硬件：51单片机的按键、中断、定时器、PWM及蜂鸣器

一、GPIO（通用输入输出口）

基本概念

GPIO（General Purpose Input/Output）是 51 单片机与外部设备交互的最基础接口，通过引脚的电平变化实现数据的输入和输出。

工作模式

1. 输出模式：单片机通过引脚输出高电平（5V）或低电平（0V），实现对外部设备的控制。
2. 输入模式：单片机通过检测引脚的电平状态，获取外部设备的信息。

形象比喻

可以将 GPIO 比作 "水龙头"：

• 输出模式如同控制水龙头开关，决定水流（电平信号）的通断
• 输入模式如同观察水龙头是否有水流，检测外部是否有信号输入

二、按键

按键的原理

以按键 K1 为例，其两个引脚分别连接到 GND 和 P1_4 引脚。当按键被按下时，P1_4 引脚与 GND 短路，呈现低电平；未按下时，P1_4 引脚呈现高电平。

按键检测方法

判断按键是否被按下，只需检测对应引脚是否为低电平。对于 P1_4 引脚，判断逻辑为：

P1 & 00010000 == 0

即当 P1 端口与 0x10（二进制 00010000）进行与运算结果为 0 时，说明 P1_4 为低电平，按键被按下。

典型应用场景

在实时性要求高的车载中控系统中，按键可用于：

• 油温、水温等参数的查看切换
• 发动机转速显示控制
• 仪表盘数据刷新
• 安全座椅状态确认
• 刹车信号检测

三、中断

中断基本概念

1. 中断：CPU 在执行当前任务时，被更紧急的事件打断，转而去执行紧急任务，完成后再返回原任务继续执行的过程。
2. 中断源：引发中断的事件或源头，51 单片机有 5 个中断源。
3. 中断优先级：多个中断同时发生时，CPU 优先处理优先级高的中断。
4. 中断嵌套：处理一个中断时，可被更高优先级的中断打断，51 单片机最多支持 2 层嵌套。

中断源分类

中断处理流程

1. 中断源发出中断请求
2. 检查 CPU 是否允许响应中断及该中断源是否被屏蔽
3. 比较中断优先级，选择最高优先级中断
4. 保护现场（保存当前执行状态）
5. 执行中断服务函数（回调函数）
6. 恢复现场，返回原任务继续执行

中断寄存器配置

1. IE 寄存器（中断允许寄存器）

   • EA（bit7）= 1：CPU 允许响应所有中断（总开关）
   • EX0（bit0）= 1：允许外部中断 0 产生中断

2. TCON 寄存器（定时器控制寄存器）

   • IE0（bit1）= 1：外部中断 0 向 CPU 发起中断请求（CPU 响应后自动清 0）
   • IT0（bit0）= 1：外部中断 0 采用下降沿触发

四、定时器

定时器基本概念

定时器是产生精准定时的模块，51 单片机内部有两个定时器（timer0、timer1），均为 16 位自增型计数器。

时钟与定时关系

• 51 单片机通常使用 12MHz 或 11.0592MHz 晶振
• 经过 12 分频后，实际工作频率为 1MHz（12MHz/12）
• 完成一条指令的时间为 1μs（1/1MHz）

定时器 0 实现 1ms 定时

1ms = 1000μs，需要计数 1000 次
定时器初值 = 65535 - 1000 = 64535（0xFC67）

定时器寄存器配置

1. TMOD 寄存器（模式选择寄存器）

   • 低四位清 0
   • M0（bit0）= 1：定时器 0 工作在 16 位模式

2. TCON 寄存器

   • TR0（bit4）= 1：允许定时器 0 开始计数

3. IE 寄存器

   • EA（bit7）= 1：开启总中断
   • ET0（bit1）= 1：允许定时器 0 产生中断

配置流程

1. 配置 TMOD 寄存器，设置为 16 位定时器模式
2. 向 TH0 和 TL0 装入初值 64535（0xFC67）
3. 置位 TR0，启动定时器计数
4. 开启总中断和定时器 0 中断
5. 编写定时器 0 中断服务函数

五、PWM 与蜂鸣器

PWM（脉冲宽度调制）

• PWM 周期：一个方波的完整周期（从上升沿到下一个上升沿的时间）
• PWM 占空比：一个周期内高电平所占的比例
• 作用：通过产生周期性的电平翻转，实现对外部设备的精确控制

蜂鸣器

1. 有源蜂鸣器：内置震荡源，通电后发出固定频率的声音

2. 无源蜂鸣器：无内置震荡源，需要外部提供震荡信号才能发声

3. 声音特性：

   • 音调：由频率决定（高频为高音，低频为低音）
   • 音量：由振幅决定（振幅越大，音量越大）