01-51单片机LED与独立按键

一、单片机概述

注意：个人学习笔记，里面涉及到的C语言和进程转换相关的知识在C语言部分已经写了，这里是默认都会的状态学习单片机。

1.什么是单片机

单片机，英文Micro Controller Unit，简称MCU。其内部集成了CPU、RAM、ROM、定时器、中断系统、通讯接口等一系列电脑的常用硬件功能。

我们可以依靠单片机的传感器采集相应的数据，可以通过 CPU 处理数据，还可以完成对硬件设备，如：LED，蜂鸣器，电机等的控制。

单片机相当于一台微型计算机，相比于我们平时使用的电脑，有优势也有劣势：
- 缺点：在性能上，与计算机相差甚远，处理数据的能力要远低于计算机；
- 优点：单片机成本低、体积小、结构简单，有其适用的领域，比如智能家居、工业自动化控制等。并不一定说性能越高的就越好，要看起使用需求，合适的才是最好的。

2. 51单片机简介

2.1命名规范

在这里插入图片描述

2.2笔记使用单片机配置

本笔记学习使用的是普中科技 STC89C52RC 的开发板。

系列：51单片机系列
公司：STC公司
位数：8位
RAM：512字节，理解为电脑内存条，断电丢失
ROM：8K（Flash），理解为电脑磁盘，断电不丢失
工作频率：12MHz

二、LED 模块

1.认识LED

LED：发光二极管，外文名(Light Emitting Diode)，用于：照明、广告灯、指引灯、屏幕等。

LED 具有单向导电性，即电流只能从正极流向负极，引脚较长的一端为正极，引脚较短的一端为负极。

2.单片机中 LED 模块电路图

在这里插入图片描述

说明：
1. LED 的电路图可以看出，这是一个共阳极电路，我们需要通过芯片从另外一端（阴极）控制 LED 的亮灭，串联的电阻用于限流，防止烧坏 LED；
2. 单片机里用 1 表示高电平（简单理解为给电），0 表示低电平（不给电），当我们给阴极赋 1 的的时候，两边都给电，没有压差，没有电势差，无法形成电流， LED 就无法点亮，因此这里给阴极赋 0 就可以点亮对应的LED；
3. 而芯片控制 LED 对应线路的方式，单片机的芯片引出一定数目的引脚，此单片机 40 引脚，分为几组（也有独立的），8个引脚为一组，正好一字节数据也是 8 位。一组一个寄存器，一个寄存器分为 8 个，每个就是一个驱动器。我们通过代码的一字节数据，给对应位赋 0 ，其它位赋 1 ，就能点亮我们想要点亮的 LED 灯泡了；
4. 上图可以看到，每条线路对应了一个编号，如 P21 ，这里的 p2 就代表了使用 P2 号锁存器来控制 LED ，后面的 1 对应的是锁存器的其中一个位选段，具体到驱动几号 LED。

3. LED 实验

3.1点亮一颗 LED

代码演示

#include <REGX52.H>

void main()
{
	P2=0xFE; // 1111 1110
	while(1);
}

说明：
1. 上面的演示效果，是点亮了电路图中的 D1 号 LED；
2. 在分析每位二进制的时候，对应的 LED 灯泡从 D1 ~ D8 分别对应二进制中的由低位到高位，代码里面显示的从右往左依次是低位到高位，但是C语言里面没有二进制类型，依次通过十六进制表示；
3. 要想通过C语言调用对应的寄存器和驱动器，需要包含头文件#include <REGX52.H>；
4. 单片机里程序运行结束不会直接停止，而是会反复去执行，因此下面放一个死循环，防止反复执行，减小 CPU 占用，但是实现效果上是没有区别的。
点亮指定多颗 LED

#include <REGX52.H>

void main()
{
	P2=0xAA; // 1010 1010
	while(1);
}

说明：上面的代码点亮了，D1 3 5 7 四颗 LED。

3.2 LED 闪烁

代码演示

#include <REGX52.H>
#include <INTRINS.H> // _nop_需要的头文件

void Delay500ms()		//@12.000MHz
{
	unsigned char i, j, k;

	_nop_();
	i = 4;
	j = 205;
	k = 187;
	do
	{
		do
		{
			while (--k);
		} while (--j);
	} while (--i);
}

void main()
{
	while(1)
	{
		P2=0xFE; // 1111 1110 亮
		Delay500ms(); // 延时500ms
		P2=0xFF; // 1111 1111 灭
		Delay500ms();
	}
}

说明：
1. 上面的演示效果，是实现了 D1 LED 每 0.5 秒闪烁一次的效果；
2. 上面的延时函数可直接通过软件 STC-ISP 软件的延时计算器生成，需要包含头文件#include <INTRINS.H>；
3. 这里实现原理很简单，即先点亮，过 0.5s 熄灭，再过 0.5s 点亮，通过 while 实现循环。

3.3 LED 流水灯

代码演示

#include <REGX52.H>
#include <INTRINS.H>

// 自定义延时多少毫秒
void Delayxms(unsigned int xms)		//@12.000MHz
{
    unsigned char i, j;
	while(xms)
	{
		i = 2;
		j = 239;
		do
		{
			while (--j);
		} while (--i);
		xms--;
	}
}


void main()
{
	// 定义变量，保存延时的毫秒数
	unsigned int time_ms = 500;
	
	while(1)
	{
		P2=0xFE; // 1111 1110
		Delayxms(time_ms);
		P2=0xFD; // 1111 1101
		Delayxms(time_ms);
		P2=0xFB; // 1111 1011
		Delayxms(time_ms);
		P2=0xF7; // 1111 0111
		Delayxms(time_ms);
		P2=0xEF; // 1110 1111
		Delayxms(time_ms);
		P2=0xDF; // 1101 1111
		Delayxms(time_ms);
		P2=0xBF; // 1011 1111
		Delayxms(time_ms);
		P2=0x7F; // 0111 1111
		Delayxms(time_ms);
	}
}

说明：
1. 代码运行结果，会从 D1 ~ D8 号 LED 依次点亮 0.5s ，如此循环；
2. 和上面闪烁原理一样，只不过交替闪烁而已，需要计算出每个 LED 点亮对应的十六进制码就行了；
3. 这里实现了自定义点亮时间，即先生成一个一毫秒的延时函数，然后在延时函数里放一个 while 循环，将延时函数函数体放到循环里面，要延时多少毫秒，就循环多少遍函数体即可；
4. 需要注意的是，在单片机里，int 类型占16位，2字节。

三、按键控制 LED

1.认识独立按键模块

1.1独立按键介绍

按键的结构实物图

在这里插入图片描述

如图右边，按键的底部有四个引脚，左边两个是接通的，右边两个是接通的，左右两边不接通，当我们按下的时候，左图所示的金属弹片会将左右接通，因此按下的时候，四个引脚都是接通的。

1.2独立按键电路图

在这里插入图片描述

说明：
1. 如图所示，这里的独立按键是一个共阴极电路；
2. 前面讲到的寄存器，除了可以将指令发送到 IO 口控制 LED 的亮灭，还能读取线路中的高低电平状态返回到 IO 口；
3. 因此，按键按下的时候，和 GND 接通，回馈信号为 0 ，松开按键，回馈信号为1；
4. 这里使用的是 P3 锁存器，1 ~ 4 位选段。

2.按键实验

2.1按键控制 LED 亮灭

代码演示

#include <REGX52.H>

void main()
{
	while(1)
	{
		// 按键按下回馈信号为0，反之为1
		if(P3_1==0)
			P2_0=0;
		else
			P2_0=1;
	}
}

说明：
1. 运行效果：按键 K1 按下的时候，LED 亮起，松开 LED 熄灭；
2. 除了上面 LED 实验里，一次性对一个段的 8 位进行操作以外，也能单独对某一位进行操作。

2.2按键控制 LED 状态

2.2.1按键抖动

前面提到的按键里面的金属弹片，按键按下的时候，弹片会将左右引脚接通，但是机械触点也会产生振动，虽然这振动对于宏观世界而言无关紧要。但从微观来看，机械触点的弹性作用，一个开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开，所以在开关闭合及断开的瞬间会伴随一连串的抖动，如下图：

在这里插入图片描述

因此，在按键按下和松开的时候，各设置一个延时函数消抖即可。

2.2.2按键点亮 LED

代码演示

#include <REGX52.H>
#include <INTRINS.H>

void Delayxms(unsigned int xms)		//@12.000MHz
{
    unsigned char i, j;
	while(xms)
	{
		i = 2;
		j = 239;
		do
		{
			while (--j);
		} while (--i);
		xms--;
	}
}

void main()
{
	while(1)
	{
		if(P3_1 == 0)
		{
			// 延时为了消除按键抖动
			Delayxms(20);
			// 如果按键不松开就一直循环
			while(P3_1 == 0);
			Delayxms(20);
			// 这一次值为上一次的取反，即上一次灭，这一次就亮
			P2_0 =~ P2_0;
		}
	}

}

说明：
1. 上面代码运行的效果：按下松开， LED 点亮，再次按下松开，LED 熄灭；
2. 在按下和松开的瞬间各设置一个延时消抖，如果按下没有松开，通过一个 while 循环阻塞，直到松开按键，循环解阻塞；
3. 当前 LED 的亮灭状态为按键前的取反，即按键前是亮，则按下后是灭，按下前是灭，按下后是亮。

2.3按键控制 LED 以二进制显示

代码演示

#include <REGX52.H>
#include <INTRINS.H>

void Delayxms(unsigned int xms)		//@12.000MHz
{
    unsigned char i, j;
	while(xms)
	{
		i = 2;
		j = 239;
		do
		{
			while (--j);
		} while (--i);
		xms--;
	}
}

void main()
{
	unsigned char LEDNum = 0;
	while(1)
	{
		if(P3_1 == 0)
		{
			Delayxms(20);
			while(P3_1 == 0);
			Delayxms(20);
			LEDNum++;
			P2 = ~LEDNum;
		}
	}

}

说明：
1. 上面代码的运行效果：每按下一次按键，LED 就以二进制数值递增的方式显示；
2. 定义一个局部变量，用于存放每个 LED 的高低电平状态，每按键一次，对变量 +1 ；
3. 因为 LED 模块是共阳极电路，因此给 0 LED 才亮，因此对局部变量按位取反，实现真正的效果。

2.4按键控制 LED 左右移动

代码演示

#include <REGX52.H>
#include <INTRINS.H>

void Delayxms(unsigned int xms)		//@12.000MHz
{
    unsigned char i, j;
	while(xms)
	{
		i = 2;
		j = 239;
		do
		{
			while (--j);
		} while (--i);
		xms--;
	}
}

void main()
{
	unsigned char LEDNum = 0;
	P2=~0x01; // led默认开始在第一个
	while(1)
	{
		// 实现灯号递增移动
		if(P3_1 == 0)
		{
			Delayxms(20);
			while(P3_1 == 0);
			Delayxms(20);
			LEDNum++;
			if(LEDNum >= 8)
				LEDNum = 0;
			P2 = ~(0x01<<LEDNum);
		}
		// 实现灯号递减少移动
		if(P3_0 == 0)
		{
			Delayxms(20);
			while(P3_0 == 0);
			Delayxms(20);
			if(LEDNum == 0)
				LEDNum = 7;
			LEDNum--;
			P2 = ~(0x01<<LEDNum);
		}
	}
}

说明：
1. 运行结果：点按 K1 按键， LED 从低位向高位，每按键一次，移动一个；
2. 点按 K2 按键，LED 从高位向低位，每按键一次，移动一个；
3. 这里设置 LED 默认点亮 D1 号，定义一个变量用于保存下一次按键点亮 LED 的偏移量，通过左移右移实现每按键一次，左移或右移一个 LED ；
4. 同时判断，移动范围，低位到高位移动，最大偏移量为 7 ，当超过 7 的时候复位到最低位 LED ；同理由高位到低位移动，最低位偏移量为0，先判断为 0，复位到最高位 LED，如此循环实现。