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51单片机C语言教程该怎么学？

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新概念 51单片机C语言教程 (从入门到实践)

前言：为什么学51单片机？

51单片机是嵌入式世界的“Hello, World!”，它结构简单、资料丰富、价格低廉，是学习嵌入式系统开发的绝佳入门平台，掌握51单片机，您不仅能理解计算机底层的运行原理，更能为后续学习ARM、STM32等更复杂的MCU打下坚实的基础。

新概念 51单片机c语言教程
（图片来源网络，侵删）

本教程将使用 C语言 进行教学，因为它比汇编语言更易读、易移植、可维护性更高,是现代嵌入式开发的主流语言。

第一部分：基础理论篇 (知其然)

第一章：认识你的伙伴——51单片机

  1. 什么是单片机？

    • 单片机，全称“单片微型计算机”（Single-Chip Microcomputer），又称“微控制器”（Microcontroller Unit, MCU）。
    • 它不是一块普通的芯片，而是将 CPU（中央处理器）、RAM（随机存储器）、ROM（只读存储器）、I/O（输入/输出）端口、定时器/计数器、中断系统 等计算机核心部件集成在一块芯片上的微型计算机。
    • 生活中的例子：您的电子表、遥控器、洗衣机、智能手环等内部,都有一个或多个单片机在工作。

  2. 51单片机家族

    • 始祖：Intel公司推出的8051系列。
    • 经典型号：AT89S52，这是目前学习51单片机最主流、最经典的型号，资料多,仿真和烧录都非常方便。
    • 其他成员：AT89C51（已逐渐被S52取代，因为S52支持ISP在线编程）、STC89C52RC（国产，性能更强，支持ISP/IAP，是目前市场上的新宠）。

  3. 51单片机的核心结构

    新概念 51单片机c语言教程
    （图片来源网络，侵删）
    • CPU：8位,负责运算和控制。
    • 存储器：
      • ROM (4KB - 8KB)：用于存放程序代码,断电不丢失。
      • RAM (128B - 256B)：用于存放程序运行中的临时变量,断电丢失。
    • I/O端口：4组8位共32个引脚（P0, P1, P2, P3），用于连接外部设备，如LED、按键、传感器等。
    • 定时器/计数器：通常有2-3个16位的定时器,用于精确定时或对外部脉冲计数。
    • 中断系统：允许CPU在处理紧急任务时，暂停当前程序，去执行更重要的任务,处理完后再返回原处继续执行。

第二章：开发环境搭建 (工欲善其事，必先利其器)

学习单片机编程,你需要两个核心软件和一个硬件工具。

  1. 编程软件 (IDE)

    • Keil C51：这是最经典、最权威的51单片机开发环境，它集成了代码编辑器、编译器、链接器和调试器。
    • 下载与安装：网上可以找到“Keil C51 V9.5x”版本（例如UV4），这是非常稳定且广泛使用的版本，安装时注意选择正确的版本（ARM或C51）。

  2. 烧录/下载工具

    • STC-ISP：这是用于烧录STC系列单片机的官方软件，如果你的板子是STC89C52，这个是必备的，它还集成了串口助手、波特率计算器等实用工具。
    • Proteus：强大的电路仿真软件，你可以在电脑上画出电路图，并运行你编写的程序，观察虚拟电路的运行结果,非常适合在没有硬件的情况下学习和验证。

  3. 硬件工具

    新概念 51单片机c语言教程
    （图片来源网络，侵删）
    • 51单片机最小系统板：包含核心芯片（如STC89C52）、晶振、复位电路、电源电路,是学习和开发的基础。
    • USB转TTL模块：用于将电脑的USB口转换为串口（UART）,连接单片机进行程序烧录和串口通信。
    • 常用外设：LED灯、按键、电阻、杜邦线、面包板等。

第二部分：核心编程篇 (知其所以然)

第三章：点亮你的第一个LED灯——C语言与硬件的桥梁

这是单片机学习的“Hello, World!”,也是最激动人心的一步。

  1. 硬件原理

    • 51单片机I/O口操作：51单片机的I/O口可以设置为输入模式或输出模式。
    • 点亮LED：LED具有单向导电性，通常将其正极通过一个限流电阻连接到单片机的I/O口，负极接地，当I/O口输出高电平时，LED两端电压差接近0，不亮；当I/O口输出低电平时,LED被点亮。

  2. C语言核心概念：sfr 和 sbit

    • 标准 C 语言没有操作特殊功能寄存器的能力，51单片机厂商为Keil C51扩展了两个关键字：
    • sfr (Special Function Register)：用于定义一个8位的特殊功能寄存器。
      // 定义 P1 端口寄存器
sfr P1 = 0x90;
    • sbit (Special Bit)：用于定义一个特殊功能寄存器中的某一位。
      // 定义 P1 端口的第 0 位 (P1.0)
sbit LED = P1^0;

  3. 第一个程序：Blinking LED (闪烁的LED)

    #include <reg52.h> // 包含51单片机寄存器定义的头文件
// sfr P1 = 0x90; // 在reg52.h中已经定义，我们直接使用
sbit LED = P1^0; // 将LED连接到P1.0引脚
void main(void) {
    // 主函数，程序从这里开始执行
    while(1) { // 无限循环，单片机程序通常都在循环中运行
        LED = 0; // P1.0输出低电平，点亮LED
        // 延时函数 (我们稍后会自己写一个)
        Delay(50000); 
        LED = 1; // P1.0输出高电平，熄灭LED
        Delay(50000);
    }
}
// 简单的延时函数 (非精确延时)
void Delay(unsigned int t) {
    while(t--); // 空循环，消耗CPU时钟周期
}

如何实践：

  1. 在Keil中新建一个工程，选择你的单片机型号（如STC89C52RC）。
  2. 创建一个新的C文件,将上面的代码粘贴进去。
  3. 编译生成 .hex 文件。
  4. 使用STC-ISP软件，将.hex文件下载到你的单片机中。
  5. 观察开发板上连接在P1.0的LED是否开始闪烁！

第四章：输入与输出——与外部世界交互

  1. 按键输入

    • 硬件原理：按键一端接I/O口，另一端接地，当按键未按下时，I/O口通过一个上拉电阻接到VCC，读到的是高电平，当按键按下时，I/O口直接接地，读到的是低电平。

    • C语言实现：读取I/O口的电平状态。

      sbit KEY = P3^2; // 假设按键连接到P3.2
if (KEY == 0) { // 如果检测到低电平
    // 按键按下
    Delay(20000); // 简单消抖
    if (KEY == 0) { // 再次确认，防止误触发
        // 执行按键按下后的操作
        while(!KEY); // 等待按键释放
    }
}

  2. 蜂鸣器发声

    • 硬件原理：蜂鸣器分为有源和无源，有源蜂鸣器直接接通电源就会响；无源蜂鸣器需要施加特定频率的脉冲信号才能发声,我们通常用无源蜂鸣器来播放不同音调。

    • C语言实现：通过定时器产生PWM（脉冲宽度调制）信号，控制蜂鸣器发声，简单起见,我们可以用软件延时模拟高低电平变化。

      sbit Buzzer = P2^5; // 蜂鸣器连接到P2.5
void PlaySound(unsigned int duration) {
    unsigned int i;
    for(i=0; i<duration; i++) {
        Buzzer = ~Buzzer; // 电平翻转
        Delay(100); // 改变这个值可以改变音调
    }
}

第五章：中断系统——高效的程序管理

想象一下你正在看书（主程序），突然电话响了（中断事件），你会放下书，去接电话（执行中断服务程序），接完电话后，你会在刚才的地方继续看书（返回主程序继续执行）,这就是中断。

  1. 中断的优势：

    • 提高效率：CPU无需不断查询某个事件是否发生（如按键按下），可以专注于其他任务，事件发生时，硬件会自动“打断”CPU。
    • 实时性强：能快速响应紧急事件。

  2. 51单片机的中断源：

    • 外部中断0 (INT0)：P3.2引脚
    • 外部中断1 (INT1)：P3.3引脚
    • 定时器/计数器0中断 (TF0)
    • 定时器/计数器1中断 (TF1)
    • 串口中断 (RI/TI)

  3. 中断编程步骤：

    1. 配置中断允许寄存器：EA (总开关), EX0 (外部中断0允许), ET0 (定时器0中断允许)等。
    2. 配置中断优先级寄存器：设置中断的优先级（可选）。
    3. 编写中断服务函数：函数名固定，如 void EX0_ISR(void) interrupt 0。
    4. 在主函数中开启中断。

  4. 实例：按键中断控制LED

    #include <reg52.h>
sbit LED = P1^0;
void main(void) {
    EA = 1;    // 开启总中断
    EX0 = 1;   // 开启外部中断0
    IT0 = 1;   // 设置外部中断0为下降沿触发（按键按下时触发）
    while(1) {
        // 主程序可以做其他事情，不用一直等待按键
        LED = 1; // 默认熄灭
    }
}
// 外部中断0的中断服务函数
void EX0_ISR(void) interrupt 0 {
    LED = ~LED; // 每次中断，LED状态翻转
}

第六章：定时器/计数器——精准的脉搏

定时器是单片机的核心功能之一，用于精确定时、产生波特率、驱动电机等。

  1. 工作原理：

    • 定时器本质上是一个加1计数器,它对单片机内部的机器周期脉冲进行计数。
    • 当计数器从某个初值开始，计数到溢出（从0xFF变回0x00）时,就会产生一个中断请求。

  2. 配置步骤：

    1. 设置工作模式（模式0-3）。
    2. 计算并设置初值,以获得所需的定时时间。
    3. 启动定时器（TR0 = 1 或 TR1 = 1）。
    4. 开启定时器中断（ET0 = 1 或 ET1 = 1）。

  3. 实例：使用定时器实现精确的LED闪烁

    • 假设晶振频率为11.0592MHz，机器周期 = 12 / 晶振频率 = 1.085us。
    • 我们想让LED每500ms闪烁一次。
    • 使用定时器0，模式1（16位定时器）。
    • 需要的计数次数 = 500ms / 1.085us ≈ 460810。
    • 定时器最大计数值为65536，所以需要设置初值：65536 - 460810？这不对,说明需要多次中断才能达到500ms。
    • 更简单的方法：我们让定时器每50ms中断一次,然后中断10次就是500ms。
    • 50ms的计数次数 = 50ms / 1.085us ≈ 46081。
    • 初值 = 65536 - 46081 = 19455 (十六进制 0x4BFF)。
    #include <reg52.h>
sbit LED = P1^0;
unsigned int count = 0; // 中断计数器
void Timer0_Init(void) {
    TMOD &= 0xF0; // 清空T0设置位
    TMOD |= 0x01; // 设置T0为模式1 (16位定时器)
    TH0 = 0x4B;   // 设置定时器初值高8位
    TL0 = 0xFF;   // 设置定时器初值低8位
    ET0 = 1;      // 开启定时器0中断
    EA = 1;       // 开启总中断
    TR0 = 1;      // 启动定时器0
}
void main(void) {
    Timer0_Init();
    while(1); // 主程序什么都不做，等待中断
}
// 定时器0的中断服务函数
void Timer0_ISR(void) interrupt 1 {
    // 重新装载初值
    TH0 = 0x4B;
    TL0 = 0xFF;
    count++; // 中断次数加1
    if (count >= 10) { // 中断10次
        count = 0;
        LED = ~LED; // LED状态翻转
    }
}

第七章：串行通信——单片机的“嘴巴”和“耳朵”

串口通信是单片机与PC、其他单片机或模块（如蓝牙、GPS）进行数据交换的常用方式。

  1. 基本概念：

    • UART：通用异步收发器。
    • 异步：没有专门的时钟线,通过约定好的波特率来同步。
    • 波特率：每秒传输的比特数，常用的有9600, 19200, 115200等,通信双方必须设置相同的波特率。

  2. 51单片机串口寄存器：

    • SCON：串口控制寄存器，设置工作模式、允许发送/接收。
    • PCON：电源控制寄存器，包含波特率倍增位SMOD。
    • TMOD：定时器1用于产生波特率。

  3. 配置步骤：

    1. 设置定时器1为模式2（8位自动重装模式）,作为波特率发生器。
    2. 计算并设置定时器1的初值。
    3. 设置SCON寄存器，选择串口工作模式（通常为模式1，8位UART）。
    4. 开启串口中断ES和总中断EA。
    5. 使用SBUF寄存器发送和接收数据。

  4. 实例：单片机向PC发送“Hello World!”

    #include <reg52.h>
#include <stdio.h> // 为了使用printf重定向
// 串口初始化，波特率设为9600
void UART_Init(void) {
    SCON = 0x50; // 模式1, 允许接收
    TMOD &= 0x0F; // 清空T1设置位
    TMOD |= 0x20; // 设置T1为模式2 (8位自动重装)
    TH1 = 0xFD;   // 9600 baud @ 11.0592MHz
    TL1 = 0xFD;
    TR1 = 1;      // 启动定时器1
    EA = 1;       // 开启总中断
    ES = 1;       // 开启串口中断
}
// 重定向printf到串口
char putchar(char c) {
    SBUF = c;
    while(!TI); // 等待发送完成
    TI = 0;      // 清除发送完成标志
    return c;
}
void main(void) {
    UART_Init();
    while(1) {
        printf("Hello World from 51!\r\n");
        Delay(50000); // 延时一段时间再发
    }
}
// 串口中断服务函数 (用于接收)
void UART_ISR(void) interrupt 4 {
    if (RI) { // 如果是接收中断
        RI = 0; // 清除接收中断标志
        // 这里可以处理接收到的数据 SBUF
    }
}

第三部分：项目实战篇 (学以致用)

掌握了以上核心知识，你已经具备了独立完成小型项目的能力,这里提供几个经典项目作为练习：

  1. 数字时钟

    • 功能：在LCD1602或数码管上显示年、月、日、时、分、秒。
    • 涉及技术：定时器（精确计时）、按键（调时调分）、显示驱动（LCD1602或数码管）。

  2. 温度计

    • 功能：使用DS18B20数字温度传感器测量环境温度,并显示在LCD1602上。
    • 涉及技术：单总线通信协议、定时器精确延时、LCD显示。

  3. 智能小车

    • 功能：通过红外或超声波传感器实现自动避障,通过蓝牙模块实现手机遥控。
    • 涉及技术：电机驱动（L298N）、传感器数据采集、串口通信、中断（用于检测传感器信号）。

  4. 电子密码锁

    • 功能：通过4x4矩阵键盘输入密码,密码正确则驱动舵机或继电器开门。
    • 涉及技术：矩阵键盘扫描、EEPROM（保存密码，使用AT24C02芯片）、舵机控制。

总结与进阶

  • 本教程从51单片机的硬件基础讲起，逐步深入到C语言编程、I/O操作、中断、定时器和串口通信等核心模块，并提供了实践项目，学习单片机是一个“理论+实践”反复迭代的过程，多动手、多调试、多思考,才能真正掌握。

  • 进阶方向：

    1. 从51到ARM：当51单片机无法满足复杂需求时（如运行操作系统、处理复杂图形），可以学习更强大的ARM Cortex-M系列（如STM32）。
    2. 学习RTOS：在复杂项目中，使用实时操作系统（如FreeRTOS、RT-Thread）可以更好地管理任务和资源。
    3. 掌握更多外设：学习SPI、I2C等常用通信协议，掌握ADC（模数转换）、PWM（脉宽调制）等高级功能。

希望这份“新概念”教程能成为您打开嵌入式世界大门的钥匙,祝您学习愉快！

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