51单片机 | 点亮第一个LED | LED 闪烁实验 | LED流水灯实验

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于 2022-11-18 00:19:48 首次发布

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本文详细介绍了51单片机的GPIO概念、结构与工作原理，以P0-P3端口为例，重点讲述了如何通过GPIO点亮和控制LED。内容包括LED的基础知识、硬件设计、软件设计，涵盖点亮LED、LED闪烁及流水灯实验，适合初学者入门学习。

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本节介绍在程序中操作51单片机的GPIO口输出高低电平使开发板上的LED灯点亮。

一、51单片机GPIO介绍

1.GPIO概念

GPIO（general purpose intput output）是通用输入输出端口的简称，可以通过软件来控制其输入和输出。51 单片机芯片的 GPIO 引脚与外部设备连接
起来，从而实现与外部通讯、控制以及数据采集的功能。不过 GPIO 最简单的应用还属点亮 LED 灯了，只需通过软件控制 GPIO 输出高低电平即可。当然 GPIO还可以作为输入控制，比如在引脚上接入一个按键，通过电平的高低判断按键是否按下。
我们开发板上使用的 51 单片机型号是 STC89C52 或 STC89C516，此芯片共有40 引脚，芯片引脚图如下图所示：
在这里插入图片描述
51 单片机引脚可以分为这么几大类：

电源引脚：引脚图中的 VCC、 GND 都属于电源引脚。
晶振引脚：引脚图中的 XTAL1、XTAL2 都属于晶振引脚。
复位引脚：引脚图中的 RST/VPD 属于复位引脚，不做其他功能使用。
下载引脚：51 单片机的串口功能引脚（TXD、RXD）可以作为下载引脚使用
GPIO 引脚：引脚图中带有 Px.x 等字样的均属于 GPIO 引脚。从引脚图可以看出，GPIO 占用了芯片大部分的引脚，共达 32 个，分为了 4 组，P0、P1、P2、P3，每组为 8 个 IO，而且在 P3 组中每个 IO 都具备额外功能，只要通过相应的寄存器设置即可配置对应的附加功能，同一时刻，每个引脚只能使用该引脚的一个功能。

下面，我们介绍这么多GPIO管脚中每个管脚具体有什么功能。可以查阅 STC89CXX 芯片数据手册获取信息。
在这里插入图片描述

2.GPIO 结构框图与工作原理

我们使用的 51 单片机 GPIO 分为 P0、P1、P2 和 P3 口，下面分别来介绍其内部结构框图与工作原理。

2.1 P0端口

P0 端口含有 8 位引脚，下图为其中一个，其它几个与之完全一致，因此只需了解当中一个即可。如下图所示：
在这里插入图片描述
由上图可见，P0 端口由锁存器、输入缓冲器、切换开关、一个非门、一个与非门及场效应管驱动电路构成。再看图的最右边，标号为 P0.x 引脚的图标，也
就是说 P0.x 引脚可以是 P0.0 到 P0.7 的任何一位，即在 P0口有 8 个与上图相同的电路组成。
下面介绍组成P0口的每个单元部分：

输入缓冲器
在 P0 口中，有两个三态的缓冲器，在学数字电路时，我们已知道，三态门有三个状态，即在输出端可以是高电平、低电平，同时还有一种就是高阻状态（或称为禁止状态），大家看上图，上面一个是读锁存器的缓冲器，也就是说，要读取 D 锁存器输出端 Q 的数据，那就得使读锁存器的这个缓冲器的三态控制端（上图中标号为‘读锁存器’端）有效。下面一个是读引脚的缓冲器，要读取 P0.x 引脚上的数据，也要使标号为‘读引脚’的这个三态缓冲器的控制端有效，引脚上的数据才会传输到我们单片机的内部数据总线上。
D 锁存器
构成一个锁存器，通常要用一个时序电路，时序的单元电路在学数字电路时我们已知道，一个触发器可以保存一位的二进制数（即具有保持功能），在 51 单片机的 32 根 I/O 口线中都是用一个 D 触发器来构成锁存器的。大家看上图中的 D 锁存器，D 端是数据输入端，CP（CLK）是控制端（也就是时序控制信号输入端），Q 是输出端，Q 非是反向输出端。
对于 D 触发器来讲，当 D 输入端有一个输入信号，如果这时控制端 CP 没有信号（也就是时序脉冲没有到来），这时输入端 D 的数据是无法传输到输出端 Q 及反向输出端 Q 非的。如果时序控制端 CP 的时序脉冲一旦到了，这时 D 端输入的数据就会传输到 Q 及 Q 非端。数据传送过来后，当 CP 时序控制端的时序信号消失了，这时，输出端还会保持着上次输入端 D 的数据（即把上次的数据锁存起来了）。如果下一个时序控制脉冲信号来了，这时 D 端的数据才再次传送到 Q 端，从而改变 Q 端的状态。
多路开关
在 51 单片机中，当内部的存储器够用（也就是不需要外扩展存储器时，这里讲的存储器包括数据存储器及程序存储器）时，P0 口可以作为通用的输入输出端口（即 I/O）使用，对于 8031（内部没有ROM）的单片机或者编写的程序超过了单片机内部的存储器容量，需要外扩存储器时，P0 口就作为‘地址/数据’总线使用。那么这个多路选择开关就是用于选择是做为普通 I/O 口使用还是作为‘数据/地址’总线使用的选择开关了。大家看上图，当多路开关与下面接通时，P0 口是作为普通的 I/O 口使用的，当多路开关是与上面接通时，P0 口是作为‘地址/数据’总线使用的。
场效应管输出驱动
从上图中可以看出，P0 口的输出是由两个 MOS 管组成的推拉式结构，也就是说，这两个 MOS 管一次只能导通一个，当 V1 导通时，V2 就截止，当 V2 导通时，V1 截止。
与非门、非门

前面我们已将 P0 口的各单元部件进行了一个详细的讲解，下面我们就来研究一下 P0 口做为 I/O 口及地址/数据总线使用时的具体工作过程：

作为 I/O 端口输出使用时的工作原理
P0 口作为 I/O 端口使用时，多路开关的控制信号为 0（低电平），看上图中的红线部份，多路开关的控制信号同时与与非门的一个输入端是相接的，我们知道与门的逻辑特点是“全 1 出 1，有 0 出 0”，那么控制信号是 0 的话，这时与门输出的也是一个 0（低电平），与门的输出是 0，V1 管就截止，在多路控制开关的控制信号是 0（低电平）时，多路开关是与锁存器的 Q 非端相接的（即 P0 口作为 I/O 口线使用）。
P0 口用作 I/O 口线，其由数据总线向引脚输出（即输出状态 Output）的工作过程：当写锁存器信号 CP 有效，数据总线的信号→锁存器的输入端→D 锁存器的反向输出 Q 非端→多路开关→V2 管的栅极→V2 的漏极到输出端 P0.X。前面我们已讲了，当多路开关的控制信号为低电平 0 时，与门输出为低电平，V1 管是截止的，所以作为输出口时，P0 是漏极开路输出，类似于 OC 门，当驱动上接电流负载时，需要外接上拉电阻。
下图就是由内部数据总线向 P0 口输出数据的流程图（红色箭头）：
作为 I/O 端口输入使用时的工作原理
数据输入时（读 P0 口）有两种情况：
- 读引脚
  读芯片引脚上的数据，读引脚数时，读引脚缓冲器打开（即三态缓冲器的控制端要有效），通过内部数据总线输入，请看下图（红色箭头）。
- 读锁存器
  通过打开读锁存器三态缓冲器读取锁存器输出端 Q 的状态，请看下图（红色箭头）
  
  因为现在 STC 51 单片机内存已经足够使用，所以也用不到通过 P0 口外扩存储器，对于 P0 口作为外扩存储器时的工作原理这里就不叙述。

2.2 P1端口

P1 口的结构最简单，用途也单一，仅作为数据输入/输出端口使用。输出的信息有锁存，输入有读引脚和读锁存器之分。P1 端口的结构见下图：
在这里插入图片描述
由图可见，P1 端口与 P0 端口的主要差别在于：P1 端口用内部上拉电阻 R 代替了 P0 端口的场效应管 V1，并且输出的信息仅来自内部总线。由内部总线输出的数据经锁存器反相和场效应管反相后，锁存在端口线上，所以，P1 端口是具有输出锁存的静态口。
由上图可见，要正确地从引脚上读入外部信息，必须先使场效应管关断，以便由外部输入的信息确定引脚的状态。为此，在作引脚读入前，必须先对该端口写入 1。具有这种操作特点的输入/输出端口，称为准双向 I/O 口。8051 单片机的 P1、P2、P3 都是准双向口。P0 端口由于输出有三态功能，输入前端口线已处于高阻态，无需先写入 1 后再作读操作。
单片机复位后，各个端口已自动地被写入了 1，此时，可直接作输入操作。如果在应用端口的过程中，已向 P1 一 P3 端口线输出过 0，则再要输入时，必须先写 1 后再读引脚，才能得到正确的信息。此外，随输入指令的不同，P1 端口也有读锁存器与读引脚之分。

2.3 P2端口

P2 端口的结构见下图：
在这里插入图片描述
由图可见，P2 端口在片内既有上拉电阻，又有切换开关 MUX，所以 P2 端口在功能上兼有 P0 端口和 P1 端口的特点。这主要表现在输出功能上，当切换开关向下接通时，从内部总线输出的一位数据经反相器和场效应管反相后，输出在端口引脚线上；当多路开关向上时，输出的一位地址信号也经反相器和场效应管反相后，输出在端口引脚线上。
对于 8031 单片机必须外接程序存储器才能构成应用电路（或者我们的应用电路扩展了外部存储器），而 P2 端口就是用来周期性地输出从外存中取指令的地址(高 8 位地址)，因此，P2 端口的多路开关总是在进行切换，分时地输出从内部总线来的数据和从地址信号线上来的地址。因此 P2 端口是动态的 I/O 端口。输出数据虽被锁存，但不是稳定地出现在端口线上。其实，这里输出的数据往往也是一种地址，只不过是外部 RAM 的高 8 位地址。
P2 口既可作为 I/O 口使用，也可作为地址总线使用，通常主要用作 I/O 口使用，地址总线使用不作分析。

2.4 P3端口

P3 口是一个多功能口，它除了可以作为 I/O 口外，还具有第二功能，P3 端口的结构见下图：
在这里插入图片描述
由上图可见，P3 端口和 P1 端口的结构相似，区别仅在于 P3 端口的各端口线有两种功能选择。当处于第一功能时，第二输出功能线为 1，此时，内部总线信号经锁存器和场效应管输入/输出，其作用与 P1 端口作用相同，也是静态准双向 I/O 端口。当处于第二功能时，锁存器输出 1，通过第二输出功能线输出特定的内含信号，在输入方面，即可以通过缓冲器读入引脚信号，还可以通过替代输入功能读入片内的特定第二功能信号。由于输出信号锁存并且有双重功能，故P3 端口为静态双功能端口。

2.5 要点

上述是把 51 单片机的 P0、P1、P2 和 P3 口内部结构及原理，需要记住以下几点：

P0 口是漏极开路，要使其输出高电平，必须外接上拉电阻，通常选择4.7K~10K 阻值。P0、P1、P2可以既输出高电平又输出低电平。
P0、P1、P2 几乎都用作普通 I/O 口使用，既可作为输入，又可作为输出。
P3 口既可用作普通 I/O 口，又可作为第二功能使用，比如串口、外部中断、计数器等。

二、LED简介

LED 即发光二极管。它具有单向导电性，通过 5mA 左右电流即可发光，电流越大，其亮度越强，但若电流过大，会烧毁二极管，一般我们控制在 3 mA-20mA之间，通常我们会在 LED 管脚上串联一个电阻，目的就是为了限制通过发光二极管的电流不要太大，因此这些电阻又可以称为“限流电阻”。当发光二极管发光时，测量它两端电压约为 1.7V，这个电压又叫做发光二极管的“导通压降”。下图左右分别为直插式发光二极管和贴片式发光二极管实物图。发光二极管正极又称阳极，负极又称阴极，电流只能从阳极流向阴极。直插式发光二极管长脚为阳极，短脚为阴极。仔细观察贴片式发光二极管正面的一端有彩色标记，通常有标记的一端为阴极。
在这里插入图片描述
使用发光二极管需要注意：

电流控制在 3 mA-20mA之间
由于其具有单向导电性，因此，正负极不要接反

三、硬件设计

开发板上 LED 模块电路如下图所示：
在这里插入图片描述
在前面我们介绍过如何查看原理图，相同网络标号表示它们是连接在一起的，因此 D1-D8 连接到单片机的 P20-P27 口。图中 LED 采用共阳接法，即所有LED 阳极管脚接电源 VCC，阴极管脚通过一个 470 欧的限流电阻接到 P2 口上。根据前面 LED 的介绍我们知道，要让 LED 发光即对应的阴极管脚应该为低电平，若为高电平则熄灭。因此，如果要想 51 单片机控制 LED，就必须通过单片机管脚在 P2 口上输出低电平。

四、软件设计

1.点亮第一个LED

所实现的功能就是：点亮 D1 指示灯，即让 P2.0 管脚输出一个低电平。
我们直接复制前面创建好的工程模板，将复制过来的模板文件夹重新命名为“2-点亮第一个LED”。打开工程直接在 main.c 源文件内进行编程，main.c 内代码如下：

/*
实验名称：点亮第一个 LED
接线说明：
实验现象：下载程序后“LED 模块”的 D1 指示灯点亮
*/

#include "reg52.h"

//将P2.0管脚定义为LED1
sbit LED1 = P2^0;

void main()
{
	//P2.0管脚输出低电平，即可点亮第一个LED灯
	LED1 = 0;
	while (1)
	{
			
	}
}

至此，整个程序就编写完成，我们编译一下，如下图所示:
在这里插入图片描述
可以看到没有错误，也没有警告。从编译信息可以看出，我们的代码占用FLASH 大小为：19 字节，所用的 SRAM 大小为：9 个字节（9+0）。这里我们解释一下，编译结果里面的几个数据的意义：

code：表示程序所占用 FLASH 的大小。
data：数据储存器内部 RAM 占用大小。
xdata：数据储存器外部 RAM 占用大小。

有了这个就可以知道你当前使用的 flash 和 sram 大小了。一定要注意的是程序的大小不是.hex 文件的大小，而是编译后的 code 和 data 之和。

2.LED 闪烁实验

完成点亮第一个LED灯后可再控制 D1 指示灯闪烁，即间隔一段时间点亮和熄灭 D1 指示灯。如果要实现 LED 闪烁，只需循环让 D1 指示灯先亮一会后熄灭。这里就有一个延时问题，如何来产生延时呢？利用延时函数。延时函数如下：

/*
函 数 名 : delay_10us
函数功能 : 延时函数，ten_us=1 时，大约延时 10us
输 入 : ten_us
*/
void delay_10us(u16 ten_us)
{
	while (tenus--);
}

可以发现：到函数形参 ten_us 是 u16 类型的，这个似乎不是 C 语言数据类型关键字，这是我们重定义的数据类型，如下：

typedef unsigned int u16; //对系统默认数据类型进行重命名
typedef unsigned char u8;

使用关键字 typedef 对系统默认数据类型 unsigned int 和unsigned char重新命名，主要是方便我们代码的书写和变量类型的查看。u16 即代表该变量是16 位的无符号整型数据，u8 代表该变量是 8 位的无符号字符型数据。有了这个就知道参数的传送范围，不能超过形参定义的范围。
我们直接复制前面创建好的工程模板，将复制过来的模板文件夹重新命名为“3-LED灯闪烁实验”。打开工程直接在 main.c 源文件内进行编程，main.c 内代码如下：

/*
实验名称：LED灯闪烁实验
接线说明：
实验现象：下载程序后“LED 模块”的 D1 指示灯闪烁
*/

#include "reg52.h"

typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16; //对系统默认数据类型进行重命名

/*
函 数 名 : delay_10us
函数功能 : 延时函数，ten_us=1 时，大约延时 10us
输 入 : ten_us
*/
void delay_10us(u16 ten_us)
{
	while (tenus--);
}

//将P2.0管脚定义为LED1
sbit LED1 = P2^0;

void main()
{
	while (1)
	{
		LED1 = 0; //点亮
		delay_10us(50000); //大约延时450ms
		LED1 = 1; //熄灭
		delay_10us(50000);
				
	}
}

至此，整个程序就编写完成，我们编译一下，如下图所示:
在这里插入图片描述
可以看到没有错误，也没有警告。

2.1 通过 KEIL 软件仿真查看延时时间

上述代码中我们传递实参是 50000，得到的延时大约是 450ms，如何来验证呢？可以通过 KEIL 自带的软件仿真功能，操作如下：

打开实验工程，点击魔术棒，选择“Target”选项卡，在 Xtal(MHz)文本框中输入 12M，该值表示开发板上实际使用外部晶振大小，如果开发板上使用外部晶振是 11.0592M，则修改为对应值。然后点击 OK。
点击仿真按钮，进入仿真界面，如下所示：
点击 RST 按钮，重新复位系统参数，此时参数列表中 sec 则为 0，然后在所要查看调试的代码数字前面用鼠标左键双击即可出现“红色块”，我们称之为断点。如果再次双击，即可取消该断点。当点击红色标记 8 运行的时候就能直接运行到我们设置的断点处。
当点击红色标记 8 运行时，可以看到黄色箭头直接定位到 36 行代码，也就是我们刚才设置的第一个断点位置，此时参数列表中 sec 时间是 0.00039s。
再次点击红色标记 8 运行时，此时黄色箭头指向第 37 行代码，此时 sec为 0.450601s。

将现在这个时间减去上一步的 sec 时间就可以得到 delay_10us(50000)运行的实际时间了。再次点击仿真按钮则可退出仿真界面，回到程序编辑界面。

3.LED流水灯实验

左右流水灯即依次将D1-D8指示左右循环点亮。我们直接复制前面创建好的工程模板，将复制过来的模板文件夹重新命名为“4-LED流水灯实验”。打开工程直接在 main.c 源文件内进行编程，main.c 内代码如下：

/*
实验名称：LED流水灯实验
接线说明：
实验现象：下载程序后“LED模块”的D1-D8指示左右点亮
*/

#include "reg52.h"
#include "intrins.h"

//适用宏定义将P2端口定义,低位是P2.0，高位是P2.7
#define LED_PORT P2	  
typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;

/*
函 数 名 : delay_10us
函数功能 : 延时函数，ten_us=1 时，大约延时 10us
输 入 : ten_us
*/
void delay_10us(u16 ten_us)
{
	while (ten_us--);
}



void main()
{
	u8 i = 0;
	LED_PORT = ~0x01;
	delay_10us(50000);
	while (1)
	{  	

		//方法1：使用移位+循环实现流水灯
//		for(i=0;i<8;i++)
//		{
//			LED_PORT=~(0x01<<i);	//将1右移i位，然后取反将结果赋值到LED_PORT
//			delay_10us(50000);
//		}

		//方法2：使用循环+_crol_或_cror_函数实现流水灯
		//0从低位移到高位，左移
		for (i=0;i<7;i++)
		{
		 	LED_PORT = _crol_(LED_PORT,1);
			delay_10us(50000);
		}	
		//0再从高位移到低位，右移
		for (i=0;i<7;i++)
		{
			LED_PORT = _cror_(LED_PORT,1);
			delay_10us(50000);
		}
	}
}

至此，整个程序就编写完成，我们编译一下，如下图所示:
在这里插入图片描述
可以看到没有错误，也没有警告。

左移函数是_crol_()，右移函数是_cror_()，这两个函数中分别传入两个参数：要移到的值与要移动的位数。要使用这两个函数在我们的程序中必须包含 intrins.h 头文件。该移位函数实现的移位功能就相当于一个队列内循环移动，如果是左移，那么最高位就被移到最低位了，次高位变为最高位，依次类推。

下面列举for循环LED_PORT端口状态值，如下所示：

初始状态：LED_PORT=1111 1110
i=0：LED_PORT=1111 1101
i=1：LED_PORT=1111 1011
i=2：LED_PORT=1111 0111
i=3：LED_PORT=1110 1111
i=4：LED_PORT=1101 1111
i=5：LED_PORT=1011 1111
i=6：LED_PORT=0111 1111