嵌入式从0到精通——51单片机（二）

一、GPIO（通用输入输出口）

GPIO 全称 General Purpose Input/Output，是 51 单片机和外部设备交互的最基础方式。

1. 输入模式 ：检测引脚电平变化；典型用途：按键检测、ADC 信号采集。51 为上拉输入。
2. STM32 类 GPIO 模式拓展
   • 输入模式：上拉输入、下拉输入、浮空输入、模拟输入
   • 输出模式：推挽输出、开漏输出、复用推挽输出、复用开漏输出

二、中断

1. 中断概念

CPU 正在执行任务，被外部紧急事件打断；CPU 暂停当前工作，执行紧急事件，处理完毕后回到断点继续原来程序。

• 中断源：可以打断 CPU 运行的事件来源。
• 51 单片机 5 个中断源：外部中断 0 (P3_2)、外部中断 1 (P3_3)、定时器 0、定时器 1、串口。
• 外部中断：由引脚电平变化触发，对应引脚 P3.2、P3.3。

2. 中断优先级与中断嵌套

• 中断优先级：多个中断同时到来，CPU 优先处理优先级高的中断。
• 中断嵌套：处理某个中断过程中，响应另一个新中断；51 最多支持两层嵌套。

3. 完整中断处理流程

1. 中断源发出中断请求
2. 判断：CPU 总中断开关、对应中断源子开关是否开启（是否屏蔽）
3. 对比中断优先级
4. 保护现场
5. 运行中断服务函数（回调函数）
6. 恢复现场，返回原来程序继续执行

补充概念：中断向量 ，相当于下标 / 标号，CPU 依靠中断向量找到对应的中断服务函数。 代码片段：外部中断 0 初始化框架void int0_init(void)；IE 寄存器：bit7、bit1 置 1，用于中断开关配置。

三、定时器

定时器主要用于精准定时、延时，用于对时序要求高的场景。

1. 51 的 Timer0 为16 位自增型定时器 / 计数器 ，由TH0高 8 位、TL0低 8 位两个 1 字节寄存器组成。
2. 工作过程：
   1. 设置定时器初值（TH0、TL0 赋值）
   2. 开启定时器，计数器开始自增cnt++
   3. 计数器计满：65535+1 产生溢出，定时器向 CPU 申请中断。
   4. 从初值计数到溢出的时间，由计数速率、初值共同决定。
3. 51 系统时钟说明
   • 常用晶振：12MHZ、11.0592MHZ；51 定时器机器周期 = 晶振频率 / 12
     • 12MHZ：机器周期 = 1MHZ，每计数一次耗时1μs
     • 11.0592MHZ：机器周期≈0.9MHZ，计数一次≈1.1μs
4. 定时器初值计算公式

计数次数 = 需要定时的时间 ÷ 单次计数耗时 16 位定时器初值 = 65535 − 计数次数

示例：

• 12M 晶振实现 1ms 定时：定时 1000μs，计数次数 1000，初值 = 65535‑1000=64535
• 11.0592M 晶振实现 1ms 定时：计数次数 909，初值 = 65535‑909=64626

补充：还有 8 位自动重装定时器模式，多用于串口波特率配置。

四、PWM 脉冲宽度调制

PWM 让引脚输出周期性方波，电平周期性翻转。

1. PWM 周期：完整一个方波的时间，从上升沿 / 下降沿到下一次同一边沿的时长。
2. 占空比：一个 PWM 周期内，高电平时间占整个周期的百分比；应用场景：屏幕背光亮度调节。
3. PWM 结合定时器计算案例（12M 晶振，机器周期 1μs）
   • 例 1：200Hz，占空比 50% 周期 = 1/200=0.005s；高低电平各占一半 0.0025s；计数 2500 次；初值 = 65535‑2500 =63035
   • 例 2：400Hz，占空比 50% 周期 = 1/400=0.0025s；半周期 0.00125s；计数 1250 次；初值 = 65535‑1250=64285

五、蜂鸣器原理

声音来自声波，音调由频率决定，分两类：

1. 有源蜂鸣器：自带震荡源，通电直接输出固定频率声音。
2. 无源蜂鸣器：无内部震荡源，通电不会发声，需要外部提供频率方波驱动。

实现方式：定时器产生 PWM 信号，修改 PWM 频率、占空比，控制无源蜂鸣器发出不同音调。

六、按键原理

按键按下后引脚被短路，引脚电平拉低为低电平；可以用 GPIO 输入模式或者外部中断检测按键动作。 附带代码片段示例：P1 |= (0x0F << 4); P3 |= (1 << 5);

七、工程举例：车载中控系统功能

1. 水温测量
2. 油温测量
3. 安全座椅调节
4. 刹车制动

八、重要寄存器与配置小结

1. TH0、TL0：定时器 0 高、低 8 位，存放定时初值。
2. IE中断允许寄存器：配置总中断、子中断开关。
3. 定时器 0 可配置为 16 位定时器模式。
4. 外部中断 0 对应引脚 P3_2，可编写int0_init()做初始化。

九、关键公式汇总

1. 机器周期 = 晶振频率 / 12
2. 单次计数时间 = 1 / 机器周期
3. 需要计数次数 = 定时时间 ÷ 单次计数时间
4. 16 位定时器初值 = 65535 − 计数次数
5. PWM 周期 = 1 / PWM 频率