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51单片机从入门到精通：理论与实践指南（一）

article 2024/11/27 20:36:02

单片机在智能控制领域的应用已非常普遍，发展也很迅猛，学习和使用单片机的人员越来越多。虽然新型微控制器在不断推出，但51单片机价格低廉、易学易用、性能成熟，在家电和工业控制中有一定的应用，而且学好了51单片机，也就容易学好其他的新型微控制器（AVR、PIC、STM8、STM32等），另外，51单片机的例程很容易移植到其他单片机系统中。因此，现在的大中专院校学生都将51 单片机作为入门首选。为了帮助零基础（指没有单片机基础和C语言编程经验）的初学者快速入门和提高，我想着写几篇博客，和大家讲解一下单片机。

学习51单片机是一个循序渐进的过程，涉及理论知识的学习和实际项目的实践。

下面我会详细介绍从零开始学习51单片机的全过程，包括学习内容、方法、应用场景以及具体的案例和代码。

1. 学习内容

1.1 基础知识

数字电子技术：了解基本的数字电路知识，如逻辑门、触发器等。
计算机组成原理：理解计算机的基本工作原理，包括CPU、内存、输入输出等。
C语言基础：虽然51单片机可以用汇编语言编程，但C语言更为常用且容易上手。

1.2 51单片机的基本结构

CPU：中央处理器，负责执行指令。
内部RAM：128字节，用于存储数据变量。
外部RAM：可以通过扩展接口连接外部RAM。
程序存储器：通常使用Flash存储器，存储程序代码。
I/O端口：4个8位双向I/O端口（P0、P1、P2、P3）。
定时/计数器：2个16位定时/计数器（Timer0和Timer1）。
中断系统：支持多个中断源，如定时器溢出中断、外部中断等。
串行通信接口：内置UART，支持串行通信。

2. 学习方法

2.1 学习资源

书籍：推荐一些经典的51单片机书籍，如《51单片机完全学习手册》、《单片机原理及应用》等。
在线课程：许多在线平台（如慕课网、B站、YouTube）提供免费或付费的51单片机教程。
官方文档：阅读单片机的数据手册和用户手册，了解具体的寄存器配置和功能。

2.2 开发环境搭建

编程软件：安装Keil uVision或IAR Embedded Workbench等开发工具。
仿真器：使用Proteus或其他仿真软件进行虚拟仿真，验证程序逻辑。
开发板：购买一块51单片机开发板，如STC89C52RC、AT89S52等，进行实际操作。

3. 实践项目

3.1 基础实验

3.1.1 LED闪烁实验

硬件连接

将一个LED连接到P1.0引脚，通过一个限流电阻接地。

软件代码

#include <reg52.h>  // 包含51单片机的寄存器定义

// 延时函数
void delay(unsigned int ms) {
    unsigned int i, j;
    for (i = 0; i < ms; i++) {
        for (j = 0; j < 1275; j++);
    }
}

void main() {
    while (1) {
        P1 = 0x01;  // P1.0 输出高电平，LED亮
        delay(500); // 延时500毫秒
        P1 = 0x00;  // P1.0 输出低电平，LED灭
        delay(500); // 延时500毫秒
    }
}

Proteus仿真

在Proteus中创建一个新的电路图。
添加51单片机（例如STC89C52RC）。
添加一个LED和一个限流电阻，将LED的阳极连接到P1.0，阴极通过电阻接地。
将编译好的HEX文件加载到单片机中，运行仿真。

Proteus简介
Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是比较好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。
Proteus是英国著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DSPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译器。

可自行百度了解

https://baike.baidu.com/item/proteus/752902

3.1.2 按键检测实验

硬件连接

将一个按键连接到P3.0引脚，通过一个上拉电阻连接到VCC。

软件代码

#include <reg52.h>

// 延时函数
void delay(unsigned int ms) {
    unsigned int i, j;
    for (i = 0; i < ms; i++) {
        for (j = 0; j < 1275; j++);
    }
}

// 按键去抖动函数
bit key_scan(bit key) {
    if (key == 0) {  // 检测到按键按下
        delay(10);   // 延时消抖
        if (key == 0) {
            while (!key);  // 等待按键释放
            return 1;      // 返回按键有效
        }
    }
    return 0;  // 返回按键无效
}

void main() {
    while (1) {
        if (key_scan(P3_0)) {  // 检测P3.0上的按键
            P1 = 0x01;  // 按键按下时，P1.0 输出高电平，LED亮
            delay(500);
            P1 = 0x00;  // 按键松开时，P1.0 输出低电平，LED灭
        }
    }
}

Proteus仿真

在Proteus中创建一个新的电路图。
添加51单片机（例如STC89C52RC）。
添加一个按键和一个上拉电阻，将按键的一端连接到P3.0，另一端接地。
将编译好的HEX文件加载到单片机中，运行仿真。

3.2 进阶实验

3.2.1 数码管显示实验

硬件连接

将一个共阴极数码管连接到P0端口。
将段选线连接到P0.0-P0.6，位选线连接到P0.7。

软件代码

#include <reg52.h>

// 显示字符的字形码表
const unsigned char code seg_code[] = {0xC0, 0xF9, 0xA4, 0xB0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xF8, 0x80, 0x90};

// 显示数字0-9
void display_digit(unsigned char digit) {
    P0 = seg_code[digit] | 0x80;  // 设置段选线和位选线
}

void main() {
    while (1) {
        for (unsigned char i = 0; i < 10; i++) {
            display_digit(i);
            delay(500);
        }
    }
}

Proteus仿真

在Proteus中创建一个新的电路图。
添加51单片机（例如STC89C52RC）。
添加一个共阴极数码管，将段选线连接到P0.0-P0.6，位选线连接到P0.7。
将编译好的HEX文件加载到单片机中，运行仿真。

3.3 综合项目

3.3.1 温度传感器读取实验

硬件连接

将DS18B20温度传感器连接到P1.4引脚。
将一个4.7kΩ的上拉电阻连接到DS18B20的DQ引脚和VCC之间。

软件代码

#include <reg52.h>
#include <stdio.h>

sbit DS18B20_PIN = P1^4;

// 初始化DS18B20
void DS18B20_Init() {
    DS18B20_PIN = 1;  // 上拉
    DS18B20_PIN = 0;  // 发送复位脉冲
    delay(1);
    DS18B20_PIN = 1;  // 释放总线
    while(DS18B20_PIN);  // 等待DS18B20响应
}

// 写入一个字节到DS18B20
void DS18B20_WriteByte(unsigned char dat) {
    unsigned char i;
    DS18B20_PIN = 0;  // 拉低总线
    for (i = 0; i < 8; i++) {
        DS18B20_PIN = 0;  // 拉低总线
        DS18B20_PIN = dat & 0x01;  // 发送数据位
        dat >>= 1;
        DS18B20_PIN = 1;  // 释放总线
        delay(1);
    }
}

// 从DS18B20读取一个字节
unsigned char DS18B20_ReadByte() {
    unsigned char i, dat = 0;
    for (i = 0; i < 8; i++) {
        DS18B20_PIN = 0;  // 拉低总线
        DS18B20_PIN = 1;  // 释放总线
        delay(1);
        dat |= (DS18B20_PIN << i);  // 读取数据位
        delay(1);
    }
    return dat;
}

// 读取温度值
float DS18B20_ReadTemp() {
    unsigned char TL, TH;
    float temp;
    DS18B20_Init();
    DS18B20_WriteByte(0xCC);  // 跳过ROM命令
    DS18B20_WriteByte(0x44);  // 启动温度转换
    DS18B20_Init();
    DS18B20_WriteByte(0xCC);  // 跳过ROM命令
    DS18B20_WriteByte(0xBE);  // 读取温度寄存器
    TL = DS18B20_ReadByte();  // 读取低字节
    TH = DS18B20_ReadByte();  // 读取高字节
    temp = ((TH << 8) + TL) * 0.0625;
    return temp;
}

void main() {
    float temperature;
    while (1) {
        temperature = DS18B20_ReadTemp();
        // 可以在这里添加代码将温度显示在数码管或其他设备上
        delay(1000);  // 每秒读取一次温度
    }
}