51单片机（二）：GPIO、中断、定时器与PWM

1. GPIO输出模式与输入模式

GPIO（General Purpose Input/Output，通用目的输入输出）是单片机与外部世界交互的基本接口。每个GPIO引脚都可以配置为两种基本工作模式：

输出模式

功能：由单片机主动控制引脚输出高电平（通常为VCC电压）或低电平（通常为GND电压）。
应用场景 ：
- LED控制：输出高电平点亮LED，低电平熄灭LED
- 数码管控制：动态扫描显示数字
- 蜂鸣器控制：驱动有源蜂鸣器发声
- 继电器控制：开关外部设备

输入模式

功能：检测外部施加到引脚的电平状态（高电平或低电平）。
应用场景 ：
- 按键检测：如独立按键，一端接GND，一端接GPIO引脚。按键按下时，引脚被拉低到GND电平
- 传感器信号读取：如DHT11温湿度传感器的DATA信号
- ADC信号检测：读取模拟电压值对应的数字信号

示例：DHT11传感器通信

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// 起始信号：主机（单片机）先拉低DATA线至少18ms，然后拉高20-40us
void dht11_start_signal(void) {
    DATA_PIN = 0;      // 输出低电平（GPIO输出模式）
    delay_ms(20);      // 保持低电平18ms以上
    DATA_PIN = 1;      // 输出高电平
    delay_us(30);      // 保持高电平20-40us
    // 随后切换为输入模式，等待传感器响应
}

2. 中断概念

中断是单片机处理紧急事件的重要机制。当CPU正在执行某个任务时，如果发生更紧急的外部事件，CPU会暂停当前任务，转去处理这个紧急事件，处理完毕后再返回原任务继续执行。

中断的比喻：就像你在看书（主程序）时，手机突然响了（中断请求），你暂停看书去接电话（执行中断服务函数），接完电话后继续看书（返回主程序）。

3. 51单片机中断源类型及个数

51单片机共有5个中断源，按优先级从高到低排列：

外部中断0（INT0）：最高优先级，由P3.2引脚的电平变化触发
定时器0中断（TIMER0）：定时器0溢出时触发
外部中断1（INT1）：由P3.3引脚的电平变化触发
定时器1中断（TIMER1）：定时器1溢出时触发
串口中断（UART）：串口接收或发送完成时触发

4. 什么是外部中断

外部中断是由单片机外部引脚的电平变化所引发的中断。51单片机有两个外部中断：

INT0：对应P3.2引脚，可用于按键紧急处理、外部事件检测等
INT1：对应P3.3引脚，功能与INT0类似

触发方式：

低电平触发：引脚为低电平时持续产生中断请求
下降沿触发：引脚电平从高变低时产生一次中断请求
上升沿触发：引脚电平从低变高时产生一次中断请求
高电平触发：引脚为高电平时持续产生中断请求

51单片机的外部中断通常配置为下降沿触发，避免因电平持续而重复进入中断。

5. 中断处理流程

当中断事件发生时，CPU按以下流程处理：

中断请求：中断源（如定时器溢出、引脚电平变化）向CPU发出中断请求
中断使能检查 ：
- 检查总中断开关（EA）是否打开
- 检查该中断源的中断使能位是否打开
优先级比较：如果同时有多个中断请求，CPU优先处理优先级高的中断
保护现场：将当前程序计数器（PC）和其他重要寄存器值压入堆栈
执行中断服务函数：跳转到中断向量表指定的地址，执行用户编写的中断处理代码
恢复现场：从堆栈恢复寄存器值，返回原程序继续执行

中断嵌套：51单片机支持最多两层中断嵌套。当CPU正在处理一个低优先级中断时，如果发生更高优先级的中断，CPU会暂停当前中断，转去处理更高优先级的中断。

6. 51单片机中有几个定时器

51单片机内置2个16位定时器/计数器：

定时器0（Timer0）
定时器1（Timer1）

这两个定时器功能相同，可以独立配置为定时器模式或计数器模式。

7. 定时器工作模式

51单片机的定时器有4种工作模式：

模式0：13位定时器/计数器

高8位（THx）和低5位（TLx的低5位）组成13位计数器
计数值范围：0-8191（2¹³-1）
兼容早期8048单片机，现在较少使用

模式1：16位定时器/计数器（最常用）

THx和TLx组成完整的16位计数器
计数值范围：0-65535（2¹⁶-1）
溢出后需要软件重新装载初值

模式2：8位自动重装载定时器

TLx作为8位计数器（0-255）
THx保存重装载值
TLx溢出后自动从THx重装载，无需软件干预
特别适合产生精确的波特率（串口通信）

模式3：两个8位定时器（仅Timer0）

Timer0被拆分为两个独立的8位定时器
TL0作为定时器/计数器，使用Timer0的控制位
TH0作为定时器，使用Timer1的控制位
Timer1在此模式下停止计数

8. 定时器配置流程

以模式1（16位定时器）为例，配置流程如下：

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void timer0_init(void) {
    // 1. 设置定时器工作模式
    TMOD &= 0xF0;      // 清零Timer0的模式位
    TMOD |= 0x01;      // 设置Timer0为模式1（16位定时器）
    
    // 2. 计算并设置定时器初值
    // 假设使用12MHz晶振，定时1ms
    // 机器周期 = 12 / 12MHz = 1μs
    // 需要计数值 = 1000μs / 1μs = 1000
    // 初值 = 65536 - 1000 = 64536
    TH0 = (65536 - 1000) / 256;  // 高8位
    TL0 = (65536 - 1000) % 256;  // 低8位
    
    // 3. 开启定时器中断
    ET0 = 1;           // 允许Timer0中断
    EA = 1;            // 开启总中断
    
    // 4. 启动定时器
    TR0 = 1;           // 启动Timer0
}

// Timer0中断服务函数
void timer0_isr(void) interrupt 1 {
    // 重新装载初值
    TH0 = (65536 - 1000) / 256;
    TL0 = (65536 - 1000) % 256;
    
    // 用户定时任务
    static unsigned int count = 0;
    if (++count >= 1000) {  // 1秒到
        count = 0;
        // 执行1秒任务
    }
}

9. 8位自动重装载定时器工作原理

模式2（8位自动重装载）的工作原理：

计数器：TLx作为8位加1计数器，范围0-255
重装载寄存器：THx保存重装载值（8位）
工作过程 ：
- TLx从初值开始计数，每个机器周期加1
- 当TLx计数到255后，再加1变为0，产生溢出
- 溢出瞬间，硬件自动将THx的值重新装载到TLx
- 同时置位TFx标志，请求中断
优点：
- 无需在中断服务函数中重装初值，减少中断响应时间
- 定时精度高，适合产生固定频率的脉冲

应用：串口通信的波特率发生器通常使用Timer1的模式2。

10. PWM周期

PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）是一种通过调节脉冲宽度来控制模拟信号的技术。

PWM周期：一个完整PWM波形所经历的时间，即从上升沿（或下降沿）到下一个上升沿（或下降沿）的时间间隔。

计算公式：

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PWM周期(T) = 1 / PWM频率(f)

示例：

如果PWM频率为200Hz，则周期 T = 1/200 = 0.005秒 = 5ms
如果PWM频率为1kHz，则周期 T = 1/1000 = 0.001秒 = 1ms

11. PWM占空比

PWM占空比：在一个PWM周期内，高电平时间占总周期的比例。

计算公式：

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占空比(D) = (高电平时间 / PWM周期) × 100%

示例：

50%占空比：高电平和低电平时间各占一半
25%占空比：高电平时间占1/4，低电平时间占3/4
75%占空比：高电平时间占3/4，低电平时间占1/4

应用：

LED亮度调节：改变占空比即可调节亮度
电机速度控制：占空比越大，电机转速越快
蜂鸣器音调控制：结合频率和占空比控制声音特性

12. 有源蜂鸣器与无源蜂鸣器

有源蜂鸣器

内部结构：内置振荡电路，只需通电即可发声
驱动方式：直流电压驱动，正负极接对即可
声音特性：固定频率，不能改变音调
控制简单：GPIO输出高电平即响，低电平即停
应用场景：报警提示、按键音等不需要变化音调的场合

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// 有源蜂鸣器控制
#define BEEP_PIN P1_0

void beep_on(void) {
    BEEP_PIN = 1;  // 输出高电平，蜂鸣器响
}

void beep_off(void) {
    BEEP_PIN = 0;  // 输出低电平，蜂鸣器停
}

无源蜂鸣器

内部结构：不含振荡电路，相当于一个微型扬声器
驱动方式：需要方波信号驱动，频率决定音调
声音特性：可通过改变频率产生不同音调，可播放简单音乐
控制复杂：需要PWM或定时器产生特定频率的方波
应用场景：电子琴、音乐播放、多音调报警等

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// 无源蜂鸣器驱动示例（产生1kHz声音）
void passive_beep_1kHz(void) {
    // 1kHz方波，周期1ms，高电平0.5ms，低电平0.5ms
    while(1) {
        BEEP_PIN = 1;
        delay_us(500);   // 高电平500μs
        BEEP_PIN = 0;
        delay_us(500);   // 低电平500μs
    }
}

对比总结

特性	有源蜂鸣器	无源蜂鸣器
内部振荡源	有	无
驱动信号	直流电平	方波信号
音调	固定，不可调	可调，可编程
控制复杂度	简单（GPIO输出）	复杂（需要PWM/定时器）
成本	较低	较低
应用	简单报警提示	音乐播放、多音调报警