C51程序设计精要：掌握单片机编程的秘密武器

# 1. C51单片机基础

C51单片机是一种8位微控制器，广泛应用于工业控制、医疗设备和消费电子产品等领域。它具有低成本、高可靠性和易于编程的特点。本章将介绍C51单片机的基本结构、指令集和编程环境，为后续的C51程序设计奠定基础。

### 1.1 C51单片机结构

C51单片机主要由以下几个部分组成：

- **中央处理单元（CPU）：**负责执行指令和处理数据。
- **存储器：**包括程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM），用于存储程序代码和数据。
- **输入/输出（I/O）端口：**用于与外部设备进行数据交换。
- **定时器/计数器：**用于产生定时脉冲和计数事件。
- **中断系统：**用于处理外部事件和内部异常。

# 2. C51程序设计基础

### 2.1 C51语言特性

#### 2.1.1 数据类型

C51语言支持多种数据类型，包括：

- **整型：**8位、16位和32位有符号和无符号整数
- **浮点型：**32位单精度浮点数
- **字符型：**8位ASCII字符
- **布尔型：**真或假

#### 2.1.2 变量

变量用于存储数据。在C51中，变量必须在使用前声明其类型和名称。例如：

int a; // 声明一个16位有符号整数变量

#### 2.1.3 运算符

C51支持各种运算符，包括：

- **算术运算符：**+、-、*、/、%
- **关系运算符：**==、!=、>、<、>=、<=
- **逻辑运算符：**&&、||、!

### 2.2 C51程序结构

#### 2.2.1 程序流程控制

C51支持多种程序流程控制结构，包括：

- **if-else语句：**根据条件执行不同的代码块
- **switch-case语句：**根据多个条件执行不同的代码块
- **for循环：**重复执行代码块一定次数
- **while循环：**重复执行代码块，直到条件为假
- **do-while循环：**至少执行一次代码块，然后重复执行，直到条件为假

#### 2.2.2 函数

函数是一组可重复使用的代码块。在C51中，函数必须在使用前声明其返回类型、名称和参数。例如：

int add(int a, int b) {
  return a + b;
}

#### 2.2.3 数组

数组是一种数据结构，用于存储相同类型的数据元素。在C51中，数组必须在使用前声明其类型、名称和大小。例如：

int arr[10]; // 声明一个包含10个整数的数组

# 3. C51单片机外设编程

**3.1 I/O端口编程**

### 3.1.1 I/O端口的配置

C51单片机共有4个I/O端口，分别是P0、P1、P2和P3。每个端口有8位，每位可以独立配置为输入或输出。

I/O端口的配置通过寄存器P0M0、P0M1、P1M0、P1M1、P2M0、P2M1、P3M0和P3M1进行。这些寄存器的每一位对应一个I/O端口的某一位，0表示该位配置为输入，1表示该位配置为输出。

例如，要将P0端口的第3位配置为输出，可以执行以下代码：

P0M0 |= 0x08;

### 3.1.2 I/O端口的读写

I/O端口的读写通过寄存器P0、P1、P2和P3进行。这些寄存器的每一位对应一个I/O端口的某一位，读该寄存器的值可以获取I/O端口的状态，写该寄存器的值可以设置I/O端口的状态。

例如，要读取P0端口的状态，可以执行以下代码：

uint8_t p0_value = P0;

要设置P0端口的第3位为高电平，可以执行以下代码：

P0 |= 0x08;

**3.2 定时器编程**

### 3.2.1 定时器的配置

C51单片机共有两个16位定时器，分别是定时器0和定时器1。每个定时器都可以配置为不同的工作模式，包括模式0、模式1和模式2。

定时器的配置通过寄存器TMOD、TH0、TL0、TH1和TL1进行。TMOD寄存器用于选择定时器的模式，TH0和TL0寄存器用于设置定时器0的初值，TH1和TL1寄存器用于设置定时器1的初值。

例如，要将定时器0配置为模式1，初值为65535，可以执行以下代码：

TMOD &= 0xF0;
TMOD |= 0x01;
TH0 = 0xFF;
TL0 = 0xFF;

### 3.2.2 定时器的中断处理

定时器可以产生中断，当定时器计数达到初值时，就会产生中断。

定时器中断的处理通过寄存器IE和IP进行。IE寄存器用于使能中断，IP寄存器用于设置中断的优先级。

例如，要使能定时器0中断，可以执行以下代码：

IE |= 0x82;

要设置定时器0中断的优先级为最高，可以执行以下代码：

IP |= 0x10;

**3.3 串口编程**

### 3.3.1 串口的配置

C51单片机有两个串口，分别是串口0和串口1。每个串口都可以配置为不同的波特率和数据格式。

串口的配置通过寄存器SCON、SBUF、PCON和BRG进行。SCON寄存器用于设置串口的工作模式和数据格式，SBUF寄存器用于发送和接收数据，PCON寄存器用于设置串口的时钟源，BRG寄存器用于设置串口的波特率。

例如，要将串口0配置为波特率为9600，数据格式为8位数据位、1位停止位、无校验，可以执行以下代码：

SCON = 0x50;
PCON |= 0x80;
BRG = 0xF3;

### 3.3.2 串口的收发数据

串口可以收发数据，发送数据通过SBUF寄存器，接收数据也通过SBUF寄存器。

例如，要发送数据0x55，可以执行以下代码：

SBUF = 0x55;

要接收数据，可以执行以下代码：

uint8_t data = SBUF;

# 4. C51单片机应用实例

本节将通过几个实际应用实例，帮助读者深入理解C51单片机的编程方法。

### 4.1 数码管显示

#### 4.1.1 数码管的原理

数码管是一种常见的电子显示器件，它通过不同形状的LED灯段组合来显示数字或字符。每个数码管有7个LED灯段，分别对应a、b、c、d、e、f、g。通过控制这些灯段的亮灭状态，可以显示不同的数字或字符。

#### 4.1.2 C51程序实现数码管显示

#include <reg51.h>

void main() {
    // 初始化数码管端口
    P0 = 0x00;
    P2 = 0x00;

    // 显示数字0
    P0 = 0x3F;
    P2 = 0x06;

    // 显示数字1
    P0 = 0x06;
    P2 = 0x05;

    // 显示数字2
    P0 = 0x5B;
    P2 = 0x04;

    // ...

    // 显示数字9
    P0 = 0x6F;
    P2 = 0x01;
}

**代码逻辑分析：**

* 初始化数码管端口，将P0和P2端口设置为输出模式。
* 通过设置P0端口的各个位来控制数码管的各个灯段。
* 通过设置P2端口的各个位来控制数码管的共阴极。
* 不同的数字对应不同的灯段亮灭组合，通过设置P0和P2端口的值来显示不同的数字。

### 4.2 键盘扫描

#### 4.2.1 键盘的原理

键盘是一种输入设备，它通过按键来输入字符或指令。键盘的每个按键对应一个开关，当按键按下时，开关闭合，产生一个电信号。通过扫描键盘的各个按键，可以检测到哪个按键被按下。

#### 4.2.2 C51程序实现键盘扫描

#include <reg51.h>

void main() {
    // 初始化键盘端口
    P1 = 0xFF;

    while (1) {
        for (int i = 0; i < 8; i++) {
            // 设置P1端口的第i位为低电平
            P1 &= ~(1 << i);

            // 扫描键盘的第i行
            for (int j = 0; j < 8; j++) {
                // 如果P1端口的第j位为低电平，则说明第i行第j列的按键被按下
                if ((P1 & (1 << j)) == 0) {
                    // 处理按键按下事件
                }
            }

            // 将P1端口的第i位恢复为高电平
            P1 |= (1 << i);
        }
    }
}

**代码逻辑分析：**

* 初始化键盘端口，将P1端口设置为输入模式，并设置所有位为高电平。
* 循环扫描键盘的每一行，通过将P1端口的某一位设置为低电平来实现。
* 扫描键盘的每一行时，检测P1端口的各个位是否为低电平，如果为低电平，则说明该行该列的按键被按下。
* 处理按键按下事件，可以根据按键的位置执行不同的操作。

### 4.3 LED灯控制

#### 4.3.1 LED灯的原理

LED灯是一种发光二极管，它在正向偏置时会发光。通过控制LED灯的正向偏置状态，可以控制LED灯的亮灭。

#### 4.3.2 C51程序实现LED灯控制

#include <reg51.h>

void main() {
    // 初始化LED灯端口
    P1 = 0x00;

    while (1) {
        // 点亮LED灯
        P1 = 0xFF;

        // 熄灭LED灯
        P1 = 0x00;
    }
}

**代码逻辑分析：**

* 初始化LED灯端口，将P1端口设置为输出模式。
* 循环点亮和熄灭LED灯，通过设置P1端口的值来实现。
* 当P1端口的值为0xFF时，所有LED灯点亮。
* 当P1端口的值为0x00时，所有LED灯熄灭。

# 5.1 中断编程

### 5.1.1 中断的概念

中断是一种硬件机制，当发生特定事件时，它可以暂停当前正在执行的程序，并跳转到一个专门处理该事件的程序段。中断处理程序执行完成后，程序将返回到被中断的位置继续执行。

### 5.1.2 C51单片机的中断处理

C51单片机有5个中断源，分别是：

* 外部中断0（INT0）
* 外部中断1（INT1）
* 定时器0中断（TF0）
* 定时器1中断（TF1）
* 串口中断（RI）

每个中断源都有一个对应的中断向量地址，当发生中断时，程序将跳转到该地址执行中断处理程序。

中断处理程序的编写格式如下：

void interrupt_handler_name() interrupt interrupt_number
{
    // 中断处理代码
}

其中：

* `interrupt_handler_name` 是中断处理程序的名称
* `interrupt_number` 是中断源的编号，范围为0~4

例如，以下代码定义了外部中断0的中断处理程序：

void interrupt ext0_interrupt() interrupt 0
{
    // 外部中断0处理代码
}

为了使中断能够被触发，需要在程序中启用中断。启用中断的代码如下：

EA = 1;

其中，`EA`是全局中断使能位，置1表示启用中断。

**代码块：**

void interrupt ext0_interrupt() interrupt 0
{
    // 外部中断0处理代码
}

void main()
{
    // ...

    // 启用中断
    EA = 1;

    // ...
}