【51单片机C语言实战宝典】：从入门到精通的系统设计与编程指南

# 1. 51单片机C语言基础

51单片机是一种广泛应用于嵌入式系统中的8位单片机，其C语言编程具有简洁、高效的特点。本节将介绍51单片机C语言的基础知识，包括数据类型、变量、控制结构和函数等内容。

### 1.1 数据类型和变量

数据类型用于定义变量存储的数据类型，C语言中常用的数据类型包括：

- 整型：int、short、long
- 浮点型：float、double
- 字符型：char
- 指针型：指针变量指向其他变量的地址

变量是用于存储数据的内存空间，其定义格式为：

数据类型 变量名;

例如：

int num;

定义了一个名为num的整型变量。

# 51单片机C语言编程基础

### 2.1 数据类型和变量

#### 2.1.1 数据类型概述

51单片机C语言支持多种数据类型，包括整型、浮点型、字符型和布尔型。其中，整型又分为有符号整型和无符号整型。

| 数据类型 | 取值范围 |
|---|---|
| char | -128~127 |
| unsigned char | 0~255 |
| int | -32768~32767 |
| unsigned int | 0~65535 |
| float | -3.4028235E38~3.4028235E38 |
| double | -1.7976931348623157E308~1.7976931348623157E308 |
| bool | true/false |

#### 2.1.2 变量的定义和使用

变量是用来存储数据的，在使用变量之前需要先进行定义。变量的定义格式如下：

数据类型 变量名;

例如：

int num;
char ch;

变量定义后，可以通过赋值语句对变量进行赋值。赋值语句的格式如下：

变量名 = 值;

例如：

num = 10;
ch = 'a';

### 2.2 控制结构

控制结构用于控制程序的执行流程，包括顺序结构、分支结构和循环结构。

#### 2.2.1 顺序结构

顺序结构是最简单的控制结构，程序按照语句的顺序依次执行。

#### 2.2.2 分支结构

分支结构用于根据条件的不同执行不同的代码块，包括if-else语句和switch-case语句。

if-else语句的格式如下：

if (条件) {
  // 条件为真时执行的代码块
} else {
  // 条件为假时执行的代码块
}

switch-case语句的格式如下：

switch (变量) {
  case 值1:
    // 变量等于值1时执行的代码块
    break;
  case 值2:
    // 变量等于值2时执行的代码块
    break;
  ...
  default:
    // 变量不等于任何值时执行的代码块
    break;
}

#### 2.2.3 循环结构

循环结构用于重复执行一段代码块，包括while循环、do-while循环和for循环。

while循环的格式如下：

while (条件) {
  // 条件为真时重复执行的代码块
}

do-while循环的格式如下：

do {
  // 至少执行一次的代码块
} while (条件);

for循环的格式如下：

for (初始化; 条件; 递增/递减) {
  // 条件为真时重复执行的代码块
}

### 2.3 函数

函数是代码的封装，可以被多次调用。函数的定义格式如下：

返回类型 函数名(参数列表) {
  // 函数体
}

例如：

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

函数调用时，只需要使用函数名和参数即可。

### 2.4 数组

数组是用来存储相同数据类型的一组数据的。数组的定义格式如下：

数据类型 数组名[数组大小];

例如：

int arr[10];

数组元素可以通过索引访问，索引从0开始。

arr[0] = 1;

# 3.1 输入/输出端口

#### 3.1.1 I/O端口的配置和使用

51单片机具有4个8位的I/O端口，分别为P0、P1、P2和P3。每个端口的每一位都可以独立配置为输入或输出。

**配置I/O端口**

使用`Pxx`寄存器配置I/O端口的模式，其中`xx`表示端口号（0~3）。`Pxx`寄存器的每一位对应一个I/O端口的位，0表示输入，1表示输出。

// 将P0口第0位配置为输入
P0 &= 0xFE;

**使用I/O端口**

使用`Pxx`寄存器读写I/O端口的数据。`Pxx`寄存器的每一位对应一个I/O端口的位，读该位的值表示该端口的输入状态，写该位的值表示该端口的输出状态。

// 读P0口第0位的值
uint8_t input = P0 & 0x01;

// 将P0口第0位输出高电平
P0 |= 0x01;

#### 3.1.2 中断处理

中断是一种硬件机制，当发生特定事件时，中断程序会暂停当前正在执行的程序，转而去执行中断服务程序。51单片机支持5种中断源：外部中断0、外部中断1、定时器0中断、定时器1中断和串口中断。

**配置中断**

使用`IE`和`IP`寄存器配置中断。`IE`寄存器控制中断使能，每一位对应一个中断源，0表示禁用中断，1表示使能中断。`IP`寄存器控制中断优先级，每一位对应一个中断源，0表示低优先级，1表示高优先级。

// 使能外部中断0
IE |= 0x01;

// 设置外部中断0为高优先级
IP |= 0x01;

**编写中断服务程序**

中断服务程序是响应中断事件而执行的代码。中断服务程序必须放在`interrupt`关键字后面。

interrupt void external_interrupt0()
{
    // 中断服务程序代码
}

**中断处理流程**

当发生中断事件时，51单片机会执行以下步骤：

1. 保存当前程序计数器（PC）和寄存器组（R0~R7）到堆栈。
2. 根据中断源，跳转到相应的中断服务程序。
3. 执行中断服务程序。
4. 从堆栈中恢复PC和寄存器组。
5. 继续执行中断前的程序。

# 4.1 LED控制

### 4.1.1 单个LED控制

**原理：**

LED控制是51单片机应用开发中最为基础的应用之一。其原理是通过设置单片机的I/O端口电平，来控制LED的亮灭。当I/O端口输出高电平时，LED点亮；当I/O端口输出低电平时，LED熄灭。

**代码实现：**

// 定义LED引脚
#define LED_PIN P1_0

// 主函数
void main() {
    // 设置LED引脚为输出模式
    P1M0 = 0x00;
    P1M1 = 0x00;

    // 循环点亮和熄灭LED
    while (1) {
        // 点亮LED
        LED_PIN = 1;
        Delay1ms(500);

        // 熄灭LED
        LED_PIN = 0;
        Delay1ms(500);
    }
}

**代码逻辑分析：**

1. 定义LED引脚为P1_0，并将其设置为输出模式。
2. 在主函数中，进入无限循环。
3. 在循环中，将LED引脚设置为高电平，点亮LED，并延时500ms。
4. 随后，将LED引脚设置为低电平，熄灭LED，并延时500ms。
5. 循环重复执行，实现LED的交替点亮和熄灭。

### 4.1.2 多个LED控制

**原理：**

多个LED控制与单个LED控制类似，但需要使用多个I/O端口来控制多个LED。通过设置不同I/O端口的电平，可以实现不同LED的独立控制。

**代码实现：**

// 定义LED引脚
#define LED1_PIN P1_0
#define LED2_PIN P1_1
#define LED3_PIN P1_2

// 主函数
void main() {
    // 设置LED引脚为输出模式
    P1M0 = 0x00;
    P1M1 = 0x00;

    // 循环点亮和熄灭LED
    while (1) {
        // 点亮LED1
        LED1_PIN = 1;

        // 熄灭LED2和LED3
        LED2_PIN = 0;
        LED3_PIN = 0;
        Delay1ms(500);

        // 点亮LED2
        LED2_PIN = 1;

        // 熄灭LED1和LED3
        LED1_PIN = 0;
        LED3_PIN = 0;
        Delay1ms(500);

        // 点亮LED3
        LED3_PIN = 1;

        // 熄灭LED1和LED2
        LED1_PIN = 0;
        LED2_PIN = 0;
        Delay1ms(500);
    }
}

**代码逻辑分析：**

1. 定义三个LED引脚，并将其设置为输出模式。
2. 在主函数中，进入无限循环。
3. 在循环中，依次点亮LED1、LED2和LED3，并熄灭其他LED，实现LED的轮流点亮效果。

# 5.1 中断编程

### 5.1.1 中断的原理

中断是一种硬件机制，当发生特定事件时，它会暂停当前正在执行的程序并跳转到一个称为中断服务程序（ISR）的特定代码段。中断事件可以由外部设备（如按键或定时器）或内部事件（如程序错误）触发。

中断处理过程如下：

1. **中断请求：** 当发生中断事件时，硬件会向CPU发送一个中断请求信号。
2. **中断向量：** CPU根据中断请求信号中的中断向量号，确定要跳转到的ISR地址。
3. **保存现场：** ISR开始执行前，CPU会保存当前程序的寄存器值，以便稍后恢复执行。
4. **ISR执行：** ISR执行与中断事件相关的代码，例如处理输入或更新数据。
5. **恢复现场：** ISR执行完成后，CPU恢复保存的寄存器值，然后返回到中断发生前的程序位置继续执行。

### 5.1.2 中断的配置和使用

在51单片机中，中断可以通过以下步骤配置和使用：

1. **启用中断：** 在程序中使用`EA`指令启用全局中断。
2. **设置中断向量：** 使用`ORG`指令将中断向量表放置在指定的内存地址。
3. **编写ISR：** 为每个中断事件编写一个ISR。ISR的入口地址必须与中断向量表中的相应向量号对应。
4. **设置中断优先级：** 如果有多个中断源，可以使用`IP`指令设置中断优先级。优先级高的中断会优先处理。

**代码示例：**

// 启用中断
EA = 1;

// 设置中断向量表
ORG 0x0000
LJMP ISR_Timer0

// 中断服务程序
ISR_Timer0:
    // ... ISR代码
    RET

**参数说明：**

* `EA`：全局中断使能位
* `ORG`：设置程序起始地址
* `LJMP`：长跳转指令
* `RET`：返回指令