51单片机（2）

一、GPIO：单片机与外界交互的“万能接口”

GPIO，即General Purpose Input Output（通用输入输出），是单片机最基础也是最核心的外设之一，堪称单片机与外部世界沟通的“桥梁”。其核心优势在于可独立配置，每个GPIO引脚都能根据需求灵活设置为输入模式或输出模式，适配不同的外部设备交互场景。

1. 输出模式：主动输出控制信号

当GPIO引脚配置为输出模式时，单片机可主动控制引脚输出高电平或低电平，以此向外部设备发送控制信号，驱动LED灯、继电器、电机等外设工作。51单片机的GPIO输出模式主要分为以下四种，各有适配场景：

开漏输出：引脚本身只能主动输出低电平，若要输出高电平，必须外接上拉电阻。这种模式的优势是支持“线与”逻辑，多个开漏输出引脚并联时，只要有一个引脚输出低电平，总线就为低电平，适合I2C等多设备共享总线的通信场景。
推挽输出：这是最常用的输出模式，引脚可直接主动输出高电平和低电平，驱动能力较强。其内部结构包含上下两个MOS管，输出高电平时上管导通、下管截止，输出低电平时下管导通、上管截止，无需外接电阻即可直接驱动多数中小功率外设。
复用开漏：此时GPIO引脚的功能被单片机内部其他外设（如串口、定时器）复用，输出逻辑采用开漏形式。例如，将引脚复用为串口TX引脚时，若配置为复用开漏模式，需外接上拉电阻才能稳定输出高电平。
复用推挽：同样是引脚功能被内部外设复用，但输出逻辑为推挽形式。复用推挽模式兼具复用功能和强驱动能力，适合复用为需要直接驱动外部设备的外设引脚。

2. 输入模式：被动接收外部信号

输入模式下，GPIO引脚作为“接收器”，负责检测外部设备发送的电平信号，实现对按键、传感器（如光电传感器、温度传感器）等输入设备的状态读取。51单片机的GPIO输入模式主要有四种，核心差异在于引脚的偏置方式：

上拉输入：引脚内部集成上拉电阻，当没有外部信号输入时，电阻将引脚电平拉为高电平；当外部设备将引脚拉低时，引脚呈现低电平。这种模式稳定性高，不易受干扰，是按键检测、传感器信号读取的常用模式。
下拉输入：与上拉输入相反，引脚内部集成下拉电阻，无外部信号时引脚默认低电平，外部设备输入高电平时，引脚呈现高电平。适合外部信号为高电平有效、且需要稳定默认状态的场景。
浮空输入：引脚内部既无上拉电阻也无下拉电阻，电平状态完全由外部输入信号决定。这种模式的优点是输入阻抗高、灵敏度高，但缺点是抗干扰能力弱，容易受外界电磁干扰导致电平波动，通常用于需要精准检测微弱信号的场景，且需配合外部电路增强稳定性。
模拟输入：该模式下，GPIO引脚将外部模拟信号（如连续变化的电压信号）传输至单片机内部的ADC（模数转换）模块，由ADC将模拟信号转换为数字信号供CPU处理。主要用于温度、湿度、光照等模拟量检测场景。

二、独立按键：最基础的人机交互单元

独立按键是单片机项目中最常用的人机交互设备，通过简单的按压操作，即可实现“控制LED亮灭”“切换工作模式”“触发中断”等核心功能。其电路设计和工作原理都较为简单，是入门阶段必须掌握的基础模块。

1. 典型原理图

独立按键的典型电路设计为：按键的一端连接GPIO引脚，另一端直接接地（GND）；同时，GPIO引脚通过内部或外部上拉电阻连接到VCC（电源正极）。这种设计被称为“上拉式按键电路”，是最常用的按键电路方案。此外，也有少数“下拉式按键电路”，即按键一端接GPIO引脚，另一端接VCC，GPIO引脚通过下拉电阻接地，原理与上拉式类似，只是电平逻辑相反。

2. 核心工作原理

独立按键的工作原理本质是通过按压操作改变GPIO引脚的电平状态，单片机通过检测引脚电平变化判断按键是否被按下：

按键未按下时：GPIO引脚通过上拉电阻与VCC连通，此时引脚呈现高电平状态。
按键被按下时：按键的两个触点闭合，GPIO引脚通过按键与GND短路，此时引脚电平被拉低，呈现低电平状态。

因此，单片机判断按键是否被按下的核心逻辑的是：检测对应GPIO引脚是否为低电平。需要注意的是，按键在按下和松开的瞬间，由于机械触点的弹跳，会出现短暂的电平抖动（通常持续10-20ms），若直接检测电平，可能导致单片机误判按键状态。因此，实际开发中必须加入“消抖处理”，常见的方式有两种：一是软件消抖（通过延时函数跳过抖动阶段），二是硬件消抖（在按键两端并联电容）。

三、中断：让单片机“一心多用”的核心机制

在没有中断机制的情况下，单片机只能顺序执行主程序，若要检测外部事件（如按键按下、定时器溢出），只能通过“轮询”的方式反复检测，效率极低。而中断机制的出现，让单片机能够“暂停当前任务，优先处理紧急事件”，大幅提升了运行效率和实时响应能力，是实现复杂功能的关键。

1. 中断的核心概念

中断的定义：当CPU正在执行某个任务（主程序）时，外界发生了一个紧急事件（如按键按下、定时器溢出），要求CPU暂停当前任务，转而去执行处理该紧急事件的专用程序（中断服务函数）；待紧急事件处理完成后，CPU再回到刚才被打断的地方，继续执行之前的任务。这个“暂停-处理-恢复”的过程，就是中断。

2. 中断源：中断的“发起者”

能够打断CPU当前任务、发起中断请求的事件或设备，被称为中断源。简单来说，中断源就是“谁在发起中断请求”。

3. 51单片机中断源分类

51单片机的中断源种类较少，结构清晰，主要分为以下几类，每类中断源都对应固定的GPIO引脚或内部外设：

外部中断：由GPIO引脚的电平变化触发的中断，是最常用的中断类型之一。
- 外部中断0（INT0）：对应P3.2引脚，由该引脚的电平变化触发中断。
- 外部中断1（INT1）：对应P3.3引脚，由该引脚的电平变化触发中断。
定时器中断：由单片机内部定时器溢出触发的中断，主要用于精准定时或延时。
- 定时器0中断（Timer0）：由内部定时器0计数溢出触发。
- 定时器1中断（Timer1）：由内部定时器1计数溢出触发。
串口中断：由单片机内部串口完成数据收发后触发的中断，用于串口通信场景（如与电脑、其他单片机通信）。

4. 中断优先级：多个中断的“排队规则”

当CPU正在执行主程序时，可能会有多个中断源同时发起中断请求。此时，CPU需要根据“优先级”来判断处理顺序——优先处理优先级高的中断源，待高优先级中断处理完成后，再处理低优先级中断。

51单片机的中断优先级分为“高级优先级”和“低级优先级”两级，可通过专用寄存器（IP寄存器）配置。默认情况下，各中断源的优先级从高到低为：外部中断0 > 定时器0中断 > 外部中断1 > 定时器1中断 > 串口中断。

5. 中断嵌套：中断中的“紧急事件”

中断嵌套是指：CPU正在处理一个低优先级中断时，若有更高优先级的中断源发起请求，CPU会暂停当前的低优先级中断服务函数，转而去处理高优先级中断；待高优先级中断处理完成后，再回到低优先级中断的断点处，继续执行剩余的中断服务函数。

需要注意的是，51单片机中最多允许两层中断嵌套，即高优先级中断不能被其他中断打断，低优先级中断只能被高优先级中断打断，同优先级中断之间不会发生嵌套（若同优先级中断同时请求，按默认优先级顺序处理）。

6. 中断处理流程：完整的“中断响应链路”

CPU对中断的响应和处理是一个标准化的流程，从中断请求发起，到恢复主程序执行，共分为7个关键步骤，缺一不可：

中断源发起请求：中断源（如按键按下、定时器溢出）发生后，向CPU发送中断请求信号。
中断允许检查：CPU首先检查“总中断允许位”和该中断源的“单独允许位”——若总中断被屏蔽（禁止），或该中断源被单独屏蔽，则不响应此中断；若均允许，则进入下一步。
优先级比较：CPU判断当前是否有正在处理的中断。若没有，直接响应；若有，则比较新中断与当前中断的优先级，仅响应更高优先级的中断（触发中断嵌套）。
保护现场：CPU暂停主程序执行前，会将当前的程序计数器（PC）值、寄存器值等关键数据保存到堆栈中，确保后续能准确恢复主程序。
执行中断服务函数：CPU跳转到该中断源对应的中断服务函数（用户编写的专用处理程序），执行具体的中断处理逻辑（如翻转LED、读取传感器数据）。
恢复现场：中断服务函数执行完成后，CPU从堆栈中取出之前保存的PC值和寄存器值，恢复主程序的执行状态。
返回主程序：CPU跳回主程序被打断的断点处，继续执行主程序。

7. 中断相关寄存器：中断配置的“核心开关”

中断的开启、屏蔽、触发方式等都需要通过专用寄存器配置，51单片机中与中断相关的核心寄存器主要有两个：

中断允许寄存器（可位寻址）（IE寄存器）：该寄存器的核心功能是控制中断的“总开关”和各中断源的“单独开关”，关键位如下
- EA（IE.7）：总中断允许位。EA=1时，CPU允许所有已开启的中断源请求；EA=0时，CPU屏蔽所有中断请求（相当于“中断总开关关闭”）。
- EX0（IE.0）：外部中断0允许位。EX0=1时，允许外部中断0发起请求；EX0=0时，禁止外部中断0。
- ET0（IE.1）：定时器0中断允许位。ET0=1时，允许定时器0溢出中断；ET0=0时，禁止。
- EX1（IE.2）：外部中断1允许位。功能与EX0类似，对应外部中断1。
- ET1（IE.3）：定时器1中断允许位。功能与ET0类似，对应定时器1。
- ES（IE.4）：串口中断允许位。ES=1时，允许串口中断；ES=0时，禁止。
定时器/计数器控制寄存器（TCON寄存器）：该寄存器既控制定时器的计数启动/停止，也控制外部中断的触发方式，与中断相关的关键位如下：
- IT0（TCON.0）：外部中断0触发方式选择位。IT0=1时，外部中断0由“下降沿”触发（即引脚电平从高变低的瞬间触发）；IT0=0时，外部中断0由“低电平”触发（即引脚保持低电平时持续触发）。
- IT1（TCON.2）：外部中断1触发方式选择位。功能与IT0类似，对应外部中断1。
- IE0（TCON.1）：外部中断0请求标志位。当外部中断0触发条件满足时，IE0自动置1；CPU响应中断后，IE0自动清0。
- IE1（TCON.3）：外部中断1请求标志位。功能与IE0类似，对应外部中断1。

四、定时器：精准把控时间的“内部时钟”

在单片机项目中，精准的定时、延时功能是实现复杂逻辑的基础（如LED周期性闪烁、PWM信号生成、数据定时采集等）。而定时器就是单片机内部专门用于实现精准计时的外设，无需外部时钟电路，即可通过内部计数实现高精度时间控制。

1. 定时器的核心作用与基础特性

定时器的核心作用是产生精准的时间间隔，因为不同外设对时间控制的精度要求极高（如PWM驱动电机需要稳定的频率，串口通信需要精准的波特率）。51单片机内部集成了两个独立的定时器，分别为Timer0（定时器0）和Timer1（定时器1），且两者均为自增型定时器（即计数器值从初值开始不断累加，直至溢出）。

2. 定时器工作原理

定时器的工作核心是“计数器+时钟脉冲”，其完整工作流程如下：

设置计数初值：定时器内部包含一个16位的计数器（由THx和TLx两个8位寄存器组成，x为0或1），用户需根据所需定时时间，计算并设置一个初始值写入计数器。
启动计数：通过配置TCON寄存器中的TRx位（TR0对应定时器0，TR1对应定时器1），将TRx置1，定时器开始工作。此时，计数器会以固定的速率（时钟脉冲频率，通常为晶振频率的1/12，即1us/次，假设晶振为12MHz）进行自增。
计数溢出：当计数器的值累加至16位的最大值（65535，即0xFFFF）时，会发生“溢出”。此时，计数器值会自动清零，并向CPU发起定时器中断请求。
响应中断：CPU收到中断请求后，若定时器中断已开启（ETx=1且EA=1），则暂停主程序，执行定时器中断服务函数（如实现一次延时完成后的逻辑）；执行完成后，恢复主程序执行，同时计数器重新从初值开始累加，重复上述过程。

举个例子：若晶振频率为12MHz，定时器0工作在16位模式，要实现10ms的定时。由于时钟脉冲周期为1us，10ms需要计数10000次。因此，计数初值 = 65535 - 10000 = 55535（即0xD8EF），将TH0=0xD8、TL0=0xEF写入计数器，启动定时器后，计数器从55535开始累加，10000次后溢出，触发中断，完成10ms定时。

3. 定时器核心配置寄存器

定时器的工作模式、启动/停止、中断允许等均需通过寄存器配置，核心寄存器有三个，其中IE寄存器（中断允许）已在中断部分介绍，此处重点说明另外两个：

定时器模式配置寄存器（TMOD寄存器）：该寄存器用于设置定时器的工作模式（如16位定时器模式、8位自动重装模式等），其高4位控制Timer1，低4位控制Timer0，结构对称。以Timer0为例，低4位中的M1和M0是模式选择位，常见模式如下：
- 模式1（M1=0，M0=1）：16位定时器模式，计数器为16位（TH0+TL0），溢出后需重新写入初值。这是最常用的模式，配置步骤为：①将TMOD寄存器的低4位清0（避免原有模式干扰）；②将M0置1、M1清0，确定为16位定时器模式。
- 模式2（M1=1，M0=0）：8位自动重装模式，TL0为计数寄存器，TH0为初值寄存器，TL0溢出后，TH0中的初值会自动装入TL0，无需手动重装，适合需要精准高频定时的场景（如串口波特率发生器）。
定时器控制寄存器（TCON寄存器）：除了控制外部中断触发方式外，该寄存器还控制定时器的启动与停止。将TCON寄存器中的TR0这一位置1，代表打开定时器，开始计数。将IE寄存器中的bit7和bit1置1，代表允许CPU响应所有中断 + 允许定时器0产生中断。

总结定时器的核心配置步骤：①配置TMOD寄存器，选择定时器工作模式；②计算并写入计数初值（THx和TLx）；③配置IE寄存器，开启总中断（EA=1）和定时器中断（ETx=1）；④配置TCON寄存器，置TRx=1，启动定时器。

五、PWM：用数字信号模拟模拟信号的“神器”

PWM，即Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制），是一种通过改变数字脉冲信号的占空比和周期，来模拟模拟信号的技术。它能让GPIO引脚输出周期性的方波信号，通过调节方波的参数，实现对外部设备的精准控制（如调节LED亮度、电机转速、蜂鸣器音调等）。

1. PWM核心概念

理解PWM的关键是掌握两个核心参数：周期和占空比，这两个参数直接决定了PWM信号的特性和控制效果：

PWM周期：指一个完整方波信号所经历的时间，即从一个上升沿（或下降沿）到下一个上升沿（或下降沿）的时间间隔。周期决定了PWM信号的频率（频率=1/周期），例如周期为20ms的PWM信号，频率为50Hz（常用于舵机控制）。
PWM占空比：指在一个PWM周期内，高电平信号所占的时间比例，通常用百分比表示。例如，占空比为50%，表示在一个周期内，高电平和低电平的时间各占一半；占空比为20%，表示高电平时间占周期的20%，低电平时间占80%。

PWM的控制逻辑：通过改变占空比，可改变引脚输出高电平的时间比例，从而模拟出不同的“等效电压”。例如，对于5V供电的LED，占空比50%的PWM信号等效电压为2.5V，LED亮度中等；占空比100%时等效电压为5V，LED最亮；占空比0%时等效电压为0V，LED熄灭。

2. PWM与蜂鸣器的应用：音调与音量控制

蜂鸣器是PWM信号的典型应用场景之一，蜂鸣器的发声原理是通过振动产生声波，而振动的频率决定音调（高频为高音，低频为低音），振动的幅度决定音量（幅度越大，音量越大）。根据内部结构，蜂鸣器可分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，两者的工作方式和与PWM的配合逻辑差异较大：

有源蜂鸣器：内部集成了震荡源和驱动电路，只要接通电源（VCC和GND），震荡源就会产生固定频率的振动，从而发出固定音调的声音。因此，有源蜂鸣器无需PWM信号驱动，只需通过GPIO引脚控制电源的通断，即可实现“发声”和“静音”的切换。其缺点是音调固定，无法通过软件调节。
无源蜂鸣器：内部没有震荡源，只有一个压电陶瓷片，需要外部输入周期性的电信号（如PWM信号）来驱动其振动发声。由于振动频率由外部PWM信号的频率决定，因此通过改变PWM信号的频率，即可调节无源蜂鸣器的音调（高频对应高音，低频对应低音）；同时，通过改变PWM信号的占空比，可调节振动幅度，从而改变音量（占空比越大，幅度越大，音量越大）。无源蜂鸣器的优点是灵活性高，可通过软件实现多种音调的发声（如播放音乐）。

需要注意的是，51单片机本身没有硬件PWM模块，因此PWM信号需要通过定时器+GPIO引脚的软件模拟实现：通过定时器定时中断，在中断服务函数中翻转GPIO引脚的电平，并通过控制高电平的持续时间（占空比）和翻转周期（PWM周期），生成所需的PWM信号。