51单片机基础外设：GPIO（以LED、按键、数码管为例）

1.GPIO

LED

实验一：点亮LED

实验二：LED流水灯

数码管

独立按键

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，是单片机与 LED、按键、传感器等外设通信的桥梁。。

功能： 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。

输出模式：控制外设

输出模式下，单片机可主动输出高电平（VCC）或低电平（GND），驱动外设工作，主要分为 4 种类型：

推挽输出：引脚可直接输出高 / 低电平，驱动能力强（如直接点亮 LED），是最常用的输出模式；

开漏输出：仅能输出低电平，高电平需依赖外部上拉电阻实现，适合多设备总线通信（如 I2C 总线）；

复用开漏：引脚复用为外设功能（如串口 TX），同时保持开漏特性；

复用推挽：引脚复用为外设功能（如定时器 PWM 输出），同时保持推挽驱动能力。

输入模式:检测引脚电平变化

输入模式下，单片机被动检测引脚的电平状态，获取外部设备的信号，主要分为 4 种类型：

上拉输入：引脚通过内部 / 外部上拉电阻接 VCC，未检测到信号时默认输出高电平（如按键未按下时）；

下拉输入：引脚通过内部 / 外部下拉电阻接 GND，未检测到信号时默认输出低电平；

浮空输入：引脚不接上下拉电阻，电平状态完全由外部信号决定（易受干扰，适合高精度信号检测）；

模拟输入：引脚作为模拟信号通道，用于连接 ADC（模数转换器），检测连续变化的模拟量（如温度传感器信号）。

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"。

实验一：点亮LED

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/****************************************************************
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
注意事项：
*****************************************************************/

#include"reg52.h"
sbit LED1=P2^0;//将P2.0管脚定义为LED1
/****************************************************************
*函 数 名:main
*函数功能:主函数
*输入:无
*输出:无
*****************************************************************/
void main()
{
    LED1=0;//LED1端口设置为低电平

    while(1)
    {
    }
}

编译结果：

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。
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。

cpp 复制代码

/****************************************************************
常用重定义数据类型：

关键字 typedef 对系统默认数据类型重新命名，可以方便代码的书写和变量类型的查看。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。
*****************************************************************/

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

实验二：LED流水灯

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/****************************************************************
实验名称：使用移位和循环实现LED流水灯
接线说明：
实验现象：下载程序后实现LED流水灯
注意事项：
*****************************************************************/

#include"reg52.h"

#define LED_PORT P2//使用宏定义P2端口
typedef unsigned char u8;

/****************************************************************
*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
*输出:无
**********************************************************************/
void delay_10us(u16ten_us)
{
    while(ten_us--);
}


/****************************************************************
*函 数 名:main
*函数功能:主函数
*输入:无
*输出:无
*****************************************************************/
void main()
{
    u8 i=0;
    while(1)
    {
        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);
        }
    }
}

cpp 复制代码

/****************************************************************
实验名称：使用KEIL C51 软件内的移位库函数--左移_crol_、右移_cror_函数实现LED流水灯
接线说明：
实验现象：下载程序后实现LED流水灯
注意事项：
*****************************************************************/

#include"reg52.h"
#include"intrins.h" 
/****************************************************************
*头文件:intrins.h
*函数功能:intrins.h 头文件中定义了KEIL C51 软件内的移位库函数，左移函数
是_crol_()，右移函数是_cror_()。这两个移位函数内部实现过程是看不到的，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
****************************************************************/

#define LED_PORT P2//使用宏定义P2端口
typedef unsigned char u8;

/****************************************************************
*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
*输出:无
**********************************************************************/
void delay_10us(u16ten_us)
{
    while(ten_us--);
}

/****************************************************************
*函 数 名:main
*函数功能:主函数
*输入:无
*输出:无
*****************************************************************/

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

    while(1)
    {
        for(i=0;i<7;i++)//将led左移一位
        {
            LED_PORT=_crol_(LED_PORT,1);
            delay_10us(50000);
        }
        for(i=0;i<7;i++)//将led右移一位
        {
            LED_PORT=_cror_(LED_PORT,1);
            delay_10us(50000);
        }
    }
}

cpp 复制代码

//LED功能函数

// led灯全亮
void led_all_on(void)
{
	P2 = 0;
}

// led灯全灭
void led_all_off(void)
{
	P2 = 0xFF;
}

// led翻转
void led_nor(void)
{
	P2 = P2 ^ 0xFF;			
}

// 指定某个led亮
void led_on(unsigned int n)	 
{
	P2 = ~n;
}

LED的高级玩法：

LED点阵：可显示数字和图形。

数码管

51 开发板通常搭载4 位共阴极数码管，特性如下：

显示规则：同一时刻仅能点亮 1 位数码管，通过 "位选→段选" 的顺序控制

位选：通过 NPN 三极管基极（P10~P13 引脚）输出高电平，选中目标数码管

段选：给对应段引脚输出高电平，点亮数码管的特定段（如 a 段、b 段）

动态显示原理：利用人眼视觉暂留效应（时间差不得大于 24ms），快速刷新 4 位数码管的显示状态，实现 "同时亮" 的视觉效果

NPN 三极管导通条件：基极输入高电平

数码管实物图：

开发板原理图：

使用注意：

如果使用共阴数码管 : 需要注意增加单片机 IO 口驱动电流，因为共阴数码管是要靠单片机 IO 口输出电流来点亮的，但单片机 I/O 口难以输出稳定的、如此大的电流，所以数码管与单片机连接时需要加驱动电路，可以用上拉电阻的方法、三极管或使用专门的数码管驱动芯片，比如 74HC573、74HC245 等，其输出电流较大，电路接口简单。

如果使用共阳数码管 : 数码管内部发光二极管点亮时，也需要 5mA 以上的电流，而且电流不可过大，否则会烧坏发光二极管。因此不仅要防止数码管电流过大，同时要防止流经数码管的电流集中到单片机时电流不能过大，否则会损坏主芯片。

常用数码管：一般共阳极数码管更为常用------因为IC 芯片的驱动能力往往是比较小的，如果采用共阴极数码管，它的驱动端有可能受限于 IC 芯片输出电流不够而显示
昏暗，要外加上拉电阻或者是增加三极管加大驱动能力。但是 IC 芯片的灌电流，
即输入电流范围比较大。所以使用共阳极数码管的好处是：将驱动数码管的工作
交到公共端（一般接驱动电源），加大驱动电源的功率自然要比加大 IC 芯片 I/O
口的驱动电流简单许多。另一方面，这样也能减轻主芯片的负担。

若多个数码管，可以使用 IO 扩展芯片，比如 74HC138、74HC164、74HC595(串转并芯片，仅需单片机 3 个 IO 口即可扩展 8 个) 、74HC138 译码器芯片（如下图）等

74HC138 ：是一种三通道输入、八通道输出译码器，主要应用于消费类电子产品。总结：A0、A1、A2输入就相当于3位2进制数，A0是低位，A1是次高位，A2是高位。而Y0-Y7具体哪一个输出有效电平，就看输入二进制对应的十进制数值。比如输入是101（A2，A1，A0），其对应的十进制数是5，所以Y5输出有效电平（低电平）。

更多详细介绍，可以在芯片数据手册查看

74HC245 ：是一种三态输出、八路信号双向收发器，主要应用于大屏显示，以及其它的消费类电子产品中增加驱动。

数码管码表

共阴数码管码表：
cpp 复制代码
//共阴极数码管显示0~F的段码数据，最后的0X00表示无显示
u8 gsmg_code[17]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,
0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71，0X00};
共阳数码管码表：
cpp 复制代码
//共阳极数码管显示0~F的段码数据，最后的0XFF表示无显示
u8 gsmg_code[17]={0xC0, 0xF9, 0xA4, 0xB0, 0x99, 0x92,0x82, 0xF8, 
0x80, 0x90, 0x88, 0x83,0xC6, 0xA1, 0x86, 0x8E, 0xFF};
注意： a 段作为最低位，b 段作为次低位，其他按顺序类推，dp 段为最高位，共 8 位。

cpp 复制代码

//数码管功能函数
#include <reg51.h>
#include "delay.h"

// 段码表
//共阴极数码管显示0~F的段码数据，最后的0X00表示无显示
u8 gsmg_code[17]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,
0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71，0X00};

// 位选
void Bit_Select(unsigned int n)
{
	P1 &= ~(0x0F << 0);
	P1 |= (1 << n);	
}

// 段选
void Seg_Select(unsigned int n)
{
	P0 = seg_table[n];
}

// 动态显示函数：将一个无符号整数n逐位分解，通过动态扫描方式在多位数码管上显示
// 参数n：需要显示的无符号整数（非负整数）
void digiter_show(unsigned int n)	 
{
	int m = 0;
	int t = 0;

   	while (n != 0)
	{
		m = n % 10;		
		P0 = 0;
	    Bit_Select(t++);
		Seg_Select(m);
		delay(100);
		n = n / 10;
	}
}

独立按键

独立按键介绍：

实物图

注意：按键管脚两端距离长的表示默认是导通状态，距离短的默认是断开状态，如
果按键按下，初始导通状态变为断开，初始断开状态变为导通。

**消抖：**抖动时间的长短由按键的机械特性决定的，一般为 5ms 到 10ms。按键消抖有两种方式，一种是硬件消抖，另一种是软件消抖。为了使电路更加简单，通常采用软件消抖。我们开发板也是采用软件消抖，一般来说一个简单的按键消抖就是先读取按键的状态，如果得到按键按下之后，延时 10ms，再次读取按键的状态，如果按键还是按下状态，那么说明按键已经按下。

注意：函数内定义的static 变量 key，相当于全局变量。

cpp 复制代码

//按键功能函数

// 按键初始化
void key_init(void)
{
	P1 |= (0x0F << 4);   
	P3 |= (1 << 5);
}

// 判断按键是否被按下
int key_press(void)
{
	int ret = 0;

	if ((P1 & (1 << 4)) == 0)    // KEY1
	{
		ret = 1;
	}
	else if ((P1 &(1 << 5)) == 0)    // KEY2
	{
		ret = 2;
	}
	else if ((P1 & (1 << 6)) == 0)    // KEY3
	{
		ret = 3;
	}
	else if ((P1 & (1 << 7)) == 0)    // KEY4
	{
		ret = 4;
	}
	else if ((P3 & (1 << 5)) == 0)	 // KEY5
	{
		ret = 5;
	}


	return ret;
}

按键的高级玩法：

矩阵按键：可以节约IO口
按键的长按，短按，双击，三击等等