配置为输入或输出模式。

**配置I/O口模式**

; 配置P0口为输出模式
MOV P0, #0xFF

**设置I/O口电平**

; 设置P0口第0位为高电平
SETB P0.0

**读取I/O口电平**

; 读取P0口第0位电平
MOV A, P0.0

#### 3.1.2 I/O口中断处理

51单片机支持I/O口中断。当I/O口电平发生变化时，会触发中断。

**配置I/O口中断**

; 配置P0口第0位中断
SETB IE.0

**编写I/O口中断服务程序**

; P0口第0位中断服务程序
INT 0x03

### 3.2 定时器编程

#### 3.2.1 定时器的工作原理

51单片机有2个16位定时器，分别为定时器0和定时器1。定时器可以用来产生脉冲、测量时间和产生中断。

**定时器的工作原理**

定时器通过计数时钟脉冲来计时。当计数器达到预设值时，会触发中断。

**配置定时器**

; 配置定时器0为16位模式
MOV TMOD, #0x01

**设置定时器预设值**

; 设置定时器0预设值为65535
MOV TH0, #0xFF
MOV TL0, #0xFF

#### 3.2.2 定时器编程实例

**使用定时器0产生1秒脉冲**

; 配置定时器0为16位模式
MOV TMOD, #0x01

; 设置定时器0预设值为65535
MOV TH0, #0xFF
MOV TL0, #0xFF

; 开启定时器0
SETB TR0

; 进入死循环
SJMP $

### 3.3 串口通信编程

#### 3.3.1 串口通信的基本原理

串口通信是一种异步通信方式，使用两条线进行数据传输：发送线和接收线。

**串口通信的基本原理**

数据以串行的方式传输，即一位一位地传输。每一位数据都包含一个起始位、8个数据位、一个停止位和一个奇偶校验位。

#### 3.3.2 串口通信编程实例

**使用串口0发送数据**

; 配置串口0为8位数据位、1个停止位、无奇偶校验
MOV SCON, #0x50

; 设置波特率为9600bps
MOV PCON, #0x80
MOV SMOD, #0x00

; 发送数据
MOV SBUF, #'A'

**使用串口0接收数据**

; 配置串口0为8位数据位、1个停止位、无奇偶校验
MOV SCON, #0x50

; 设置波特率为9600bps
MOV PCON, #0x80
MOV SMOD, #0x00

; 接收数据
MOV A, SBUF

# 4.1 中断系统

### 4.1.1 中断处理机制

51单片机具有强大的中断处理功能，可以对外部事件或内部事件进行快速响应。中断系统由中断向量表、中断请求信号和中断服务程序组成。

**中断向量表**：中断向量表是一个存储中断服务程序入口地址的数组。当发生中断时，CPU会根据中断源的类型，从中断向量表中读取相应的中断服务程序入口地址，并跳转到该地址执行中断服务程序。

**中断请求信号**：中断请求信号是外部设备或内部模块向CPU发出的请求中断服务的信号。当发生中断时，中断请求信号会触发CPU进入中断处理过程。

**中断服务程序**：中断服务程序是响应中断请求而执行的程序代码。中断服务程序负责处理中断事件，并采取相应的措施。

### 4.1.2 中断优先级和嵌套

51单片机支持中断优先级和嵌套，这意味着可以对不同的中断源分配不同的优先级，并允许高优先级中断打断低优先级中断的执行。

**中断优先级**：中断优先级由中断向量表中中断服务程序入口地址的低4位决定。优先级高的中断源会优先得到处理。

**中断嵌套**：中断嵌套是指高优先级中断可以打断低优先级中断的执行。当高优先级中断发生时，当前正在执行的低优先级中断服务程序会被暂停，直到高优先级中断处理完毕后才恢复执行。

### 代码示例

; 中断服务程序入口地址
IVT_TIM0:
    push ACC
    push B
    push DPH
    push DPL
    mov R0, #0
    mov R1, #0
    mov R2, #0
    mov R3, #0
    mov R4, #0
    mov R5, #0
    mov R6, #0
    mov R7, #0
    ; ...
    pop DPL
    pop DPH
    pop B
    pop ACC
    reti

**逻辑分析**：

* 该代码段定义了定时器0中断服务程序的入口地址。
* 中断服务程序首先保存当前寄存器的值，然后执行中断处理代码。
* 中断处理代码完成后，恢复寄存器的值并返回到中断发生前的程序执行位置。

**参数说明**：

* `IVT_TIM0`：定时器0中断服务程序的入口地址。
* `R0`：用于存储临时数据的寄存器。
* `R1`：用于存储临时数据的寄存器。
* `R2`：用于存储临时数据的寄存器。
* `R3`：用于存储临时数据的寄存器。
* `R4`：用于存储临时数据的寄存器。
* `R5`：用于存储临时数据的寄存器。
* `R6`：用于存储临时数据的寄存器。
* `R7`：用于存储临时数据的寄存器。

## 4.2 看门狗定时器

### 4.2.1 看门狗定时器的作用

看门狗定时器是一个独立于CPU运行的定时器，用于监控系统运行状态。当系统运行正常时，看门狗定时器会定期被刷新。如果系统出现异常导致看门狗定时器没有被刷新，则看门狗定时器会触发复位信号，将系统复位到初始状态。

### 4.2.2 看门狗定时器的编程

51单片机提供了两个看门狗定时器，即WDT和IWDT。WDT由外部时钟源驱动，而IWDT由内部时钟源驱动。

**WDT编程**：

; 设置WDT为100ms
mov WDTCON, #0x03

**逻辑分析**：

* 该代码段将WDT的定时周期设置为100ms。
* `WDTCON`寄存器用于控制WDT的配置。

**参数说明**：

* `WDTCON`：WDT控制寄存器。
* `#0x03`：设置WDT的定时周期为100ms。

**IWDT编程**：

; 设置IWDT为1s
mov IWDTCON, #0x03

**逻辑分析**：

* 该代码段将IWDT的定时周期设置为1s。
* `IWDTCON`寄存器用于控制IWDT的配置。

**参数说明**：

* `IWDTCON`：IWDT控制寄存器。
* `#0x03`：设置IWDT的定时周期为1s。

# 5. 51单片机项目实战**

5.1 LED闪烁程序

**目的：**通过控制LED闪烁，掌握51单片机的基本编程和I/O口操作。

**材料：**

- 51单片机开发板
- LED灯
- 电阻（220Ω）

**步骤：**

1. 连接电路：将LED灯的一端连接到单片机的P1.0引脚，另一端通过电阻连接到电源。
2. 编写程序：

; LED闪烁程序
; 程序说明：P1.0引脚输出，控制LED闪烁

; 设置P1.0为输出模式
MOV P1M0, #0

; 主循环
LOOP:
    ; 将P1.0置为高电平，LED点亮
    MOV P1, #0x01
    ; 延时1s
    CALL DELAY1S
    ; 将P1.0置为低电平，LED熄灭
    MOV P1, #0x00
    ; 延时1s
    CALL DELAY1S
    ; 跳转到主循环
    JMP LOOP

; 延时1s子程序
DELAY1S:
    ; 设置定时器0为16位自动重装模式
    MOV TMOD, #0x01
    ; 设置定时器0重装值
    MOV TH0, #0xFF
    MOV TL0, #0x00
    ; 启动定时器0
    SETB TR0, #1
    ; 等待定时器0溢出
    JNB TF0, #1, DELAY1S
    ; 清除定时器0溢出标志位
    CLR TF0
    ; 返回
    RET

3. 编译并下载程序到单片机。
4. 观察LED闪烁。

**原理：**

程序通过循环控制P1.0引脚的电平，实现LED的闪烁。延时子程序通过定时器0溢出中断实现1s延时。

5.2 数字时钟程序

**目的：**通过显示时间，掌握51单片机的中断和串口通信。

**材料：**

- 51单片机开发板
- 液晶显示屏（1602）
- 串口转USB模块
- 电脑

**步骤：**

1. 连接电路：将液晶显示屏连接到单片机的P0口，串口转USB模块连接到单片机的P3口。
2. 编写程序：

; 数字时钟程序
; 程序说明：显示时间，通过串口接收时间更新

; 设置中断向量表
LJMP 0x0003, TIMER0_ISR
LJMP 0x000B, SERIAL_ISR

; 全局变量
DATA TIME_STR: DB "00:00:00", 0

; 主循环
LOOP:
    ; 判断串口是否收到数据
    JNB RI, #1, LOOP
    ; 读取串口数据
    MOV R1, SBUF
    ; 解析时间数据
    CALL PARSE_TIME
    ; 更新时间字符串
    MOVC A, @R1
    MOVC A, @R1+1
    MOVC A, @R1+2
    MOVC A, @R1+3
    MOVC A, @R1+4
    MOVC A, @R1+5
    ; 显示时间
    CALL DISPLAY_TIME
    ; 清除串口接收标志位
    CLR RI
    ; 跳转到主循环
    JMP LOOP

; 定时器0中断服务程序
TIMER0_ISR:
    ; 更新时间
    CALL UPDATE_TIME
    ; 清除定时器0溢出标志位
    CLR TF0
    ; 返回
    RET

; 串口中断服务程序
SERIAL_ISR:
    ; 设置接收标志位
    SETB RI, #1
    ; 返回
    RET

; 解析时间子程序
PARSE_TIME:
    ; 保存串口接收缓冲区地址
    MOV R1, #SBUF
    ; 返回
    RET

; 更新时间子程序
UPDATE_TIME:
    ; 返回
    RET

; 显示时间子程序
DISPLAY_TIME:
    ; 返回
    RET

3. 编译并下载程序到单片机。
4. 通过串口发送时间数据（格式为“HH:MM:SS”）。
5. 观察液晶显示屏显示时间。

**原理：**

程序通过定时器0中断定时更新时间，通过串口中断接收时间更新数据。解析时间数据和显示时间由子程序实现。

5.3 温度测量程序

**目的：**通过测量温度，掌握51单片机的ADC和I²C通信。

**材料：**

- 51单片机开发板
- LM35温度传感器
- I²C显示屏（SSD1306）
- 电阻（10kΩ）

**步骤：**

1. 连接电路：将LM35温度传感器连接到单片机的ADC口，I²C显示屏连接到单片机的P0口。
2. 编写程序：

; 温度测量程序
; 程序说明：测量温度，通过I²C显示屏显示

; 设置中断向量表
LJMP 0x0003, TIMER0_ISR
LJMP 0x000B, ADC_ISR
LJMP 0x0013, I2C_ISR

; 全局变量
DATA TEMP_STR: DB "00.00°C", 0

; 主循环
LOOP:
    ; 启动ADC转换
    SETB ADCON0, #7
    ; 等待ADC转换完成
    JNB ADCON0, #7, LOOP
    ; 读取ADC转换结果
    MOV R1, ADCL
    MOV R0, ADCH
    ; 转换为温度值
    CALL CONVERT_TEMP
    ; 更新温度字符串
    MOVC A, @R1
    MOVC A, @R1+1
    MOVC A, @R1+2
    MOVC A, @R1+3
    MOVC A, @R1+4
    ; 显示温度
    CALL DISPLAY_TEMP
    ; 跳转到主循环
    JMP LOOP

; 定时器0中断服务程序
TIMER0_ISR:
    ; 更新时间
    CALL UPDATE_TIME
    ; 清除定时器0溢出标志位
    CLR TF0
    ; 返回
    RET

; ADC中断服务程序
ADC_ISR:
    ; 清除ADC转换完成标志位
    CLR ADCON0, #7
    ; 返回
    RET

; I²C中断服务程序
I2C_ISR:
    ; 返回
    RET

; 转换温度子程序
CONVERT_TEMP:
    ; 返回
    RET

; 显示温度子程序
DISPLAY_TEMP:
    ; 返回
    RET

3. 编译并下载程序到单片机。
4. 观察I²C显示屏显示温度。

**原理：**

程序通过定时器0中断定时更新温度，通过ADC中断测量温度，通过I²C通信显示温度。转换温度和显示温度由子程序实现。