C51单片机步步学笔记（原创：杀手不冷） 单片机, 杀手, 笔记, 原创

tiankai

作为一个初学者，如何单片机入门？我需要那些知识和设备？
        知识上，其实不需要多少东西，会简单的C语言，知道51单片机的基本结构就可以了。一般的大学毕业生都可以了，自学过这2门课程的高中生也够条件。
        设备上，一般是建议购买一个仿真器，这样才可以进行实际的，全面的学习。日后在工作上，仿真器也大有用处
        还有，一般光有仿真器是不行，还得有一个实际的电路，即学习板。学习板一般价格都比较贵，而且许多学习板配套程序和讲解不够完善。
        这里介绍的是最简单的学习板，4个按键加4个LED发光管，一个蜂鸣器，一个24c02即可。
        通过30个教程，初学者可以学到：单片机控制外部设备，读取外部设备状态，外部中断的应用，中断的深入理解，变量和标记的灵活应用，定时器的灵活应用，可编程自动控制的方法，按键控制设备动作的方法，PWM输出的设计，存储器的读写，延时报警器的设计，各种报警音的设计，音乐播放的设计，程序模块化的设计等等知识。
        虽然，这些知识的覆盖面有限，但是，当你学习并掌握了这30个试验之后，您就会豁然开朗，单片机的编程控制如此简单！学习完后，您就已经完全地入门了，并可以自主地对其它的单片机知识进行学习、试验，甚至进行项目开发！

tiankai

第一课  了解单片机及单片机的控制原理，控制一个LED 灯的亮和灭

本章学习内容：
    单片机基本原理，如何仿真器，如何编程点亮和灭掉一个LED 灯，如何进入KEILC51uV调试环境，如何使用单步，断点，全速，停止的调试方法

    单片机现在是越来越普及了，学习单片机的热潮也一阵阵赶来，许多人因为工作需要或者个人兴趣需要学习单片机。可以说，掌握了单片机开发，就多了一个饭碗。
    51 单片机已经有30 多年的历史了，在中国，高校的单片机课程大多数都是51，而51 经过这么多年的发展，也增长了许多的系列，功能上有了许多改进，也扩展出了不少分支。而国内书店的单片机专架上，也大多数都是51 系列。可以预见，51 单片机在市场上只会越来越多，功能只会越来越丰富，在可以预见的数十年内是不可能会消失的。

下面以51 为例来了解一下单片机是什么东西，控制原理又是什么？

    在数字电路中，电压信号只有两种情况，高电平和低电平，用数字来记录就是1 和0。单片机内部的CPU，寄存器，总线等等结构都是通过1 和0 两种信号来运作的，数据也是以1 或者0 来保存的。单片机的输入输出管脚，也就是IO 口，也是只输出或识别1 和0 两种信号，也就是高电平和低电平。当单片机输出一个或一组电平信号到IO 口后，外部的设备就可以读到这些信号，并进行相应操作，这就是单片机对外部的控制。当外部一个或一组电平信号送到单片机的IO 口时，单片机也可以读到这些信号，并进行分析操作，这就是单片机对外部设备信号的读取。当然实际的操作中，这些信号可能十分复杂，必须严格地按照规定的时间顺序（时序）输入输出。每种设备也都规定了自己的时序，只要都严格遵守，就可以控制任何设备，做出只要你想象得出的任何事情。

    您可能会再问，我如何让单片机去控制和分析外部设备呢？答案是程序，您可以编写相关的程序，并且把他们烧写到单片机内部的程序空间，单片机在上电时，就会一步一步按照您写的程序去执行指令，做您想做的事情。

    在51 标准芯片中，有32 个输入输出IO，分为4 组，每组8 个，分别为P0 口，P1 口，P2 口，P3 口。P1 口的8 条脚就用P1.0 至P1.7 表示，其余类似。51 就是用这32 个口来完成所有外部操作的。对于51 的内部结构，如果您已经了解，那是最好；如果不懂，也可以先放下，在完成了本教程开始的几个章节之后，您就会大有兴趣，自己去寻找资料阅读了。当然，如果您希望成为一个优秀的单片机开发程序员，还是必须熟悉单片机的内部结构及工作原理，切不可偷懒！

    在这一章，您将用程序去控制一个LED 发光管的亮和灭。你应该知道，LED 发光管在通过一定电流时亮，不通电就灭。为了不让LED 通过太大的电流把它烧坏，我们还要串上限流电阻。51 的IO 是弱上拉的方式，在输出高电平时，只能输出几十微安的电流到地，而在输出低电平时，VCC 电源可以输入几十毫安的电流到IO。一般LED 需要10 毫安左右电流点亮，我们就将LED 接在电源VCC 和IO 口之间，中间串上电阻，当IO 输出低电平时，灯就亮了，反之，灯就灭了。我们在这个程序里要控制的是P1.0。请参考一下我们将要使用的试验板的电路图。




        在实际的单片机学习和开发中，你可以用仿真器模拟一个CPU 芯片，让它按照您编写的程序工作，并且进行调试，一步步排除程序的bug，使程序正常工作。程序工作正常后，您就可以用烧写器将您编写的程序烧入购买来的单片机芯片中，让它自己去运行了。

        要使用仿真器，还得有一个编译调试的环境，这个环境是在计算机上运行的，我们就在计算机上编写和调试程序，计算机和仿真器有连接，仿真器中的各种数据和程序，都可以从计算机上观察到，并可以观察变量，写入变量的值，单步调试程序，在程序中设置断点调试，全速运行，停止程序运行，等等操作。我们使用keilC51 编译调试环境，仿真器的选择太多了，你可以根据自己的实际情况来选择。

    随后我将给大家提供keilc51 相关的中文说明资料，这些资料详细地说明了如何使用C51 编程和如何使用keil uV2 环境调试。

tiankai

现在可以开始做试验了，我们打开已经建立好的工程和编写好的程序试验。顺便还会学习一下程序调试的技巧。至于如何建立一个新工程，请参考C51 的帮助文件。
    请双击lessoncode01 目录下的lesson1.uv2，打开后界面如下：


        点一下上图第三排第2 或者第3 个按钮（您的编译器按钮位置不一定在那个位置，自己找找），就可以看到编译结果了。上面显示是0errrs,0warnings，这是最佳的编译结果，如果有error，则无法进行下一步仿真，如果有warning，一定要尽量消除，确实无法消除的，也要确认不会对程序造成影响，才进行下一步的仿真。在编译结果中，我们还可以看到有data，xdata，code 等用了多少字节的报告，要注意您的单片机中是否有这么多的资源，如果不够，将来烧片运行时就可能出现问题。比如AT89C51 的程序空间是4K，xdata 如果没有外扩就是0 个，data 是128 个。超出这些范围，程序就不能在AT89c51 中运行。不同的芯片有不同的容量，如SST89E516RD 就有64K 程序，内部768 字节XDATA，还有256 个字节的data。我们的例程中肯定都考虑了这些了，肯定不会超出，将来自己开发时就要注意了。
    下面我们故意把第9 行的P10 写成P11，点编译，因为没有预先定义P11，所以就报告错误了，如下图：


        双击一下错误报告的那一行，窗口就也会跳到这一行，方便您进行修改。好了，现在请把错误改回去，再编译一次，出现报告正确了以后，下面开始仿真了。点一下第二行第5 个一个放大镜里面一个d 字母的按钮，就可以进入仿真了，仿真器要事先连接好哟。进入仿真后要退出仿真环境也是点这个按钮。注意，等会如果程序在正在全速运行时，仿真环境是不能直接退出的，得先点停止运行后，再点仿真按钮才可以退出。点进入仿真按钮，程序开始装载，PC 自动运行到了main（）停下，并指向了main（）函数的第一行。
        进入仿真窗口后，如果出现的不是前面的源代码窗口，而是夹有反汇编代码的窗口，直接关掉这个窗口就会恢复到代码窗口。下次进入也会直接进入到源代码窗口。
    现在先试验单步，点单步（两个单步都可以，一般点单步跨过）。可以看到灯亮了。PC 指针也指向了下一个
程序行。再点一下单步，PC 又走下一步，灯灭了。再点一次，PC 走到挂起的程序行了，继续点仍然在这一行。这句指令其实就是使程序不断地跳到自己这一行，别的什么也不做。一般称作程序挂起。
    一般的实际应用中的程序是不会挂起的，一般是在main 函数里做一个大循环，程序如下：
    void main(void) // 主程序
    {
            while(1)
           {
                P11=0;//亮灯
        P10=1;//灭灯
      }
        }
请将main 函数程序改为上面的代码，我们下一步将试验断点的操作。
    在第15 行双击一下，可以看到程序行左边出现了一个红方块，这就是设置断点，再双击一次，断点就取消了。如果程序在全速运行的过程中遇到断点，就会自动停下来给你分析。注意在进入仿真后，并且程序是停止状态时，才可以设置或者取消断点。


        现在点全速运行，可以看到程序在断点处停了下来，并且由于前一句指令刚刚执行了点灯，所以这时灯是亮着的。
    现在在第14 行设置断点，并且取消上一个断点。
    现在点全速运行，可以看到程序在断点处停了下来，并且由于刚刚执行了灭灯，灯是灭着的。好，现在试验全速运行和停止。把断点取消，再点全速运行，可以看到灯是亮着的，但是不是很亮，这是由于程序是循环的，亮灭交替进行，亮的时间并不是全部的时间。现在点停止，可以看到程序停止了，重复几次进行全速和停止，可以发现每次停止的地方不一定是同一位置。

海洋之心

zhichi!!!!!!!!

tiankai

第二课  用指令方式延时闪烁LED 灯

    本章将学习如何使LED 闪烁，和如何查看变量的值。单片机内部的CPU 工作都是要靠时钟驱动的。在标准51 芯片中，每个指令周期是12 个时钟。所以只要外部时钟固定，某一条指令运行的时间也是固定的。比如本试验中的单片机晶振振荡输出的时钟是22118400HZ，一条单周期指令执行的时间就是12/22118400秒＝5.425347×10－7 秒，这样如果你想在程序里延迟一段时间，就可以用循环执行多少条指令来实现。这是一个最简单的延时方法，优点是不占用其他的单片机资源，缺点是不容易计算准确延时时间，而且延时过程中CPU 无法做其他工作。指令延时方法一般用在一些不用精确计时的场合。在需要精确计时的场合，需要使用定时器，在之后的课程中将会学到。


       程序由一个循环组成，在点亮P10 口的LED 之后，延时一段时间，再灭掉LED，又延时一段时间，之后循环到前面。for（）循环后面直接一个分号，表示这个循环里面什么事情也不做，就等循环完成指定的次数就退出来。这也是指令循环延时的最常见的C 写法。编译后，按进入仿真。


按全速运行，可以看到P1.0 的LED 灯不断地闪烁。下面我们用另一个更简单的方式点灯，就是取反IO 口的状态。取反指令将当前bit 变量的状态反转，当前是1，取反后就是0，当前是0，取反后就是1。IO 口相当于一个bit 变量，也可以这样取反。请修改程序如下：


编译成功后，再点全速运行。同样可以看到LED 闪烁的现象。可以看到，这种方法，我们只需要一次延时，就可以实现闪烁了。下面我们再来学习如何查看变量n 在运行中的值。注意，要查看变量的值，只能在程序停下来的状态下查看。在程序运行的过程中，程序不断地运行，变量也在不断地变化，一般是无法查看的。点停止程序，将鼠标放在程序中的“n”上面。

tiankai

可以看到旁边出现了一个小框框，上面显示了n=0x47D3,这就是变量此时的值。如果觉得这样可能会点不准确，可以选中你要看的变量，同样会显示变量的值，个人感觉这种操作更为方便。如图：




        在命令行输入的方法也可以看变量，在命令行输入n，回车，就看到结果了。请注意看下图的命令行窗口的结果。


        这里再教一招，如果我想让n 现在就变成我想要的值怎么办？这也是调试常见的手段，设置一个变量的值，比如，让n =0x1234,只要在命令框里输入“n=0x1234”就行了，几乎所有变量都可以这样直接设置，包括IO 口，比如你输入“P1.1=0”, 结果第二个灯就亮了。还有一招常用的，就是在watch 窗口看变量。点watch 图标，就是那个有个眼镜的图标，打开watch 窗口。如图：


        这个窗口里有locals 页就是当前函数使用的变量的列表，还有有watch 1 和2 两个窗口，就是自定义要看的变量的值，可以手工输入，也可以选中某个变量，按右键，将出现一个菜单。选择add 到watch 窗口即可，在程序停止时随时看到此变量的值。注意要看某个变量，如果这个变量是某个函数私有的，必须是程序停止时并且PC 已经停止在了这个函数中才可以看到，各种看变量的情况都是这样。还有一种直接看存储器的方法，可以看到所有存储器的值，但是和变量名称就不是那么好对应起来了。点memory 窗口图标，打开memory 窗口，如图：


       在Address 窗口输入：“d:0x00”就可以看到data 空间的从0x00 开始的所有内存。如上图。
    输入“i:0x00”，就可以看到idata 空间的所有内存的值。
    输入“x:0x00”，就可以看到xdata 空间的所有内存的值。
    输入“c:0x00”，就可以看到code 空间的所有程序。
    在实际的硬件调试方式中，如果不用看memery 窗口，就建议不用打开它。因为保持它的打开会增加仿真时通讯的时间，特别是单步运行的时间。
    这一章就完成了，我们学会了，指令延时，取反的用法，还有更重要的就是如何在keil调试环境中查看变量。

tiankai

第三课 跑马灯试验

在本课中，你可以学习到几乎所有单片机试验课程都会介绍到跑马灯试验。
打开工程文件，如图：


这里实现跑马灯的方法是，依次灭掉前一个灯和点亮后一个灯，再延时一会，不断循环，就可以看到跑马灯的效果了。
请在编译后，进入仿真，点全速运行看结果。
好好研究这段代码，可以自己试着自己修改代码：
例程中的跑马灯在同一时刻只显示1个灯，现在改为同时亮着2个灯的跑马灯。

tiankai

第4课 读IO，用按钮控制点灯

请看一下电路，今天我们要学习用单片机读取按键的值，并且使用一个按键K1去控制点亮P1.0控制的LED，用另一个按键K2去控制P1.1控制的LED。看电路图，K1是接在P32上的，K2是接在P35上的。


下面讲述一下识别按键的原理。在单片机中，我们可以读取某个IO的值。在51的IO口，如果处于输出1的状态（51上电后IO就默认为1），这时IO内部可以简化为有一个几十K的电阻上拉到电源VCC（P0除外），这时这个IO就可以作为输入脚用。P0是没有上拉的，相当于一个悬空的引脚，就是高阻状态，如果用P0，必须在外部接上拉电阻。我们这里用的是P3口的IO，内部有上拉。
如果直接读一个没有按下按键的IO，就会读到1。如果这个按键按下了，这个IO就通过按键短路到了地。这是就会读到0。这就是读按键的原理。
下面看程序：


编译，进入仿真，开始全速运行。
这时可以实际操作一下，按下K1，灯亮；按下K2，灯灭。

tiankai

第5课 标记的用法，用一个按键控制1个LED灯的亮灭，按键防抖动

        这一课，我们学习怎么用一个按键K1控制1个LED灯的亮和灭两种状态。按一次K1灯亮，再按一次K1灯灭。再按一次又亮，再按一次又灭。
        我们学习一下用一个bit变量来做一个标记，然后在按键的控制下，这个标记会变化，再根据这个标记的值，LED也输出不同的状态。
因为按键按下时可能会有抖动的情况，每次按下时，可能会发生了人难以觉察到的多次抖动，相当于一下子按下了很多次。这会导致程序无法识别出您真正的按键意图。
        但是抖动一般都是发生在刚按下键和松开键的时候，所以，我们只要避开这一段时间，等键稳定按下或者松开时，再去读它的值，一般就可以正确读取了。
        所以，当读到第一次按键的值时，要延时等待一会，再处理。在松开后，也延时一会，免得检测到松开的抖动以为又有按键。（注，更复杂的应用，需要在按下延时之后重新验证按键，为了简化和方便理解，这个例程里没有这样做。）
另外，因为程序是循环运行的，当一次按键处理后，又会再循环回来继续检测，如果您的按键这时还没有松开，又会被读到一次新的按键，并做处理。所以我们还要做一个特殊的处理，识别到一个按键并处理完成之后，还要等待这个按键松开后，再继续循环运行。



        请根据例程里的注释理解程序。
        请编译，进入仿真，全速运行，看结果。
        全速后，由于light变量初始化时默认为0，所以灯是亮的。按下K1，松开后，灯灭了；再按一次K1,松开后，灯灭了。
        这个例子里，我们只用一个按键就控制了灯的亮灭，这种方法可以节省了硬件资源，也就是节省了硬件成本。在实际项目设计中，有成本优势，产品就更具竞争力。所以我们应该多学习类似的可以节省资源的方法。

tiankai

第6课 用定时器中断闪灯，定时器中断的学习

       在第二课，我们学习了用指令延时闪灯，但是用指令方式闪灯有cpu不能做其他工作的缺点。这一课，我们将学习如何使用定时器方式使灯闪烁。
        中断的理解。
        这里将涉及到单片机中断的应用，在cpu的一步步按照指令运行的过程中（主程序），可能会有其它的更紧急的需要做的事情（中断服务程序），需要cpu暂时停止当前的程序（主程序），做完了（中断服务程序）之后，又可以继续去运行先前的程序（主程序）。就像你正在吃饭，一边又在给水桶里放水，吃着吃着，水满了，你就得赶快去把水龙头关掉或者换一个空的水桶，再回来吃饭。
单片机的定时器就像是一个水桶，你让它启动了，也就是水龙头打开了；开始装水了；定时在每个机器周期不断自动加1，最后溢出了；水桶的水不断增加，最也就满出来了；定时器溢出时，你就要去做处理了；水桶的水满了，你也应该处理一下了；处理完后，单片机又可以回到刚刚开停止的地方继续运行；水桶处理了，先前你在做什么也可以继续去做什么了。
        单片机的主程序是从0x0000开始运行的，单片机服务程序从哪里开始运行呢？在51里，有多个中断服务程序入口，0号入口是外中断0，地址在0x0003；1号入口是定时器0，在0x000B；2号入口是外中断1；地址在0x0013，3号入口是定时器2；地址在0x001B，等等。当中断发生时，程序就记下当前运行的位置，跳到对应的中断入口去运行中断服务程序，运行完之后，又跳回到原来的位置继续运行。
在C51中，你不用理会中断服务程序放在哪里，会怎么跳转。你只要把某个函数标识为几号中断服务函数就可以了。在发生了对应的中断时，就会自动的运行这个函数。
        请看一下相关的51的硬件的书，对定时器工作的寄存器设置做进一步的了解。也可以做完试验再了解，因为例程中都已经为您设置好了。



        请看程序，主程序里的循环里是个死循环，什么也没有做，在实际应用中这里是放的主程序。
        在定时器服务函数里，需要重新置入定时器的值，这样才能保证每次溢出时，都是你指定的时间。这里置入的是0x0006，还需要走0x10000-0x0006个机器周期才溢出。换成10进制也就是每65530个机器周期中断一次。我们仿真的晶振是22118400HZ，每12个时钟一个机器周期。65530×12/22118400＝0.036秒。也就是差不多28HZ的闪烁频率。
因为51的定时器最大只有0xffff，溢出的速度很快，无法做出更久的闪烁频率来，这一课就先观察一下这个28HZ左右频率。在下一课我们会用静态变量的办法，做一个长达1秒钟的LED闪烁频率。
        另外，由于51从中断发生到进入中断的时间不定，是3至8个机器周期，我们在进入了中断后才重新置新的定时器初始值，这样就会存在定时误差。也就是不是精确定时，如果要精确定时，需要使用定时器自动装载方式，也就是在定时器溢出的同时，硬件逻辑就自动把定时器初始值装载进去了，而不是在中断服务程序里赋初始值，这样就可以实现精确定时，误差只出现晶振的频率上。这是下一颗的内容。
现在请仔细研究一下程序，并编译，进入仿真，全速运行，观察运行结果。我们可以看到P10上的LED在快速闪烁。
顺便，也请再练习一下停止，单步，断点等等的调试方法。
        一个特殊的地方，使用DX516在单步时运行时，可能无法进入到中断服务函数中。这是因为中断函数可能在单步处理的瞬间已经运行过去了。如果要单步调试中断服务函数，请在中断服务函数内设置断点，再点全速。稍后就会停止在断点上，就可以继续单步运行了。
        如图：


        还有，在使用DX516仿真器时，你输入EA查看它的值时，会发现它等于0，而你明明在程序中置了1。