2019年10月22日 | 从初学者迈向工程师-从LED和KEY入手提高单片机编程能力

非常详细的单片机编程教程分享给大家，从LED和KEY入手提高单片机编程能力

前言

我们用学单片机不要停在演示的基础上。只能让单片机完成局部事。这样我们永远不会走出流水灯地狱！！！

学习单片机也已经有几年了，藉此机会和大家聊一下我学习过程中的一些经历和想法吧。也感谢一线工人提供了这个机会。希望大家有什么好的想法和建议都直接跟帖说出来。毕竟只有交流才能够碰撞出火花来 ^_^。

“卖弄”也好，“吹嘘”也罢，我只是想认真的写写我这一路走来历经的总总，把其中值得注意，以及经验的地方写出来，权当是我对自己的一个总结吧。而作为看官的你，如果看到了我的错误，还请一定指正，这样对我以及其它读者都有帮助，而至于你如果从中能够收获到些许，那便是我最大的欣慰了。姑妄言之，姑妄听之。如果有啥好的想法和建议一定要说出来。几年前，和众多初学者一样，我接触到了单片机，立刻被其神奇的功能所吸引，从此不能自拔。很多个日夜就这样陪伴着它度过了。期间也遇到过非常多的问题，也一度被这些问题所困惑……等到回过头来，看到自己曾经走过的路，唏嘘不已。经常混迹于论坛里，也看到了很多初学者发的求助帖子，看到他们走在自己曾走过的弯路上，忽然想到了自己的那段日子，心里竟然莫名的冲动，凡此总总，我总是尽自己所能去回帖。很多时候，都想写一点什么东西出来，希望对广大的初学者有一点点帮助。但总是不知从何处写起。今天借一线工人的台，唱一唱我的戏。

一路学习过来的过程中，帮助最大之一无疑来自于网络了。很多时候，通过网络，我们都可以获取到所需要的学习资料。但是，随着我们学习的深入，我们会慢慢发现，网络提供的东西是有限度的，好像大部分的资料都差不多，或者说是适合大部分的初学者所需，而当我们想更进一步提高时，却发现能够获取到的资料越来越少，相信各位也会有同感，铺天盖地的单片机资料中大部分不是流水灯就是LED，液晶，而且也只是仅仅作功能性的演示。于是有些人选择了放弃，或者是转移到其他兴趣上面去了，而只有少部分人选择了继续摸索下去，结合市面上的书籍，然后在网络上锲而不舍的搜集资料，再从牛人的只言片语中去体会，不断动手实践，慢慢的，也摸索出来了自己的一条路子。当然这个过程必然是艰辛的，而他学会了之后也不会在网络上轻易分享自己的学习成果。如此恶性循环下去，也就不难理解为什么初级的学习资料满天飞，而深入一点的学习资料却很少的原因了。相较于其他领域，单片机技术的封锁更加容易。尽管已经问世了很多年了，有价值的资料还是相当的欠缺，大部分的资料都是止于入门阶段或者是简单的演示实验。但是在实际工程应用中却是另外一回事。有能力的高手无暇或者是不愿公开自己的学习经验。

很多时候，我也很困惑，看到国外爱好者毫不保留的在网络上发布自己的作品，我忽然感觉到一丝丝的悲哀。也许，我们真的该转变一下思路了，帮助别人，其实也是在帮助自己。啰啰嗦嗦的说了这么多，相信大家能够明白说的是什么意思。在接下来的一段日子里，我将会结合电子工程师之家举办的主题周活动写一点自己的想法。尽可能从实用的角度去讲述。希望能够帮助更多的初学者更上一层楼。而关于这个主题周的最大主题我想了这样的一个名字“从单片机初学者迈向单片机工程师”。名字挺大挺响亮，给我的压力也挺大的，但我会努力，争取使这样的一系列文章能够带给大家一点帮助，而不是看后大跌眼镜。这样的一系列文章主要的对象是初学者，以及想从初学者更进一步提高的读者。而至于老手，以及那些牛XX的人，希望能够给我们这些初学者更多的一些指点哈~@_@ 。

第一章 流水灯

从这一章开始，我们开始迈入单片机的世界。在我们开始这一章具体的学习之前，有必要给大家先说明一下。在以后的系列文章中，我们将以51内核的单片机为载体，C语言为编程语言，开发环境为KEIL uv3。至于为什么选用C语言开发，好处不言而喻，开发速度快，效率高，代码可复用率高，结构清晰，尤其是在大型的程序中，而且随着编译器的不断升级，其编译后的代码大小与汇编语言的差距越来越小。而关于C语言和汇编之争，就像那个啥，每隔一段时间总会有人挑起这个话题，如果你感兴趣，可以到网上搜索相关的帖子自行阅读。不是说汇编不重要，在很多对时序要求非常高的场合，需要利用汇编语言和C语言混合编程才能够满足系统的需求。在我们学习掌握C语言的同时，也还需要利用闲余的时间去学习了解汇编语言。

• 从点亮LED(发光二极管)开始

• 在市面上众多的单片机学习资料中，最基础的实验无疑于点亮LED了，即控制单片机的I/O的电平的变化。 
  如同如下实例代码一般 
  
  void main(void) 
  { 
  LedInit() ; 
  While(1) 
  { 
  LED = ON ; 
  DelayMs(500) ; 
  LED = OFF ; 
  DelayMs(500) ; 
       } 
  } 
  
  

程序很简单，从它的结构可以看出，LED先点亮500MS，然后熄灭500MS，如此循环下去，形成的效果就是LED以1HZ的频率进行闪烁。下面让我们分析上面的程序有没有什么问题。 

看来看出，好像很正常的啊，能有什么问题呢？这个时候我们应该换一个思路去想了。试想，整个程序除了控制LED = ON ； LED = OFF； 这两条语句外，其余的时间，全消耗在了DelayMs(500)这两个函数上。而在实际应用系统中是没有哪个系统只闪烁一只LED就其它什么事情都不做了的。因此，在这里我们要想办法，把CPU解放出来，让它不要白白浪费500MS的延时等待时间。宁可让它一遍又一遍的扫描看有哪些任务需要执行，也不要让它停留在某个地方空转消耗CPU时间。

从上面我们可以总结出：
(1)无论什么时候我们都要以实际应用的角度去考虑程序的编写。
(2)无论什么时候都不要让CPU白白浪费等待，尤其是延时(超过1MS)这样的地方。

下面让我们从另外一个角度来考虑如何点亮一颗LED。

先看看我们的硬件结构是什么样子的。

我手上的单片机板子是电子工程师之家的开发的学习板。就以它的实际硬件连接图来分析吧。如下图所示

一般的LED的正常发光电流为10~20MA而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。在上图中我们可知，当Q1~Q8引脚上面的电平为低电平时，LED发光。通过LED的电流约为（VCC - Vd）/ RA2 。其中Vd为LED导通后的压降，约为1.7V左右。这个导通压降根据LED颜色的不同，以及工作电流的大小的不同，会有一定的差别。下面一些参数是网上有人测出来的，供大家参考。

红色的压降为1.82-1.88V，电流5-8mA，

绿色的压降为1.75-1.82V，电流3-5mA，

橙色的压降为1.7-1.8V，电流3-5mA ，

兰色的压降为3.1-3.3V，电流8-10mA，

白色的压降为3-3.2V，电流10-15mA，

(供电电压5V，LED直径为5mm)

74HC573真值表如下：

通过这个真值表我们可以看出。当OutputEnable引脚接低电平的时候，并且LatchEnable引脚为高电平的时候，Q端电平与D端电平相同。结合我们的LED硬件连接图可以知道LED_CS端为高电平时候，P0口电平的变化即Q端的电平的变化，进而引起LED的亮灭变化。由于单片机的驱动能力有限，在此，74HC573的主要作用就是起一个输出驱动的作用。需要注意的是，通过74HC573的最大电流是有限制的，否则可能会烧坏74HC573这个芯片。

上面这个图是从74HC573的DATASHEET中截取出来的，从上可以看出，每个引脚允许通过的最大电流为35mA 整个芯片允许通过的最大电流为75mA。在我们设计相应的驱动电路时候，这些参数是相当重要的，而且是最容易被初学者所忽略的地方。同时在设计的时候，要留出一定量的余量出来，不能说单个引脚允许通过的电流为35mA，你就设计为35mA，这个时候你应该把设计的上限值定在20mA左右才能保证能够稳定的工作。（设计相应驱动电路时候，应该仔细阅读芯片的数据手册，了解每个引脚的驱动能力，以及整个芯片的驱动能力）

了解了相应的硬件后，我们再来编写驱动程序。

首先定义LED的接口 
    #define LED  P0 
    然后为亮灭常数定义一个宏，由硬件连接图可以，当P0输出为低电平时候LED亮，P0输出为高电平时，LED熄灭。 
    #define LED_ON()    LED = 0x00  //所有LED亮 
    #define LED_OFF()    LED = 0xff  //所有LED熄灭 
    下面到了重点了，究竟该如何释放CPU，避免其做延时空等待这样的事情呢。很简单，我们为系统产生一个1MS的时标。假定LED需要亮500MS，熄灭500MS，那么我们可以对这个1MS的时标进行计数，当这个计数值达到500时候，清零该计数值，同时把LED的状态改变。 

unsigned int g_u16LedTimeCount = 0 ;    //LED计数器 
unsigned char g_u8LedState = 0 ;      //LED状态标志, 0表示亮，1表示熄灭 

void LedProcess(void) 
{ 
    if(0 == g_u8LedState)  //如果LED的状态为亮，则点亮LED 
    { 
        LED_ON() ; 
    } 
    else                //否则熄灭LED 
    { 
        LED_OFF() ; 
    } 
} 


void LedStateChange(void) 
{ 
    if(g_bSystemTime1Ms)            //系统1MS时标到 
  { 
        g_bSystemTime1Ms = 0 ; 
        g_u16LedTimeCount++ ;      //LED计数器加一 
    if(g_u16LedTimeCount >= 500)  //计数达到500,即500MS到了,改变LED的状态。 
    { 
            g_u16LedTimeCount = 0 ; 
            g_u8LedState  = ! g_u8LedState ; 
      } 
    } 
} 

上面有一个变量没有提到，就是g_bSystemTime1Ms 。这个变量可以定义为位变量或者是其它变量，在我们的定时器中断函数中对其置位，其它函数使用该变量后，应该对其复位(清0) 。

我们的主函数就可以写成如下形式(示意代码) 
void main(void) 
{ 
    while(1) 
    { 
        LedProcess() ; 
        LedStateChange() ; 
    }  
} 

因为LED的亮或者灭依赖于LED状态变量(g_u8LedState)的改变，而状态变量的改变，又依赖于LED计数器的计数值(g_u16LedTimeCount ，只有计数值达到一定后，状态变量才改变)所以，两个函数都没有堵塞CPU的地方。让我们来从头到尾分析一遍整个程序的流程。

程序首先执行LedProcess() ;函数

因为g_u8LedState 的初始值为0 (见定义，对于全局变量，在定义的时候最好给其一个确定的值)所以LED被点亮，然后退出LedStateChange()函数，执行下一个函数LedStateChange() ，在函数LedStateChange()内部首先判断1MS的系统时标是否到了，如果没有到就直接退出函数，如果到了，就把时标清0以便下一个时标消息的到来，同时对LED计数器加一，然后再判断LED计数器是否到达我们预先想要的值500，如果没有，则退出函数，如果有，对计数器清0，以便下次重新计数，同时把LED状态变量取反，然后退出函数。

由上面整个流程可以知道，CPU所做的事情，就是对一些计数器加一，然后根据条件改变状态，再根据这个状态来决定是否点亮LED。这些函数执行所花的时间都是相当短的，如果主程序中还有其它函数，则CPU会顺次往下执行下去。对于其它的函数(如果有的话)也要采取同样的措施，保证其不堵塞CPU，如果全部基于这种方法设计，那么对于不是非常庞大的系统，我们的系统依旧可以保证多个任务(多个函数)同时执行。系统的实时性得到了一定的保证，从宏观上看来，就是多个任务并发执行。

好了，这一章就到此为止，让我们总结一下，究竟有哪些需要注意的吧。

(1) 无论什么时候我们都要以实际应用的角度去考虑程序的编写。 
(2) 无论什么时候都不要让CPU白白浪费等待，尤其是延时(超过1MS)这样的地方。 
(3) 设计相应驱动电路时候，应该仔细阅读芯片的数据手册，了解每个引脚的驱动能力，以及整个芯片的驱动能力。
(4) 最重要的是，如何去释放CPU(参考本章的例子)，这是写出合格程序的基础。

附完整程序代码(基于电子工程师之家的单片机开发板) 

1. #include
   

2. 
   

3. sbit LED_SEG  = P1^4;  //数码管段选
   

4. sbit LED_DIG  = P1^5;  //数码管位选
   

5. sbit LED_CS11 = P1^6;  //led控制位
   

6. sbit ir=P1^7;
   

7. #define LED P0            //定义LED接口
   

8. bit  g_bSystemTime1Ms = 0 ;              // 1MS系统时标
   

9. unsigned int  g_u16LedTimeCount = 0 ; //LED计数器
   

10. unsigned char g_u8LedState = 0 ;      //LED状态标志, 0表示亮，1表示熄灭
    

11. 
    

12. #define LED_ON()      LED = 0x00 ;  //所有LED亮
    

13. #define LED_OFF()    LED = 0xff ;  //所有LED熄灭
    

14. 
    

15. void Timer0Init(void)
    

16. {
    

17.     TMOD &= 0xf0 ;
    

18.     TMOD |= 0x01 ;      //定时器0工作方式1
    

19.     TH0  =    0xfc ;      //定时器初始值
    

20.     TL0  =  0x66 ;
    

21.     TR0  = 1 ;
    

22.     ET0  = 1 ;
    

23. }
    

24. void LedProcess(void)
    

25. {
    

26.     if(0 == g_u8LedState)  //如果LED的状态为亮，则点亮LED
    

27.     {
    

28.         LED_ON() ;
    

29.     }
    

30.     else                //否则熄灭LED
    

31.     {
    

32.         LED_OFF() ;
    

33.     }
    

34. }
    

35. 
    

36. void LedStateChange(void)
    

37. {
    

38.     if(g_bSystemTime1Ms)            //系统1MS时标到
    

39.   {
    

40.             g_bSystemTime1Ms = 0 ;
    

41.             g_u16LedTimeCount++ ;      //LED计数器加一
    

42.       if(g_u16LedTimeCount >= 500)  //计数达到500,即500MS到了,改变LED的状态。
    

43.       {
    

44.       g_u16LedTimeCount = 0 ;
    

45.       g_u8LedState  = ! g_u8LedState    ;
    

46.           }
    

47.     }
    

48. }
    

49. 
    

50. void main(void)
    

51. {
    

52.     Timer0Init() ;
    

53.     EA = 1 ;
    

54.                     LED_CS11 = 1 ; //74HC595输出允许
    

55.     LED_SEG = 0 ;  //数码管段选和位选禁止(因为它们和LED共用P0口)
    

56.     LED_DIG = 0 ;
    

57.     while(1)
    

58.     {
    

59.           LedProcess() ;
    

60.           LedStateChange() ;
    

61.     }
    

62. }  
    

63. 
    

64. void Time0Isr(void) interrupt 1
    

65. {
    

66.     TH0  =    0xfc ;            //定时器重新赋初值
    

67.     TL0  =  0x66 ;
    

68.     g_bSystemTime1Ms = 1 ;    //1MS时标标志位置位
    

69. }

第二章----模块化编程初识

好的开始是成功的一半

通过上一章的学习，我想你已经掌握了如何在程序中释放CPU了。希望能够继续坚持下去。一个良好的开始是成功的一半。我们今天所做的一切都是为了在单片机编程上做的更好。

在谈论今天的主题之前，先说下我以前的一些经历。在刚开始接触到C语言程序的时候，由于学习内容所限，写的程序都不是很大，一般也就几百行而矣。所以所有的程序都完成在一个源文件里面。记得那时候大一参加学校里的一个电子设计大赛，调试了一个多星期，所有程序加起来大概将近1000行，长长的一个文件，从上浏览下来都要好半天。出了错误简单的语法错误还好定位，其它一些错误，往往找半天才找的到。那个时候开始知道了模块化编程这个东西，也尝试着开始把程序分模块编写。最开始是把相同功能的一些函数(譬如1602液晶的驱动)全部写在一个头文件(.h)文件里面，然后需要调用的地方包含进去，但是很快发现这种方法有其局限性，很容易犯重复包含的错误。

而且调用起来也很不方便。很快暑假的电子设计大赛来临了，学校对我们的单片机软件编程进行了一些培训。由于学校历年来参加国赛和省赛，因此积累了一定数量的驱动模块，那些日子，老师每天都会布置一定量的任务，让我们用这些模块组合起来，完成一定功能。而正是那些日子模块化编程的培训，使我对于模块化编程有了更进一步的认识。并且程序规范也开始慢慢注意起来。此后的日子，无论程序的大小，均采用模块化编程的方式去编写。很长一段时间以来，一直有单片机爱好者在QQ上和我一起交流。有时候，他们会发过来一些有问题的程序源文件，让我帮忙修改一下。同样是长长的一个文件，而且命名极不规范，从头看下来，着实是痛苦，说实话，还真不如我重新给他们写一个更快一些，此话到不假，因为手头积累了一定量的模块，在完成一个新的系统时候，只需要根据上层功能需求，在底层模块的支持下，可以很快方便的完成。而不需要从头到尾再一砖一瓦的重新编写。藉此，也可以看出模块化编程的一个好处，就是可重复利用率高。下面让我们揭开模块化神秘面纱，一窥其真面目。

C语言源文件 *.c ，

提到C语言源文件，大家都不会陌生。因为我们平常写的程序代码几乎都在这个XX.C文件里面。编译器也是以此文件来进行编译并生成相应的目标文件。作为模块化编程的组成基础，我们所要实现的所有功能的源代码均在这个文件里。理想的模块化应该可以看成是一个黑盒子。即我们只关心模块提供的功能，而不管模块内部的实现细节。好比我们买了一部手机，我们只需要会用手机提供的功能即可，不需要知晓它是如何把短信发出去的，如何响应我们按键的输入，这些过程对我们用户而言，就是是一个黑盒子。