51单片机（五）—— GPIO点亮一个LED

一、LED控制介绍

发光二极管是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能，常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电特性。当给发光二极管加上正向电压时就会发光，光的强弱与工作电流成正比。一般情况下，LED的正向工作电流在10mA左右，如果电流过大就会烧坏LED，因此使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流。

普通发光二极管的正向饱和压降为1.6Ｖ～2.1Ｖ。发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，并广泛应用于各种电子电路、家电、仪表等设备中。

本文使用的开发板上设计了8个发光二极管，其中有2个红色、2个黄色、2个绿色和2个蓝色。发光二极管部分的原理图如下图所示。R21是470欧姆的8位阻排，LED1~LED8是8个发光二极管，阻排的公共端与5V电源VCC相连，发光二极管的正极与阻排相连，负极与插针J21相连，J21经过杜邦线可以连接到需要使用的I/O口。连接好后，单片机输出低电平时对应的LED灯点亮，高电平时对应的LED灯熄灭。

我们来了解下I/O口的工作原理。I/O口即输入和输出口，单片机的I/O口既可以作为输入信号端、也可以作为输出信号端。图中，J21可以接5V、悬空、也可以接地。以LED1为例，我们将LED1的等效电路单独画出来，如下图所示。

图中VCC是5V的电源，当电路的右侧接5V或者悬空时，电路没有电流通过，LED灯的状态是熄灭的；当电路的右侧接地时，两端压差是5V，所以LED灯被点亮。在数字电路中，接+5V为电平“1”，接地为“0”。

所以在设计中，将LED连接到单片机的I/O口，此时我们只需要控制单片机的I/O口为“1”或者为“0”就可以控制LED灯的亮灭了。

二、例程测试

在这个实验中我们用两种不同的方法对一个LED灯进行控制，在测试之前需要将上边J21的1引脚与单片机的P00用杜邦线连接起来。

方法1：

实现的代码如下所示

#include 

sbit LED=P0^0;   

void main (void)

{

LED=0;            //将P00口赋值0，对外输出低电平

for(;;);          //死循环，原地等待

}

将这个代码编译之后将Hex文件烧写到单片机中，可以看到LED1点亮。

1、在上面的代码中，#include这是一个预处理命令，所谓的预处理命令就是在程序编译之前进行的命令。预处理命令以“#”开始，“include”是文件包含命令。除了文件包含命令，常见的预处理命令还有：宏定义和条件编译。在C语言中，头文件被大量使用。头文件是一种包含功能函数、数据接口声明的载体文件，C程序的头文件以“.h”为后缀。一般在一个应用开发体系中，功能的真正逻辑实现是以硬件层为基础，在驱动程序、功能层程序以及用户的应用程序中完成的。头文件的主要作用在于调用库功能，对各个被调用函数给出一个描述，其本身不包含程序的逻辑实现代码，它只起描述性作用，告诉应用程序通过相应途径寻找相应功能函数的真正逻辑实现代码。用户程序只需要按照头文件中的接口声明来调用库功能，编译器会从库中提取相应的代码。#include这一句的含义就是这个工程包含了reg52.h这个文件中的内容。reg52.h这个文件中的内容如下所示。

#ifndef __REG52_H__

#define __REG52_H__

/*  BYTE Registers  */

sfr P0    = 0x80;

sfr P1    = 0x90;

sfr P2    = 0xA0;

sfr P3    = 0xB0;

sfr PSW   = 0xD0;

sfr ACC   = 0xE0;

sfr B     = 0xF0;

sfr SP    = 0x81;

sfr DPL   = 0x82;

sfr DPH   = 0x83;

sfr PCON  = 0x87;

sfr TCON  = 0x88;

sfr TMOD  = 0x89;

sfr TL0   = 0x8A;

sfr TL1   = 0x8B;

sfr TH0   = 0x8C;

sfr TH1   = 0x8D;

sfr IE    = 0xA8;

sfr IP    = 0xB8;

sfr SCON  = 0x98;

sfr SBUF  = 0x99;

/*  8052 Extensions  */

sfr T2CON  = 0xC8;

sfr RCAP2L = 0xCA;

sfr RCAP2H = 0xCB;

sfr TL2    = 0xCC;

sfr TH2    = 0xCD;

/*  BIT Registers  */

/*  PSW  */

sbit CY    = PSW^7;

sbit AC    = PSW^6;

sbit F0    = PSW^5;

sbit RS1   = PSW^4;

sbit RS0   = PSW^3;

sbit OV    = PSW^2;

sbit P     = PSW^0; //8052 only

/*  TCON  */

sbit TF1   = TCON^7;

sbit TR1   = TCON^6;

sbit TF0   = TCON^5;

sbit TR0   = TCON^4;

sbit IE1   = TCON^3;

sbit IT1   = TCON^2;

sbit IE0   = TCON^1;

sbit IT0   = TCON^0;

/*  IE  */

sbit EA    = IE^7;

sbit ET2   = IE^5; //8052 only

sbit ES    = IE^4;

sbit ET1   = IE^3;

sbit EX1   = IE^2;

sbit ET0   = IE^1;

sbit EX0   = IE^0;

/*  IP  */

sbit PT2   = IP^5;

sbit PS    = IP^4;

sbit PT1   = IP^3;

sbit PX1   = IP^2;

sbit PT0   = IP^1;

sbit PX0   = IP^0;

/*  P3  */

sbit RD    = P3^7;

sbit WR    = P3^6;

sbit T1    = P3^5;

sbit T0    = P3^4;

sbit INT1  = P3^3;

sbit INT0  = P3^2;

sbit TXD   = P3^1;

sbit RXD   = P3^0;

/*  SCON  */

sbit SM0   = SCON^7;

sbit SM1   = SCON^6;

sbit SM2   = SCON^5;

sbit REN   = SCON^4;

sbit TB8   = SCON^3;

sbit RB8   = SCON^2;

sbit TI    = SCON^1;

sbit RI    = SCON^0;

/*  P1  */

sbit T2EX  = P1^1; // 8052 only

sbit T2    = P1^0; // 8052 only

/*  T2CON  */

sbit TF2    = T2CON^7;

sbit EXF2   = T2CON^6;

sbit RCLK   = T2CON^5;

sbit TCLK   = T2CON^4;

sbit EXEN2  = T2CON^3;

sbit TR2    = T2CON^2;

sbit C_T2   = T2CON^1;

sbit CP_RL2 = T2CON^0;

#endif

从这个文件的定义可以看出，这个文件主要定义了单片机的端口和特殊功能寄存器。程序中包含了头文件之后，就可以直接使用定义过的标志符。例如：P0口的寄存器地址是0x80，其中0x表示它后边的数值是16进制的。如果对P0口进行操作，我们直接使用P0这个标志符就行了，而不需要了解P0口寄存器的物理地址和内部结构。

2、sfr和sbit，reg52.h中可以看到这两个关键字。“sfr P0= 0x80;”这一句的含义是将单片机内部地址为0x80的寄存器重新起名为P0，以后我们在程序中就可以直接操作P0，就相当于对单片机内部的0x80地址处的寄存器进行操作。实际上，通过sfr关键字的定义，让Keil编译器在单片机和用户之间搭建了一条可以进行沟通的桥梁，我们操作P0口，而单片机并不知道什么是P0口，但它知道知道它内部的地址0x80是什么。

“sbit CY= PSW^7;”这一句的意思是将PSW这个寄存器的第7位重新命名为CY，所以在需要单独操作PSW寄存器第7位时，可以直接操作CY。

在程序中有一句“sbit LED=P0^0;” 这一句的意思是将P0口寄存器的第0位，也就是最低位定义为LED，因此程序中操作LED时相当于操作P0口寄存器的第0位。例如：LED=0; 相当将0赋值给P0口寄存器的第0位。

3、main()函数，主函数就是main函数，是程序的入口，程序一旦执行的时候就会从这个入口开始，任何一个程序中有且只有一个主函数。

4、for(;;)。for()循环是C语言中一种基本的循环方式，当条件为真时，进入循环体，条件不满足时，跳出。

for()循环的标准格式为

for(表达式1;表达式2;表达式3)

{语句（内部可以为空）}

我们来看一下下边这段程序。

              unsigned char i;

              for(i=2;i>0;i++)

              {      }

这段程序首先定义了一个无符号字符型变量i，然后指向for语句。i=2;i>0;i++这三个表达式中，表达式1是给i赋一个初值2，表达式2判断i>0是真还是假，表达式3是i每个周期减1。我们来分析一下这个for循环的执行过程。

第一步：给i赋初值2，此时i=2。

第二步：因为2>0，条件成立，所以其值为真，那么执行for循环下边大括号中的内容。由于大括号中为空，所以什么也不执行。

第三步：i自减1，即i=i-1=2-1=1。

第四步：跳回到第二步，因为1>0，条件成立，所以其值为真，那么执行for循环下边大括号中的内容。由于大括号中为空，所以什么也不执行。

第五步：i自减1，即i=i-1=1-1=0。

第六步：跳回到第二步，因为0>0，条件不成立，所以其值为假，那么结束for循环，程序从for循环中跳出。

“for(;;);”这个语句中for的三个表达式都为空，这个for语句是无限循环。

本例中，进入main函数对LED灯进行操作，之后进入for循环，并一直在循环中等待，不进行任何操作，因此LED灯的状态也不会发生变化。

该程序虽然简单，但是包含C语言最基础的知识，后面的程序会在此基础上增加新的内容。

5、程序的注释，//和/* */这两种符号表示注释。注释语句虽然不对程序的运行产生任何影响，但必要的注释是程序的重要组成部分。对于一个程序员来说，及时加注释是一个好的习惯。上述两个注释的区别在于：//是行注释，换行无效；/* */中间的内容都是注释，换行有效。注释可以根据大家的习惯，没有具体要求。

方法二：

实现代码如下所示

#include 

#define LED  P0    //宏定义关键字，定义LED到单片机的P0口

void main (void)

{

LED=0xfe;         //将P0口赋值0xfe，

                  //0xfe转换为二进制为 1111 1110，即P0口的最低位输出低电平，其它位输出高电平。

for(;;);          //死循环，原地等待

}

在这个实验中，对LED控制的命令与方法一是不同的，主要知识点如下：

1、宏定义，宏定义又称为宏代换、宏替换，简称“宏”。

宏定义的格式：

#define 标识符 字符串

其中的标识符就是所谓的符号常量，也称为“宏名”。预处理（预编译）工作也叫做宏展开，将宏名替换为字符串。掌握“宏”概念的关键是“换”。一切以换为前提、做任何事情之前先要换，准确理解之前就要“换”。即在对相关命令或语句的含义和功能作具体分析之前就要换。

例如程序中#define  LED  P0

表示LED灯定义在P0口上。因此对P0口进行操作，我们可以直接用LED来代替，LED=0xfe;就相当于P0=0xfe;

2、进制转换，这个实验与第一个实验不同，直接对P0口整体进行操作。P0口的宽度是8位，用二进制表示是xxxx xxxx。单片机常用的进制是：二进制、八进制、十进制和十六进制，0x前缀表示十六进制，如：0xFF。0xFF与0xff相同，C语言中数值不区分大小写。这几种进制形式不同，但是可以相互转换。

本实验中同样是点亮了LED1。但是对P0口进行整体赋值的方法，将0xfe赋给了P0，0xfe转换成2进制就是11111110，也就是将P0口的高7位拉高，最低位拉低，这样LED1就可以点亮了，其余的灯熄灭。