51 单片机GPIO / 按键 / 中断 / 定时器 / PWM

1. GPIO（通用输入输出）

GPIO（Genral Purpose Input Output）是单片机与外界交互最基本的形式，每个 GPIO 引脚可独立配置为输入 / 输出模式。

1.1 输出模式（控制外部设备）

核心作用：主动控制引脚输出高电平 / 低电平（给外部设备发控制信号）。常见输出类型（51 单片机核心以推挽输出为主，扩展型支持以下类型）：

推挽输出：可输出强高 / 低电平，驱动能力强（如直接驱动 LED）；
开漏输出：仅能输出低电平，高电平需外接上拉电阻（用于 I2C 总线等）；
复用开漏 / 推挽：引脚复用为外设功能（如串口、定时器）时的输出模式。

1.2 输入模式（检测外部信号）

核心作用：被动检测引脚的电平状态（接收外部设备的信号）。

上拉输入：引脚默认高电平，外部拉低时检测为低电平（51 按键常用）；
下拉输入：引脚默认低电平，外部拉高时检测为高电平；
浮空输入：引脚电平由外部电路决定，易受干扰（少用）；
模拟输入：用于 ADC 采样（51 基础款无 ADC，增强型支持）。

2. 独立按键

2.1 工作原理（51 单片机最常用）

未按下：按键引脚通过上拉电阻接 VCC，呈现高电平；
按下时：引脚与 GND 短路，呈现低电平；
核心判断逻辑：检测引脚是否为低电平，即可判断按键是否按下（需加防抖处理）。

2.2 简易防抖代码示例

运行

复制代码

#include <reg51.h>
// 按键引脚定义（P3.2为按键1）
#define KEY1 P3_2

// 按键检测函数（带防抖，返回1表示按下，0表示未按下）
unsigned char key_scan(void)
{
    if(KEY1 == 0)  // 检测到引脚低电平
    {
        // 防抖延时（10ms，11.0592MHz晶振）
        unsigned int i;
        for(i=0; i<1000; i++);
        if(KEY1 == 0)  // 再次确认按下
        {
            while(KEY1 == 0);  // 等待按键释放
            return 1;
        }
    }
    return 0;
}

void main(void)
{
    while(1)
    {
        if(key_scan() == 1)
        {
            P1_0 = ~P1_0;  // 按下按键翻转LED电平
        }
    }
}

3. 中断系统

3.1 中断核心概念

CPU 执行当前任务时，外界发生紧急事件，CPU 暂停当前任务→执行紧急事件→返回原任务继续执行，这个过程就是中断。核心优势：无需 CPU 轮询检测，实时响应外部事件（如按键、定时器溢出）。

3.2 中断源（51 单片机基础款）

中断源	对应引脚 / 功能	中断号
外部中断 0（INT0）	P3.2 引脚	0
外部中断 1（INT1）	P3.3 引脚	1
定时器 0 溢出中断	Timer0 计数溢出	2
定时器 1 溢出中断	Timer1 计数溢出	3
串口中断	串口收发完成	4

3.3 中断优先级与嵌套

中断优先级：多个中断同时请求时，CPU 优先处理优先级高的中断（51 可通过 IP 寄存器配置）；
中断嵌套：CPU 处理低优先级中断时，可被高优先级中断打断（51 最多支持 2 层嵌套）。

3.4核心中断寄存器

（1）中断允许寄存器（IE）

位	7	6	5	4	3	2	1	0
符号	EA	-	-	ES	ET1	EX1	ET0	EX0
功能	总中断开关（1 = 开）	-	-	串口中断允许	定时器 1 中断允许	外部中断 1 允许	定时器 0 中断允许	外部中断 0 允许

（2）定时器 / 计数器控制寄存器（TCON）（外部中断触发方式）

位	7	6	5	4	3	2	1	0
符号	TF1	TR1	TF0	TR0	IE1	IT1	IE0	IT0
功能	定时器 1 溢出标志	定时器 1 启动位	定时器 0 溢出标志	定时器 0 启动位	外部中断 1 标志	外部中断 1 触发方式	外部中断 0 标志	外部中断 0 触发方式

IT0/IT1=1：下降沿触发中断；
IT0/IT1=0：低电平触发中断。

4. 定时器

4.1 核心作用

产生精准的时间基准，用于定时、延时、波特率发生器（串口）等场景。51 基础款有 2 个定时器：Timer0、Timer1，均为自增型（计数器从初值递增）。

4.2 工作原理

定时器内部有 16 位计数器（范围 0~65535）；
给计数器设置初值，计数器按固定速率自增（12MHz 晶振下，1 个机器周期 = 1μs）；
计数器递增到 65535 时溢出，向 CPU 发起中断请求；
CPU 响应中断，执行定时器中断服务函数（需手动重装初值）。

4.3 定时器配置核心步骤（以 Timer0 为例）

运行

复制代码

#include <reg51.h>
// 定时器0初始化（12MHz晶振，1ms中断）
void timer0_init(void)
{
    TMOD &= 0xF0;  // 1. 清空TMOD低4位（Timer0配置位）
    TMOD |= 0x01;  // 2. 配置Timer0为16位定时器模式（M1=0,M0=1）
    TH0 = 0xFC;    // 3. 加载初值（1ms：65536-1000=64536 → 0xFC18）
    TL0 = 0x18;
    ET0 = 1;       // 4. 允许Timer0中断
    EA = 1;        // 5. 开启总中断
    TR0 = 1;       // 6. 启动Timer0
}

// 定时器0中断服务函数
void timer0_isr(void) interrupt 1
{
    TH0 = 0xFC;    // 重装初值（16位模式无自动重装，必须手动加）
    TL0 = 0x18;
    // 此处写定时任务（如LED翻转、计数等）
    P1_0 = ~P1_0;
}

void main(void)
{
    timer0_init();
    while(1);
}

5. PWM 与蜂鸣器

5.1 PWM（脉冲宽度调制）

核心：让引脚产生周期性翻转的方波，通过调整周期和占空比控制外设。

PWM 周期：一个方波的完整时间（如 1ms 周期 = 1000Hz 频率）；
PWM 占空比：高电平在一个周期内的占比（如 50% 占空比 = 高电平 0.5ms，低电平 0.5ms）。

51 单片机实现 PWM（软件模拟）

运行

复制代码

#include <reg51.h>
// 配置PWM周期1ms（1000Hz），占空比50%
void pwm_output(void)
{
    P1_0 = 1;      // 高电平
    unsigned int i;
    for(i=0; i<500; i++);  // 高电平持续0.5ms
    P1_0 = 0;      // 低电平
    for(i=0; i<500; i++);  // 低电平持续0.5ms
}

void main(void)
{
    while(1)
    {
        pwm_output();
    }
}

5.2 蜂鸣器

蜂鸣器发声原理：通过震荡产生声波，频率决定音调（高频 = 高音，低频 = 低音），占空比影响音量。

类型	核心区别	使用方式
有源蜂鸣器	内置震荡源	接 VCC 和 GND 即可发声（固定频率）
无源蜂鸣器	无内置震荡源	需外部输入 PWM 方波（可调节频率）

6. 核心知识点速记

GPIO：输出模式控电平，输入模式检测电平；
独立按键：未按高电平，按下低电平，检测需防抖；
中断：紧急事件打断 CPU，51 基础款有 5 个中断源；
定时器：51 有 2 个自增型定时器，16 位计数器溢出触发中断；
PWM：周期 = 方波总时间，占空比 = 高电平占比；
蜂鸣器：有源固定频率，无源需 PWM 驱动。