51单片机 | 点亮第一个LED | LED 闪烁实验 | LED流水灯实验
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本节介绍在程序中操作51单片机的GPIO口输出高低电平使开发板上的LED灯点亮。
一、51单片机GPIO介绍
1.GPIO概念
GPIO
(general purpose intput output)是通用输入输出端口的简称,可以通过软件来控制其输入和输出。51 单片机芯片的 GPIO
引脚与外部设备连接
起来,从而实现与外部通讯、控制以及数据采集的功能。不过 GPIO
最简单的应用还属点亮 LED 灯了,只需通过软件控制 GPIO
输出高低电平即可。当然 GPIO
还可以作为输入控制,比如在引脚上接入一个按键,通过电平的高低判断按键是否按下。
我们开发板上使用的 51
单片机型号是 STC89C52
或 STC89C516
,此芯片共有40 引脚,芯片引脚图如下图所示:
51 单片机引脚可以分为这么几大类:
VCC
、 GND
都属于电源引脚。XTAL1
、XTAL2
都属于晶振引脚。RST/VPD
属于复位引脚,不做其他功能使用。TXD
、RXD
)可以作为下载引脚使用GPIO
引脚:引脚图中带有 Px.x
等字样的均属于 GPIO
引脚。从引脚图可以看出,GPIO
占用了芯片大部分的引脚,共达 32 个,分为了 4 组,P0
、P1
、P2
、P3
,每组为 8 个 IO,而且在 P3
组中每个 IO 都具备额外功能,只要通过相应的寄存器设置即可配置对应的附加功能,同一时刻,每个引脚只能使用该引脚的一个功能。 下面,我们介绍这么多GPIO
管脚中每个管脚具体有什么功能。可以查阅 STC89CXX 芯片数据手册获取信息。
2.GPIO 结构框图与工作原理
我们使用的 51 单片机 GPIO
分为 P0
、P1
、P2
和 P3
口,下面分别来介绍其内部结构框图与工作原理。
2.1 P0端口
P0
端口含有 8 位引脚,下图为其中一个,其它几个与之完全一致,因此只需了解当中一个即可。如下图所示:
由上图可见,P0
端口由锁存器、输入缓冲器、切换开关、一个非门、一个与非门及场效应管驱动电路构成。再看图的最右边,标号为 P0.x
引脚的图标,也
就是说 P0.x
引脚可以是 P0.0
到 P0.7
的任何一位,即在 P0
口有 8 个与上图相同的电路组成。
下面介绍组成P0
口的每个单元部分:
输入缓冲器
在 P0
口中,有两个三态的缓冲器,在学数字电路时,我们已知道,三态门有三个状态,即在输出端可以是高电平、低电平,同时还有一种就是高阻状态(或称为禁止状态),大家看上图,上面一个是读锁存器的缓冲器,也就是说,要读取 D 锁存器输出端 Q 的数据,那就得使读锁存器的这个缓冲器的三态控制端(上图中标号为‘读锁存器’端)有效。下面一个是读引脚的缓冲器,要读取 P0.x
引脚上的数据,也要使标号为‘读引脚’的这个三态缓冲器的控制端有效,引脚上的数据才会传输到我们单片机的内部数据总线上。
D 锁存器
构成一个锁存器,通常要用一个时序电路,时序的单元电路在学数字电路时我们已知道,一个触发器可以保存一位的二进制数(即具有保持功能),在 51 单片机的 32 根 I/O
口线中都是用一个 D 触发器来构成锁存器的。大家看上图中的 D
锁存器,D
端是数据输入端,CP(CLK)
是控制端(也就是时序控制信号输入端),Q
是输出端,Q 非
是反向输出端。
对于 D
触发器来讲,当 D
输入端有一个输入信号,如果这时控制端 CP
没有信号(也就是时序脉冲没有到来),这时输入端 D
的数据是无法传输到输出端 Q
及反向输出端 Q 非
的。如果时序控制端 CP
的时序脉冲一旦到了,这时 D
端输入的数据就会传输到 Q
及 Q 非
端。数据传送过来后,当 CP
时序控制端的时序信号消失了,这时,输出端还会保持着上次输入端 D
的数据(即把上次的数据锁存起来了)。如果下一个时序控制脉冲信号来了,这时 D
端的数据才再次传送到 Q
端,从而改变 Q
端的状态。
多路开关
在 51 单片机中,当内部的存储器够用(也就是不需要外扩展存储器时,这里讲的存储器包括数据存储器及程序存储器)时,P0
口可以作为通用的输入输出端口(即 I/O)使用,对于 8031
(内部没有ROM
)的单片机或者编写的程序超过了单片机内部的存储器容量,需要外扩存储器时,P0
口就作为‘地址/数据’总线使用。那么这个多路选择开关就是用于选择是做为普通 I/O
口使用还是作为‘数据/地址’总线使用的选择开关了。大家看上图,当多路开关与下面接通时,P0
口是作为普通的 I/O
口使用的,当多路开关是与上面接通时,P0
口是作为‘地址/数据’总线使用的。
场效应管输出驱动
从上图中可以看出,P0
口的输出是由两个 MOS
管组成的推拉式结构,也就是说,这两个 MOS
管一次只能导通一个,当 V1
导通时,V2
就截止,当 V2
导通时,V1
截止。
与非门、非门
前面我们已将 P0
口的各单元部件进行了一个详细的讲解,下面我们就来研究一下 P0
口做为 I/O
口及地址/数据总线使用时的具体工作过程:
P0
口作为 I/O
端口使用时,多路开关的控制信号为 0(低电平),看上图中的红线部份,多路开关的控制信号同时与与非门的一个输入端是相接的,我们知道与门的逻辑特点是“全 1 出 1,有 0 出 0”,那么控制信号是 0 的话,这时与门输出的也是一个 0(低电平),与门的输出是 0,V1
管就截止,在多路控制开关的控制信号是 0(低电平)时,多路开关是与锁存器的 Q 非
端相接的(即 P0
口作为 I/O
口线使用)。P0
口用作 I/O
口线,其由数据总线向引脚输出(即输出状态 Output
)的工作过程:当写锁存器信号 CP
有效,数据总线的信号→锁存器的输入端→D 锁存器的反向输出 Q 非端→多路开关→V2 管的栅极→V2 的漏极到输出端 P0.X
。前面我们已讲了,当多路开关的控制信号为低电平 0 时,与门输出为低电平,V1
管是截止的,所以作为输出口时,P0
是漏极开路输出,类似于 OC
门,当驱动上接电流负载时,需要外接上拉电阻。下图就是由内部数据总线向
P0
口输出数据的流程图(红色箭头):
数据输入时(读
P0
口)有两种情况:
读芯片引脚上的数据,读引脚数时,读引脚缓冲器打开(即三态缓冲器的控制端要有效),通过内部数据总线输入,请看下图(红色箭头)。

通过打开读锁存器三态缓冲器读取锁存器输出端
Q
的状态,请看下图(红色箭头)
因为现在
STC 51
单片机内存已经足够使用,所以也用不到通过 P0
口外扩存储器,对于 P0
口作为外扩存储器时的工作原理这里就不叙述。2.2 P1端口
P1
口的结构最简单,用途也单一,仅作为数据输入/输出端口使用。输出的信息有锁存,输入有读引脚和读锁存器之分。P1
端口的结构见下图:
由图可见,P1
端口与 P0
端口的主要差别在于:P1
端口用内部上拉电阻 R
代替了 P0
端口的场效应管 V1
,并且输出的信息仅来自内部总线。由内部总线输出的数据经锁存器反相和场效应管反相后,锁存在端口线上,所以,P1
端口是具有输出锁存的静态口。
由上图可见,要正确地从引脚上读入外部信息,必须先使场效应管关断,以便由外部输入的信息确定引脚的状态。为此,在作引脚读入前,必须先对该端口写入 1。具有这种操作特点的输入/输出端口,称为准双向 I/O
口。8051
单片机的 P1
、P2
、P3
都是准双向口。P0
端口由于输出有三态功能,输入前端口线已处于高阻态,无需先写入 1 后再作读操作。
单片机复位后,各个端口已自动地被写入了 1,此时,可直接作输入操作。如果在应用端口的过程中,已向 P1 一 P3
端口线输出过 0,则再要输入时,必须先写 1 后再读引脚,才能得到正确的信息。此外,随输入指令的不同,P1
端口也有读锁存器与读引脚之分。
2.3 P2端口
P2
端口的结构见下图:
由图可见,P2
端口在片内既有上拉电阻,又有切换开关 MUX
,所以 P2
端口在功能上兼有 P0
端口和 P1
端口的特点。这主要表现在输出功能上,当切换开关向下接通时,从内部总线输出的一位数据经反相器和场效应管反相后,输出在端口引脚线上;当多路开关向上时,输出的一位地址信号也经反相器和场效应管反相后,输出在端口引脚线上。
对于 8031 单片机必须外接程序存储器才能构成应用电路(或者我们的应用电路扩展了外部存储器),而 P2
端口就是用来周期性地输出从外存中取指令的地址(高 8 位地址),因此,P2
端口的多路开关总是在进行切换,分时地输出从内部总线来的数据和从地址信号线上来的地址。因此 P2
端口是动态的 I/O
端口。输出数据虽被锁存,但不是稳定地出现在端口线上。其实,这里输出的数据往往也是一种地址,只不过是外部 RAM
的高 8 位地址。
P2
口既可作为 I/O
口使用,也可作为地址总线使用,通常主要用作 I/O
口使用,地址总线使用不作分析。
2.4 P3端口
P3
口是一个多功能口,它除了可以作为 I/O
口外,还具有第二功能,P3
端口的结构见下图:
由上图可见,P3
端口和 P1
端口的结构相似,区别仅在于 P3
端口的各端口线有两种功能选择。当处于第一功能时,第二输出功能线为 1,此时,内部总线信号经锁存器和场效应管输入/输出,其作用与 P1
端口作用相同,也是静态准双向 I/O
端口。当处于第二功能时,锁存器输出 1,通过第二输出功能线输出特定的内含信号,在输入方面,即可以通过缓冲器读入引脚信号,还可以通过替代输入功能读入片内的特定第二功能信号。由于输出信号锁存并且有双重功能,故P3
端口为静态双功能端口。
2.5 要点
上述是把 51 单片机的 P0
、P1
、P2
和 P3
口内部结构及原理,需要记住以下几点:
P0
口是漏极开路,要使其输出高电平,必须外接上拉电阻,通常选择4.7K~10K
阻值。P0
、P1
、P2
可以既输出高电平又输出低电平。P0
、P1
、P2
几乎都用作普通 I/O
口使用,既可作为输入,又可作为输出。P3
口既可用作普通 I/O
口,又可作为第二功能使用,比如串口、外部中断、计数器等。二、LED简介
LED
即发光二极管。它具有单向导电性,通过 5mA 左右电流即可发光,电流越大,其亮度越强,但若电流过大,会烧毁二极管,一般我们控制在 3 mA-20mA
之间,通常我们会在 LED
管脚上串联一个电阻,目的就是为了限制通过发光二极管的电流不要太大,因此这些电阻又可以称为“限流电阻”。当发光二极管发光时,测量它两端电压约为 1.7V
,这个电压又叫做发光二极管的“导通压降”。下图左右分别为直插式发光二极管和贴片式发光二极管实物图。发光二极管正极又称阳极,负极又称阴极,电流只能从阳极流向阴极。直插式发光二极管长脚为阳极,短脚为阴极。仔细观察贴片式发光二极管正面的一端有彩色标记,通常有标记的一端为阴极。
使用发光二极管需要注意:
3 mA-20mA
之间三、硬件设计
开发板上 LED
模块电路如下图所示:
在前面我们介绍过如何查看原理图,相同网络标号表示它们是连接在一起的,因此 D1-D8
连接到单片机的 P20-P27
口。图中 LED
采用共阳接法,即所有LED
阳极管脚接电源 VCC
,阴极管脚通过一个 470 欧的限流电阻接到 P2
口上。根据前面 LED
的介绍我们知道,要让 LED
发光即对应的阴极管脚应该为低电平,若为高电平则熄灭。因此,如果要想 51 单片机控制 LED
,就必须通过单片机管脚在 P2
口上输出低电平。
四、软件设计
1.点亮第一个LED
所实现的功能就是:点亮 D1
指示灯,即让 P2.0
管脚输出一个低电平。
我们直接复制前面创建好的工程模板,将复制过来的模板文件夹重新命名为“2-点亮第一个LED”。打开工程直接在 main.c
源文件内进行编程,main.c
内代码如下:
/*
实验名称:点亮第一个 LED
接线说明:
实验现象:下载程序后“LED 模块”的 D1 指示灯点亮
*/
#include "reg52.h"
//将P2.0管脚定义为LED1
sbit LED1 = P2^0;
void main()
{
//P2.0管脚输出低电平,即可点亮第一个LED灯
LED1 = 0;
while (1)
{
}
}
至此,整个程序就编写完成,我们编译一下,如下图所示:
可以看到没有错误,也没有警告。从编译信息可以看出,我们的代码占用FLASH
大小为:19 字节,所用的 SRAM
大小为:9 个字节(9+0)。这里我们解释一下,编译结果里面的几个数据的意义:
code
:表示程序所占用 FLASH
的大小。data
:数据储存器内部 RAM
占用大小。xdata
:数据储存器外部 RAM
占用大小。有了这个就可以知道你当前使用的 flash
和 sram
大小了。一定要注意的是程序的大小不是.hex
文件的大小,而是编译后的 code
和 data
之和。
2.LED 闪烁实验
完成点亮第一个LED灯后可再控制 D1
指示灯闪烁,即间隔一段时间点亮和熄灭 D1
指示灯。如果要实现 LED 闪烁,只需循环让 D1 指示灯先亮一会后熄灭。这里就有一个延时问题,如何来产生延时呢?利用延时函数。延时函数如下:
/*
函 数 名 : delay_10us
函数功能 : 延时函数,ten_us=1 时,大约延时 10us
输 入 : ten_us
*/
void delay_10us(u16 ten_us)
{
while (tenus--);
}
可以发现:到函数形参 ten_us
是 u16
类型的,这个似乎不是 C 语言数据类型关键字,这是我们重定义的数据类型,如下:
typedef unsigned int u16; //对系统默认数据类型进行重命名
typedef unsigned char u8;
使用关键字 typedef
对系统默认数据类型 unsigned int
和unsigned char
重新命名,主要是方便我们代码的书写和变量类型的查看。u16
即代表该变量是16 位的无符号整型数据,u8
代表该变量是 8 位的无符号字符型数据。有了这个就知道参数的传送范围,不能超过形参定义的范围。
我们直接复制前面创建好的工程模板,将复制过来的模板文件夹重新命名为“3-LED灯闪烁实验”。打开工程直接在 main.c
源文件内进行编程,main.c
内代码如下:
/*
实验名称:LED灯闪烁实验
接线说明:
实验现象:下载程序后“LED 模块”的 D1 指示灯闪烁
*/
#include "reg52.h"
typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16; //对系统默认数据类型进行重命名
/*
函 数 名 : delay_10us
函数功能 : 延时函数,ten_us=1 时,大约延时 10us
输 入 : ten_us
*/
void delay_10us(u16 ten_us)
{
while (tenus--);
}
//将P2.0管脚定义为LED1
sbit LED1 = P2^0;
void main()
{
while (1)
{
LED1 = 0; //点亮
delay_10us(50000); //大约延时450ms
LED1 = 1; //熄灭
delay_10us(50000);
}
}
至此,整个程序就编写完成,我们编译一下,如下图所示:
可以看到没有错误,也没有警告。
2.1 通过 KEIL 软件仿真查看延时时间
上述代码中我们传递实参是 50000,得到的延时大约是 450ms,如何来验证呢?可以通过 KEIL
自带的软件仿真功能,操作如下:





将现在这个时间减去上一步的 sec 时间就可以得到 delay_10us(50000)运行的实际时间了。再次点击仿真按钮则可退出仿真界面,回到程序编辑界面。
3.LED流水灯实验
左右流水灯即依次将D1-D8指示左右循环点亮。我们直接复制前面创建好的工程模板,将复制过来的模板文件夹重新命名为“4-LED流水灯实验”。打开工程直接在 main.c
源文件内进行编程,main.c
内代码如下:
/*
实验名称:LED流水灯实验
接线说明:
实验现象:下载程序后“LED模块”的D1-D8指示左右点亮
*/
#include "reg52.h"
#include "intrins.h"
//适用宏定义将P2端口定义,低位是P2.0,高位是P2.7
#define LED_PORT P2
typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;
/*
函 数 名 : delay_10us
函数功能 : 延时函数,ten_us=1 时,大约延时 10us
输 入 : ten_us
*/
void delay_10us(u16 ten_us)
{
while (ten_us--);
}
void main()
{
u8 i = 0;
LED_PORT = ~0x01;
delay_10us(50000);
while (1)
{
//方法1:使用移位+循环实现流水灯
// for(i=0;i<8;i++)
// {
// LED_PORT=~(0x01<<i); //将1右移i位,然后取反将结果赋值到LED_PORT
// delay_10us(50000);
// }
//方法2:使用循环+_crol_或_cror_函数实现流水灯
//0从低位移到高位,左移
for (i=0;i<7;i++)
{
LED_PORT = _crol_(LED_PORT,1);
delay_10us(50000);
}
//0再从高位移到低位,右移
for (i=0;i<7;i++)
{
LED_PORT = _cror_(LED_PORT,1);
delay_10us(50000);
}
}
}
至此,整个程序就编写完成,我们编译一下,如下图所示:
可以看到没有错误,也没有警告。
左移函数是
_crol_()
,右移函数是_cror_()
,这两个函数中分别传入两个参数:要移到的值与要移动的位数。要使用这两个函数在我们的程序中必须包含intrins.h
头文件。该移位函数实现的移位功能就相当于一个队列内循环移动,如果是左移,那么最高位就被移到最低位了,次高位变为最高位,依次类推。
下面列举for循环LED_PORT端口状态值,如下所示:
初始状态:LED_PORT=1111 1110
i=0:LED_PORT=1111 1101
i=1:LED_PORT=1111 1011
i=2:LED_PORT=1111 0111
i=3:LED_PORT=1110 1111
i=4:LED_PORT=1101 1111
i=5:LED_PORT=1011 1111
i=6:LED_PORT=0111 1111
五、实验现象
- 点亮第一个 LED,可以看到开发板上 LED 模块 D1指示灯点亮。
- LED 闪烁实验,可以看到开发板上 LED 模块 D1 指示灯闪烁。
- LED 流水灯实验,可以看到开发板上 LED 模块 D1-D8 指示灯左右循环流水。