揭秘单片机语言C51程序设计：从基础到实战，全面解析

# 1. 单片机C51语言简介**

C51语言是一种专为英特尔8051系列单片机设计的汇编语言。它具有简洁、高效、易于理解等特点，广泛应用于嵌入式系统开发中。

C51语言基于8位数据总线，支持多种数据类型，包括整数、浮点数、字符和字符串。它提供了丰富的指令集，包括算术运算、逻辑运算、控制转移和输入/输出操作等。

C51语言采用模块化设计，程序可以分为多个模块，每个模块负责特定的功能。这使得程序易于维护和扩展。

# 2.1 数据类型和变量

### 2.1.1 数据类型概述

C51语言支持多种数据类型，用于表示不同类型的数据。常见的数据类型包括：

- **整型：**用于表示整数，包括有符号和无符号类型。
- **浮点型：**用于表示小数或实数。
- **字符型：**用于表示单个字符。
- **布尔型：**用于表示真或假。

### 2.1.2 变量定义和使用

变量用于存储数据，变量的定义需要指定数据类型和变量名。变量定义的语法如下：

<数据类型> <变量名>;

例如：

int num;
char ch;

变量的使用需要通过变量名进行访问，例如：

num = 10;
ch = 'a';

## 2.2 运算符和表达式

### 2.2.1 算术运算符

算术运算符用于执行算术运算，包括加(+)、减(-)、乘(*)、除(/)、取模(%)等。

int a = 10, b = 5;
int sum = a + b; // sum = 15
int diff = a - b; // diff = 5
int prod = a * b; // prod = 50
int quot = a / b; // quot = 2
int rem = a % b; // rem = 0

### 2.2.2 逻辑运算符

逻辑运算符用于执行逻辑运算，包括与(&&)、或(||)、非(!)等。

int a = 1, b = 0;
int result = a && b; // result = 0
result = a || b; // result = 1
result = !a; // result = 0

## 2.3 控制语句

### 2.3.1 条件语句

条件语句用于根据条件执行不同的代码块，包括 if-else 语句和 switch-case 语句。

int num = 10;
if (num > 5) {
    // 执行代码块 1
} else {
    // 执行代码块 2
}

int num = 3;
switch (num) {
    case 1:
        // 执行代码块 1
        break;
    case 2:
        // 执行代码块 2
        break;
    default:
        // 执行默认代码块
        break;
}

### 2.3.2 循环语句

循环语句用于重复执行一段代码块，包括 for 循环、while 循环和 do-while 循环。

for (int i = 0; i < 10; i++) {
    // 执行代码块
}

int i = 0;
while (i < 10) {
    // 执行代码块
    i++;
}

int i = 0;
do {
    // 执行代码块
    i++;
} while (i < 10);

# 3.1 函数和数组

#### 3.1.1 函数定义和调用

函数是将代码块封装成一个独立的单元，可以被程序中的其他部分调用。在 C51 中，函数的定义如下：

returnType functionName(parameterList) {
    // 函数体
}

其中：

* `returnType` 是函数的返回值类型，可以是 `void`（无返回值）或其他数据类型。
* `functionName` 是函数的名称。
* `parameterList` 是函数的参数列表，可以为空或包含多个参数。
* `函数体` 是函数的代码块，包含要执行的语句。

函数的调用使用以下语法：

functionName(argumentList);

其中：

* `functionName` 是要调用的函数的名称。
* `argumentList` 是传递给函数的参数列表，可以为空或包含多个参数。

**代码块：**

// 定义一个计算两个数之和的函数
int sum(int a, int b) {
    return a + b;
}

// 调用 sum 函数
int result = sum(10, 20);

**逻辑分析：**

* `sum` 函数定义了一个计算两个整数之和并返回结果的函数。
* `result` 变量存储了 `sum` 函数的返回值，即 10 + 20 = 30。

#### 3.1.2 数组定义和使用

数组是一种数据结构，它允许存储相同数据类型的多个元素。在 C51 中，数组的定义如下：

dataType arrayName[size];

其中：

* `dataType` 是数组元素的数据类型。
* `arrayName` 是数组的名称。
* `size` 是数组的大小，即元素的数量。

数组元素可以使用索引访问，索引从 0 开始。

**代码块：**

// 定义一个存储 5 个整数的数组
int numbers[5];

// 访问数组的第一个元素
int firstNumber = numbers[0];

**逻辑分析：**

* `numbers` 数组定义了一个可以存储 5 个整数的数组。
* `firstNumber` 变量存储了 `numbers` 数组的第一个元素，即索引为 0 的元素。

# 4. C51语言实战应用

### 4.1 LED灯控制

#### 4.1.1 硬件连接

* 将LED灯的正极连接到单片机的P1.0端口
* 将LED灯的负极连接到地线

#### 4.1.2 程序设计

#include <reg51.h>

void main() {
    while (1) {
        P1 = 0x01;  // 点亮LED灯
        delay(1000);  // 延时1秒
        P1 = 0x00;  // 熄灭LED灯
        delay(1000);  // 延时1秒
    }
}

void delay(unsigned int ms) {
    unsigned int i, j;
    for (i = 0; i < ms; i++) {
        for (j = 0; j < 120; j++) {
            ;  // 空操作，延时
        }
    }
}

**代码逻辑分析：**

* 主函数`main()`中，通过循环不断点亮和熄灭LED灯。
* `delay()`函数用于延时，参数`ms`表示延时时间（单位：毫秒）。

### 4.2 数码管显示

#### 4.2.1 硬件连接

* 将数码管的正极连接到单片机的P0端口
* 将数码管的负极连接到地线

#### 4.2.2 程序设计

#include <reg51.h>

const unsigned char code seg_code[] = {
    0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07,
    0x7f, 0x6f, 0x77, 0x7c, 0x39, 0x5e, 0x79, 0x71
};

void main() {
    unsigned char i;
    while (1) {
        for (i = 0; i < 10; i++) {
            P0 = seg_code[i];  // 显示数字i
            delay(1000);  // 延时1秒
        }
    }
}

void delay(unsigned int ms) {
    unsigned int i, j;
    for (i = 0; i < ms; i++) {
        for (j = 0; j < 120; j++) {
            ;  // 空操作，延时
        }
    }
}

**代码逻辑分析：**

* `seg_code`数组存储了0-9十个数字的数码管显示码。
* 主函数`main()`中，通过循环依次显示数字0-9。
* `delay()`函数用于延时，参数`ms`表示延时时间（单位：毫秒）。

### 4.3 串口通信

#### 4.3.1 硬件连接

* 将单片机的P3.0端口连接到串口接收端（RXD）
* 将单片机的P3.1端口连接到串口发送端（TXD）

#### 4.3.2 程序设计

#include <reg51.h>

void main() {
    SCON = 0x50;  // 设置串口控制寄存器
    TMOD = 0x20;  // 设置定时器1为8位自动重装模式
    TH1 = 0xFD;  // 设置定时器1重装值
    TR1 = 1;  // 启动定时器1

    while (1) {
        if (RI == 1) {  // 接收到数据
            SBUF = SBUF;  // 清除接收标志位
            P0 = SBUF;  // 将接收到的数据显示到P0端口
        }
    }
}

**代码逻辑分析：**

* 设置串口控制寄存器`SCON`为0x50，开启串口通信。
* 设置定时器1为8位自动重装模式，并设置重装值`TH1`为0xFD，波特率为9600。
* 主函数`main()`中，不断轮询接收标志位`RI`。当接收到数据时，清除接收标志位并显示接收到的数据到P0端口。

# 5.1 I2C总线通信

### 5.1.1 I2C总线概述

I2C（Inter-Integrated Circuit）总线是一种串行通信协议，用于连接微控制器和其他设备。它是一种双向、半双工通信协议，使用两根信号线：串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）。

I2C总线具有以下特点：

- 主从模式：总线上只有一个主设备和多个从设备。
- 多主设备：允许在同一总线上连接多个主设备，但一次只能有一个主设备处于活动状态。
- 地址寻址：每个从设备都有一个唯一的地址，主设备通过发送地址来选择要通信的从设备。
- 数据传输：数据以字节为单位传输，主设备和从设备都可以发送和接收数据。
- 冲突检测：I2C总线使用开漏输出，如果两个设备同时尝试发送数据，则会发生冲突，总线上的电压会下降，设备会检测到冲突并停止传输。

### 5.1.2 C51 I2C库使用

C51语言提供了I2C库，用于简化I2C总线通信。该库包含以下函数：

void I2C_Init(unsigned char baudrate);
void I2C_Start(void);
void I2C_Stop(void);
unsigned char I2C_WriteByte(unsigned char data);
unsigned char I2C_ReadByte(void);

**函数参数说明：**

- `baudrate`：I2C总线波特率，单位为kbps。
- `data`：要发送的数据字节。

**函数逻辑分析：**

- `I2C_Init()`：初始化I2C总线，设置波特率和引脚配置。
- `I2C_Start()`：启动I2C通信，发送起始信号。
- `I2C_Stop()`：停止I2C通信，发送停止信号。
- `I2C_WriteByte()`：向I2C总线发送一个数据字节。
- `I2C_ReadByte()`：从I2C总线读取一个数据字节。

**代码示例：**

#include <reg51.h>
#include <i2c.h>

void main()
{
    I2C_Init(100); // 初始化I2C总线，波特率为100kbps

    I2C_Start(); // 发送起始信号
    I2C_WriteByte(0x50); // 发送从设备地址（0x50）
    I2C_WriteByte(0x00); // 发送寄存器地址（0x00）
    I2C_Stop(); // 发送停止信号

    I2C_Start(); // 发送起始信号
    I2C_WriteByte(0x50); // 发送从设备地址（0x50）
    I2C_WriteByte(0x01); // 发送读命令（0x01）
    unsigned char data = I2C_ReadByte(); // 读取数据字节
    I2C_Stop(); // 发送停止信号
}

**代码逻辑分析：**

该代码示例使用I2C库向从设备（地址为0x50）写入数据，然后读取从设备中指定寄存器（地址为0x00）的数据。

# 6. C51语言项目实战**

**6.1 温湿度监测系统**

**6.1.1 系统设计**

温湿度监测系统是一个基于C51单片机的嵌入式系统，用于测量和显示环境中的温度和湿度。系统由以下硬件模块组成：

* C51单片机
* 温湿度传感器
* LCD显示器
* 电源模块

系统的工作原理如下：

1. C51单片机从温湿度传感器获取温度和湿度数据。
2. 单片机将数据处理成可读格式。
3. 单片机将数据显示在LCD显示器上。

**6.1.2 程序实现**

// 温湿度监测系统程序

#include <reg51.h>
#include <stdio.h>

// 温湿度传感器地址
#define DHT11_ADDR 0x5C

// 温湿度传感器命令
#define DHT11_CMD_READ_DATA 0x03

// LCD显示器地址
#define LCD_ADDR 0x27

// LCD显示器命令
#define LCD_CMD_CLEAR_DISPLAY 0x01
#define LCD_CMD_SET_CURSOR_HOME 0x02
#define LCD_CMD_WRITE_DATA 0x40

// 初始化LCD显示器
void init_lcd() {
    P0 = LCD_CMD_CLEAR_DISPLAY;
    P0 = LCD_CMD_SET_CURSOR_HOME;
}

// 向LCD显示器写入数据
void write_lcd(char data) {
    P0 = LCD_CMD_WRITE_DATA;
    P1 = data;
}

// 从温湿度传感器读取数据
void read_dht11(unsigned char *temp, unsigned char *humi) {
    // 发送读取数据命令
    P0 = DHT11_CMD_READ_DATA;

    // 等待传感器响应
    while (P0 != 0x80);

    // 读取温度数据
    *temp = P0;

    // 读取湿度数据
    *humi = P0;
}

// 主函数
void main() {
    unsigned char temp, humi;

    // 初始化LCD显示器
    init_lcd();

    // 循环读取温湿度数据
    while (1) {
        // 读取温湿度数据
        read_dht11(&temp, &humi);

        // 将数据显示在LCD显示器上
        write_lcd(temp);
        write_lcd(' ');
        write_lcd('C');
        write_lcd(' ');
        write_lcd(humi);
        write_lcd(' ');
        write_lcd('%');
    }
}