51单片机 --- GPIO、中断、定时器、PWM

一、GPIO 基础

GPIO（General Purpose Input/Output，通用目的输入输出）是 51 单片机与外界交互的最基本方式。

1. 输入模式

检测引脚电平变化，用于检测外部电平信号，典型应用包括按键检测、ADC 信号检测。

2. 输出模式

给定单片机引脚电平，控制引脚输出高/低电平，典型应用包括传感器控制、LED 控制、数码管显示。

3. STM32 的 GPIO 模式

输入模式：上拉输入、下拉输入、浮空输入、模拟输入（ADC）
输出模式：推挽输出、开漏输出、复用推挽输出、复用开漏输出

4. 按键原理

按键未被按下时：引脚为高电平
按键被按下时：引脚会和 GND 短路到一起，此时引脚呈现低电平

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void key_init(void)
{
    P1 |= (0x0F << 4);  //普中51-MS
    P3 |= (1 << 5);     //HC6800
}

5. 车载中控系统应用

测水温
测油温
测转速
调节安全座椅
刹车制动

二、中断系统

1. 中断概念

当 CPU 执行某个任务时，被外部紧急事件所打断，要求 CPU 暂停当前任务，转而去执行更为紧急的事件，把紧急事件处理完后再回到之前被打断的地方继续向下执行。

2. 中断源

能够打断 CPU 执行当前任务的事件/源头。

3. 51 单片机中断源（共 5 个）

外部中断 0（P3_2）
外部中断 1（P3_3）
定时器 0
定时器 1
串口

4. 外部中断

引脚电平变化所引发的中断（P32、P33）。

5. 中断优先级

CPU 去处理多个中断任务时，会去比较中断源的优先级，优先去处理优先级高的中断。

6. 中断嵌套

CPU 在处理一个中断时，再去嵌套另外的中断（最多允许嵌套两层）。

7. 中断处理流程

中断源发起中断请求
检查 CPU 是否允许中断及该中断源是否被屏蔽（CPU 中断总开关 + 中断源子开关）
比较中断优先级
保护现场
执行中断服务函数（回调函数）
恢复现场

8. 外部中断 0 初始化

将 P3_2 引脚拉为高电平
将 CPU 中断总开关打开 + 外部中断 0 子开关打开（IE 寄存器：bit0 和 bit7 置 1）
设置外部中断 0 引脚触发方式：下降沿触发（TCON 寄存器：bit0 置 1）

9. 中断向量表与中断向量

中断向量表：本质是一个数组，数组中存放中断服务函数的入口地址
中断向量：本质是数组的下标/标号，CPU 通过中断向量寻找对应的中断服务函数

三、定时器

1. 定时器作用

实现精准的定时/延时，不同设备对时序要求比较高。

2. 时序概念

以时间先后次序描述引脚电平变化。

3. 16 位自增型定时器

Timer0、Timer1 均为 16 位计数器。

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unsigned short cnt = 0;

赋初值：cnt = 64535
打开定时器，开始计数
按照固定速率向上 ++，cnt++
计数器加到 65535 + 1 溢出，定时器向 CPU 发起中断请求

4. 定时计算原理

从初值到溢出所经历的时间，取决于计数速率和初值大小。

51 单片机实际工作频率：12MHz 或 11.0592MHz
12MHz / 12 = 1MHz，时间：1 / 1MHz = 1us
11.0592MHz / 12 = 0.9MHz，时间：1 / 0.9MHz = 1.1us

5. 定时器实现 1ms 定时

1ms = 1000us
计数次数：1000us / 1us = 1000（12MHz）；1000us / 1.1us = 909（11.0592MHz）
初值：65535 - 1000 = 64535；65535 - 909 = 64626

6. 初值拆分（TL0 与 TH0）

TL0（1 字节）：64535 的低 8 位
TH0（1 字节）：64535 >> 8
8 位自动重装（用于串口波特率）

7. 定时器 0 初始化

c 复制代码

void timer0_init(void)
{
    //1
	TMOD &= ~(0x0F << 0);
	TMOD |= (1 << 0);

    //2
	TL0 = 64626;
	TH0 = 64626 >> 8;

	//3
	TCON |= (1 << 4);

	//4
	IE |= (1 << 1) | (1 << 7);
}

配置定时器 0 模式：16 位定时器（TMOD 寄存器低 4 位：低 4 位清零，bit0 置 1）
设置定时器 0 初值（TL0 和 TH0 寄存器）
开启定时器 0，开始计数（1us）（TCON 寄存器：bit4 置 1）
开启定时器 0 中断子开关 + CPU 中断总开关（IE 寄存器：bit7 和 bit1 置 1）

四、PWM 脉冲宽度调制

1. PWM 概念

脉冲宽度调制，能够让引脚产生一个方波，周期性地让引脚的电平发生翻转。

2. PWM 周期

一个方波所经历的周期（上升沿/下降沿到下一个上升沿/下降沿所经历的时间）。

3. PWM 占空比

在一个周期内高电平所占的比例。

4. 典型应用

背光调节、蜂鸣器控制。

五、蜂鸣器

1. 声音原理

声音 → 声波 → 音调 → 频率。

2. 有源蜂鸣器

存在震荡源，通电后蜂鸣器会发出持续固定频率的声音。

3. 无源蜂鸣器

不存在震荡源，通电后蜂鸣器不会发出声音，需要给定蜂鸣器一个震荡信号。

4. 定时器 + PWM 占空比 + 蜂鸣器（指定频率发声）

频率 200Hz，占空比 50%：

时间：1 / 200Hz = 0.005s / 2 = 0.0025s
51 单片机工作频率：12MHz / 12 = 1MHz = 1000000Hz
51 单片机 +1 所需时间：1 / 1000000Hz = 0.000001s
计数次数：0.0025s / 0.000001s = 2500
初值：65535 - 2500 = 63035

频率 400Hz，占空比 50%：

时间：1 / 400Hz = 0.0025s / 2 = 0.00125s
51 单片机工作频率：12MHz / 12 = 1MHz = 1000000Hz
51 单片机 +1 所需时间：1 / 1000000Hz = 0.000001s
计数次数：0.00125s / 0.000001s = 1250
初值：65535 - 1250 = 64285