【8051单片机C语言程序设计指南】：从入门到精通的进阶之路

# 1. 8051单片机C语言简介**

8051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、高可靠性和易于编程的特点。C语言是一种高级编程语言，因其可移植性、结构化和模块化而受到广泛欢迎。

将C语言应用于8051单片机编程，可以充分利用C语言的优势，简化编程过程，提高代码可读性和可维护性。8051单片机C语言编程涉及到C语言基础语法、8051单片机硬件架构以及C语言在8051单片机上的应用实践。

# 2. 8051单片机C语言基础**

**2.1 C语言基础语法**

**2.1.1 数据类型和变量**

C语言中，数据类型用于定义变量存储数据的类型。常见的整数类型包括`char`（8位）、`short`（16位）、`int`（16位）、`long`（32位）和`long long`（64位）。浮点数类型包括`float`（32位）和`double`（64位）。

变量用于存储数据，其类型由数据类型指定。变量名必须以字母或下划线开头，后续可以包含字母、数字和下划线。

**2.1.2 运算符和表达式**

运算符用于执行算术、逻辑和位操作。常见运算符包括加法（`+`）、减法（`-`）、乘法（`*`）、除法（`/`）、取模（`%`）、逻辑与（`&`）、逻辑或（`|`）、逻辑异或（`^`）和位移（`<<`、`>>`）。

表达式由运算符和操作数组成，用于计算值。操作数可以是变量、常量或其他表达式。

**2.2 8051单片机硬件架构**

**2.2.1 寄存器和存储器**

8051单片机具有丰富的寄存器和存储器资源。寄存器用于存储临时数据和控制程序执行。存储器用于存储程序代码和数据。

8051单片机的主要寄存器包括：

* 累加器（A）
* 程序计数器（PC）
* 数据指针（DPTR）
* 堆栈指针（SP）

8051单片机的主要存储器包括：

* 程序存储器（ROM）
* 数据存储器（RAM）
* 内部存储器（XRAM）

**2.2.2 中断系统**

8051单片机的中断系统用于响应外部事件或内部错误。中断源包括外部中断、定时器中断和串口中断。

当发生中断时，程序执行将暂停，并跳转到中断服务程序（ISR）执行。ISR处理中断事件，然后返回到主程序。

**代码示例：**

#include <reg51.h>

void main() {
    // 初始化中断
    IE = 0x80; // 启用外部中断 0
    IT0 = 1;    // 设置中断 0 为下降沿触发

    while (1) {
        // 主程序代码
    }
}

void interrupt 0() {
    // 中断 0 服务程序
    // ...
}

**逻辑分析：**

* `IE`寄存器用于启用中断。`0x80`表示启用外部中断 0。
* `IT0`寄存器用于设置中断 0 的触发方式。`1`表示下降沿触发。
* 主程序循环不断执行，直到发生外部中断 0。
* 当发生中断 0 时，程序执行跳转到中断服务程序`interrupt 0`。
* 中断服务程序处理中断事件，然后返回到主程序。

# 3. 8051单片机C语言编程实践

### 3.1 I/O端口编程

#### 3.1.1 I/O端口的配置和使用

**I/O端口概述**

8051单片机共有4个8位I/O端口，分别为P0、P1、P2和P3。每个端口的8位可以分别作为输入或输出端口使用。

**I/O端口配置**

I/O端口的配置通过寄存器SFR进行。对于P0端口，其配置寄存器为P0M0和P0M1。P0M0的每一位对应P0端口的某一位，如果该位为0，则对应的P0端口位为输入，如果该位为1，则对应的P0端口位为输出。P0M1的每一位对应P0端口的某一位的拉电阻配置，如果该位为0，则对应的P0端口位无拉电阻，如果该位为1，则对应的P0端口位有拉电阻。

其他端口的配置寄存器与P0端口类似。

**I/O端口使用**

I/O端口的使用非常简单，只需要对相应的寄存器进行读写操作即可。例如，要将P0端口的第0位设置为输出，并输出高电平，可以执行以下代码：

P0M0 &= ~0x01;  // 将P0端口第0位配置为输出
P0 |= 0x01;     // 将P0端口第0位输出高电平

### 3.1.2 LED和按键控制

**LED控制**

LED控制是I/O端口编程最常见的应用之一。8051单片机可以通过I/O端口直接驱动LED。例如，要驱动连接在P0端口第0位的LED，可以执行以下代码：

P0M0 &= ~0x01;  // 将P0端口第0位配置为输出
P0 |= 0x01;     // 将P0端口第0位输出高电平（点亮LED）
P0 &= ~0x01;  // 将P0端口第0位输出低电平（熄灭LED）

**按键控制**

按键控制也是I/O端口编程的常见应用。8051单片机可以通过I/O端口检测按键的状态。例如，要检测连接在P0端口第1位的按键，可以执行以下代码：

P0M0 |= 0x02;  // 将P0端口第1位配置为输入
while (1) {
  if (P0 & 0x02) {  // 检测P0端口第1位是否为高电平（按键按下）
    // 按键按下时的处理代码
  }
}

### 3.2 定时器编程

#### 3.2.1 定时器的工作原理

8051单片机有2个16位定时器，分别为定时器0和定时器1。定时器的工作原理是：当定时器计数到某个值时，产生一个中断。

定时器的计数值可以通过定时器控制寄存器（TMOD）进行设置。TMOD寄存器有8位，其低4位用于设置定时器的工作模式，高4位用于设置定时器的计数方式。

**定时器工作模式**

定时器有4种工作模式：

* **模式0：**16位定时器，自动重载
* **模式1：**16位定时器，手动的重载
* **模式2：**8位定时器，自动重载
* **模式3：**8位定时器，手动的重载

**定时器计数方式**

定时器有3种计数方式：

* **16位计数：**定时器从0开始计数，计数到65535后自动重载
* **8位计数：**定时器从0开始计数，计数到255后自动重载
* **外部计数：**定时器通过外部时钟信号进行计数

#### 3.2.2 定时器应用示例

**定时器中断**

定时器中断是定时器编程最常见的应用之一。定时器中断可以用来实现周期性的任务。例如，要每1秒产生一个定时器中断，可以执行以下代码：

TMOD = 0x01;  // 设置定时器0为16位定时器，自动重载
TH0 = 0xFF;   // 设置定时器0的重载值
TL0 = 0x00;   // 设置定时器0的计数值
TR0 = 1;      // 启动定时器0

在定时器0中断服务程序中，可以执行需要周期性执行的任务。

**定时器捕获**

定时器捕获是定时器编程的另一个常见应用。定时器捕获可以用来测量外部事件的持续时间。例如，要测量一个脉冲的宽度，可以执行以下代码：

TMOD = 0x20;  // 设置定时器1为8位定时器，自动重载
TR1 = 1;      // 启动定时器1
while (P1 & 0x01) {  // 等待脉冲的上升沿
  ;
}
TL1 = 0x00;   // 清除定时器1的计数值
while (!(P1 & 0x01)) {  // 等待脉冲的下降沿
  ;
}
TH1 = 0x00;   // 获取定时器1的计数值

定时器1的计数值就是脉冲的宽度。

# 4.1 通信接口编程

### 4.1.1 串口通信原理

串口通信是一种异步串行通信方式，它使用一条数据线和一条控制线进行数据传输。数据线用于传输数据，控制线用于发送和接收数据时机的控制。

**数据传输格式**

串口通信中，数据以帧为单位进行传输，每个帧包含一个起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。

* 起始位：一个逻辑0，表示帧的开始。
* 数据位：传输的数据，通常为8位。
* 奇偶校验位（可选）：用于检查数据传输的正确性，可以是奇校验或偶校验。
* 停止位：一个或多个逻辑1，表示帧的结束。

**通信参数**

串口通信需要设置以下参数：

* 波特率：数据传输速率，单位为比特/秒。
* 数据位：传输的数据位数，通常为8位。
* 奇偶校验：奇校验或偶校验。
* 停止位：停止位的数量，通常为1或2。

### 4.1.2 串口通信应用

8051单片机可以通过串口与其他设备进行通信，如PC机、显示器或其他单片机。

**代码示例**

// 初始化串口
void serial_init(void) {
    // 设置波特率为 9600
    SCON = 0x50;
    TMOD = 0x20;
    TH1 = 0xFD;
    TR1 = 1;
}

// 发送一个字符
void serial_send_char(char c) {
    while (!TI);
    TI = 0;
    SBUF = c;
}

// 接收一个字符
char serial_recv_char(void) {
    while (!RI);
    RI = 0;
    return SBUF;
}

**代码逻辑分析**

* `serial_init()` 函数初始化串口，设置波特率、定时器和控制寄存器。
* `serial_send_char()` 函数发送一个字符，等待发送缓冲区为空，然后将字符写入发送缓冲区。
* `serial_recv_char()` 函数接收一个字符，等待接收缓冲区非空，然后读取接收缓冲区中的字符。

**参数说明**

* `c`：要发送的字符。
* `SBUF`：串口发送缓冲区寄存器。
* `TI`：发送中断标志位。
* `RI`：接收中断标志位。

# 5. **5.1 数字时钟设计**

**5.1.1 时钟原理和算法**

数字时钟是一种利用电子电路和软件来显示时间的设备。其基本原理是通过一个精确的时钟源（如晶体振荡器）产生一个稳定的时钟信号，然后通过计数器和显示器将时钟信号转换为可视的时间显示。

算法方面，数字时钟通常采用以下步骤：

1. 初始化时钟源和计数器。
2. 在一个中断服务程序中，每隔一个固定时间间隔（例如 1 秒）对计数器进行加 1 操作。
3. 当计数器达到某个阈值时，触发一个中断，并更新显示器上的时间显示。

**5.1.2 数字时钟实现**

以下是一个用 8051 单片机 C 语言实现的数字时钟示例：

#include <reg51.h>

// 时钟源频率（单位：Hz）
#define CLOCK_FREQ 11059200

// 中断服务程序
void timer0_isr() interrupt 1 {
    // 清除中断标志位
    TH0 = 0;
    TL0 = 0;

    // 更新时钟显示
    update_clock();
}

// 更新时钟显示
void update_clock() {
    // ... 更新时钟显示的代码 ...
}

// 主函数
void main() {
    // 初始化时钟源
    TMOD = 0x01;  // Timer 0 为 16 位模式
    TH0 = (65536 - CLOCK_FREQ / 1000) >> 8;
    TL0 = (65536 - CLOCK_FREQ / 1000) & 0xFF;

    // 启用 Timer 0 中断
    ET0 = 1;
    TR0 = 1;

    // 初始化显示器
    // ... 初始化显示器的代码 ...

    // 主循环
    while (1) {
        // ... 其他代码 ...
    }
}