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从单片机初学者迈向单片机工程师-从LED和KEY入手提高单片机编程能力

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事在、人为 发表于 2018-11-25 15:17 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
一个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<reg52.h>

  2. sbit LED_SEG  = P1^4;  //数码管段选
  3. sbit LED_DIG  = P1^5;  //数码管位选
  4. sbit LED_CS11 = P1^6;  //led控制位
  5. sbit ir=P1^7;
  6. #define LED P0            //定义LED接口
  7. bit  g_bSystemTime1Ms = 0 ;              // 1MS系统时标
  8. unsigned int  g_u16LedTimeCount = 0 ; //LED计数器
  9. unsigned char g_u8LedState = 0 ;      //LED状态标志, 0表示亮,1表示熄灭

  10. #define LED_ON()      LED = 0x00 ;  //所有LED亮
  11. #define LED_OFF()    LED = 0xff ;  //所有LED熄灭

  12. void Timer0Init(void)
  13. {
  14.     TMOD &= 0xf0 ;
  15.     TMOD |= 0x01 ;      //定时器0工作方式1
  16.     TH0  =    0xfc ;      //定时器初始值
  17.     TL0  =  0x66 ;
  18.     TR0  = 1 ;
  19.     ET0  = 1 ;
  20. }
  21. void LedProcess(void)
  22. {
  23.     if(0 == g_u8LedState)  //如果LED的状态为亮,则点亮LED
  24.     {
  25.         LED_ON() ;
  26.     }
  27.     else                //否则熄灭LED
  28.     {
  29.         LED_OFF() ;
  30.     }
  31. }

  32. void LedStateChange(void)
  33. {
  34.     if(g_bSystemTime1Ms)            //系统1MS时标到
  35.   {
  36.             g_bSystemTime1Ms = 0 ;
  37.             g_u16LedTimeCount++ ;      //LED计数器加一
  38.       if(g_u16LedTimeCount >= 500)  //计数达到500,即500MS到了,改变LED的状态。
  39.       {
  40.       g_u16LedTimeCount = 0 ;
  41.       g_u8LedState  = ! g_u8LedState    ;
  42.           }
  43.     }
  44. }

  45. void main(void)
  46. {
  47.     Timer0Init() ;
  48.     EA = 1 ;
  49.                     LED_CS11 = 1 ; //74HC595输出允许
  50.     LED_SEG = 0 ;  //数码管段选和位选禁止(因为它们和LED共用P0口)
  51.     LED_DIG = 0 ;
  52.     while(1)
  53.     {
  54.           LedProcess() ;
  55.           LedStateChange() ;
  56.     }
  57. }  

  58. void Time0Isr(void) interrupt 1
  59. {
  60.     TH0  =    0xfc ;            //定时器重新赋初值
  61.     TL0  =  0x66 ;
  62.     g_bSystemTime1Ms = 1 ;    //1MS时标标志位置位
  63. }
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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。
在大规模程序开发中,一个程序由很多个模块组成,很可能,这些模块的编写任务被分配到不同的人。而你在编写这个模块的时候很可能就需要利用到别人写好的模块的借口,这个时候我们关心的是,它的模块实现了什么样的接口,我该如何去调用,至于模块内部是如何组织的,对于我而言,无需过多关注。而追求接口的单一性,把不需要的细节尽可能对外部屏蔽起来,正是我们所需要注意的地方。
C语言头文件 *.h
    谈及到模块化编程,必然会涉及到多文件编译,也就是工程编译。在这样的一个系统中,往往会有多个C文件,而且每个C文件的作用不尽相同。在我们的C文件中,由于需要对外提供接口,因此必须有一些函数或者是变量提供给外部其它文件进行调用。
假设我们有一个LCD.C文件,其提供最基本的LCD的驱动函数
    LcdPutChar(char cNewValue) ;  //在当前位置输出一个字符
    而在我们的另外一个文件中需要调用此函数,那么我们该如何做呢?
    头文件的作用正是在此。可以称其为一份接口描述文件。其文件内部不应该包含任何实质性的函数代码。我们可以把这个头文件理解成为一份说明书,说明的内容就是我们的模块对外提供的接口函数或者是接口变量。同时该文件也包含了一些很重要的宏定义以及一些结构体的信息,离开了这些信息,很可能就无法正常使用接口函数或者是接口变量。但是总的原则是:不该让外界知道的信息就不应该出现在头文件里,而外界调用模块内接口函数或者是接口变量所必须的信息就一定要出现在头文件里,否则,外界就无法正确的调用我们提供的接口功能。因而为了让外部函数或者文件调用我们提供的接口功能,就必须包含我们提供的这个接口描述文件----即头文件。同时,我们自身模块也需要包含这份模块头文件(因为其包含了模块源文件中所需要的宏定义或者是结构体),好比我们平常所用的文件都是一式三份一样,模块本身也需要包含这个头文件。
下面我们来定义这个头文件,一般来说,头文件的名字应该与源文件的名字保持一致,这样我们便可以清晰的知道哪个头文件是哪个源文件的描述。
        于是便得到了LCD.C的头文件LCD.h 其内容如下。
        #ifndef    _LCD_H_
                #define     _LCD_H_
                extern   LcdPutChar(char cNewValue) ;
                #endif
这与我们在源文件中定义函数时有点类似。不同的是,在其前面添加了extern 修饰符表明其是一个外部函数,可以被外部其它模块进行调用。
        #ifndef     _LCD_H_
              #define     _LCD_H_
              #endif

      这个几条条件编译和宏定义是为了防止重复包含。假如有两个不同源文件需要调用LcdPutChar(char cNewValue)这个函数,他们分别都通过#include “Lcd.h”把这个头文件包含了进去。在第一个源文件进行编译时候,由于没有定义过 _LCD_H_ 因此 #ifndef _LCD_H_ 条件成立,于是定义_LCD_H_ 并将下面的声明包含进去。在第二个文件编译时候,由于第一个文件包含时候,已经将_LCD_H_定义过了。因此#ifndef _LCD_H_ 不成立,整个头文件内容就没有被包含。假设没有这样的条件编译语句,那么两个文件都包含了extern  LcdPutChar(char cNewValue) ; 就会引起重复包含的错误。
    不得不说的typedef  
    很多朋友似乎了习惯程序中利用如下语句来对数据类型进行定义
    #define uint  unsigned int  
        #define uchar  unsigned char
    然后在定义变量的时候 直接这样使用
  uint  g_nTimeCounter = 0 ;
    不可否认,这样确实很方便,而且对于移植起来也有一定的方便性。但是考虑下面这种情况你还会 这么认为吗?
    #define PINT unsigned int *  //定义unsigned int 指针类型
    PINT  g_npTimeCounter, g_npTimeState ;
    那么你到底是定义了两个unsigned int 型的指针变量,还是一个指针变量,一个整形变量呢?而你的初衷又是什么呢,想定义两个unsigned int 型的指针变量吗?如果是这样,那么估计过不久就会到处抓狂找错误了。
    庆幸的是C语言已经为我们考虑到了这一点。typedef 正是为此而生。为了给变量起一个别名我们可以用如下的语句
    typedef  unsigned  int    uint16 ;    //给指向无符号整形变量起一个别名 uint16
      typedef  unsigned  int  * puint16 ;  //给指向无符号整形变量指针起一个别名 puint16
    在我们定义变量时候便可以这样定义了:

  uint16    g_nTimeCounter  =  0 ;  //定义一个无符号的整形变量
  puint16  g_npTimeCounter  ;    //定义一个无符号的整形变量的指针
  在我们使用51单片机的C语言编程的时候,整形变量的范围是16位,而在基于32的微处理下的整形变量是32位。倘若我们在8位单片机下编写的一些代码想要移植到32位的处理器上,那么很可能我们就需要在源文件中到处修改变量的类型定义。这是一件庞大的工作,为了考虑程序的可移植性,在一开始,我们就应该养成良好的习惯,用变量的别名进行定义。
如在8位单片机的平台下,有如下一个变量定义
    uint16    g_nTimeCounter  =  0 ;
        如果移植32单片机的平台下,想要其的范围依旧为16位。
    可以直接修改uint16 的定义,即
    typedef  unsigned  short  int    uint16 ;  
        这样就可以了,而不需要到源文件处处寻找并修改。

将常用的数据类型全部采用此种方法定义,形成一个头文件,便于我们以后编程直接调用。
文件名 MacroAndConst.h
其内容如下:
#ifndef   _MACRO_AND_CONST_H_
#define   _MACRO_AND_CONST_H_

typedef    unsigned int    uint16;  
typedef    unsigned int   UINT;  
typedef    unsigned int   uint;  
typedef    unsigned int   UINT16;  
typedef    unsigned int   WORD;  
typedef    unsigned int   word;
typedef      int        int16;  
typedef      int        INT16;  
typedef    unsigned long  uint32;  

typedef    unsigned long     UINT32;  
typedef    unsigned long    DWORD;  
typedef    unsigned long    dword;  
typedef    long            int32;  
typedef    long            INT32;  
typedef    signed  char     int8;
typedef    signed  char     INT8;  
typedef    unsigned char      byte;  
typedef    unsigned char     BYTE;  
typedef    unsigned char     uchar;
typedef    unsigned char     UINT8;  
typedef    unsigned char    uint8;
typedef    unsigned char    BOOL;  

#endif
至此,似乎我们对于源文件和头文件的分工以及模块化编程有那么一点概念了。那么让我们趁热打铁,将上一章的我们编写的LED闪烁函数进行模块划分并重新组织进行编译。
在上一章中我们主要完成的功能是P0口所驱动的LED以1Hz的频率闪烁。其中用到了定时器,以及LED驱动模块。因而我们可以简单的将整个工程分成三个模块,定时器模块,LED模块,以及主函数
对应的文件关系如下
main.c   
Timer.h?Timer.c  --
Led.h?Led.c      --
在开始重新编写我们的程序之前,先给大家讲一下如何在KEIL中建立工程模板吧,这个模板是我一直沿用至今。希望能够给大家一点启发。
下面的内容就主要以图片为主了。同时辅以少量文字说明。我们以芯片AT89S52为例。





OK,到此一个简单的工程模板就建立起来了,以后我们再新建源文件和头文件的时候,就可以直接保存到src文件目录下面了。
下面我们开始编写各个模块文件。
首先编写Timer.c 这个文件主要内容就是定时器初始化,以及定时器中断服务函数。其内容如下。
#include <reg52.h>

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


void Timer0Init(void)
{
    TMOD &= 0xf0 ;
    TMOD |= 0x01 ;      //定时器0工作方式1
    TH0  =    0xfc ;      //定时器初始值
    TL0  =  0x66 ;
    TR0  = 1 ;
    ET0  = 1 ;
}

void Time0Isr(void) interrupt 1
{
    TH0  =    0xfc ;            //定时器重新赋初值
    TL0  =  0x66 ;
    g_bSystemTime1Ms = 1 ;    //1MS时标标志位置位
}
由于在Led.c文件中需要调用我们的g_bSystemTime1Ms变量。同时主函数需要调用Timer0Init()初始化函数,所以应该对这个变量和函数在头文件里作外部声明。以方便其它函数调用。
Timer.h 内容如下。
#ifndef _TIMER_H_
#define _TIMER_H_

extern void Timer0Init(void) ;
extern bit g_bSystemTime1Ms ;

#endif

完成了定时器模块后,我们开始编写LED驱动模块。
Led.c 内容如下:

#include <reg52.h>
#include "MacroAndConst.h"
#include "Led.h"
#include "Timer.h"

static uint16  g_u16LedTimeCount = 0 ; //LED计数器
static uint8  g_u8LedState = 0 ;      //LED状态标志, 0表示亮,1表示熄灭

#define LED P0            //定义LED接口
#define LED_ON()      LED = 0x00 ;  //所有LED亮
#define LED_OFF()    LED = 0xff ;  //所有LED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    ;
        }
    }
}


这个模块对外的借口只有两个函数,因此在相应的Led.h 中需要作相应的声明。
Led.h 内容:
#ifndef _LED_H_
#define _LED_H_

extern void LedProcess(void) ;
extern void LedStateChange(void) ;

#endif

这两个模块完成后,我们将其C文件添加到工程中。然后开始编写主函数里的代码。
如下所示:

#include <reg52.h>
#include "MacroAndConst.h"
#include "Timer.h"
#include "Led.h"

sbit LED_SEG  = P1^4;  //数码管段选
sbit LED_DIG  = P1^5;  //数码管位选
sbit LED_CS11 = P1^6;  //led控制位

void main(void)
{
        LED_CS11 = 1 ; //74HC595输出允许
    LED_SEG = 0 ;  //数码管段选和位选禁止(因为它们和LED共用P0口)
        LED_DIG = 0 ;
        Timer0Init() ;
        EA = 1 ;
        while(1)
      {
    LedProcess() ;
    LedStateChange() ;
      }
}
至此,第二章到此结束。
一起来总结一下我们需要注意的地方吧
1.    C语言源文件(*.c)的作用是什么
2.    C语言头文件(*.h)的作用是什么
3.    typedef 的作用
4.    工程模板如何组织
5.    如何创建一个多模块(多文件)的工程


第三章 按键程序编写的基础
从这一章开始,我们步入按键程序设计的殿堂。在基于单片机为核心构成的应用系统中,用户输入是必不可少的一部分。输入可以分很多种情况,譬如有的系统支持PS2键盘的接口,有的系统输入是基于编码器,有的系统输入是基于串口或者USB或者其它输入通道等等。在各种输入途径中,更常见的是,基于单个按键或者由单个键盘按照一定排列构成的矩阵键盘(行列键盘)。我们这一篇章主要讨论的对象就是基于单个按键的程序设计,以及矩阵键盘的程序编写。
◎按键检测的原理
常见的独立按键的外观如下,相信大家并不陌生,各种常见的开发板学习板上随处可以看到他们的身影。
总共有四个引脚,一般情况下,处于同一边的两个引脚内部是连接在一起的,如何分辨两个引脚是否处在同一边呢?可以将按键翻转过来,处于同一边的两个引脚,有一条突起的线将他们连接一起,以标示它们俩是相连的。如果无法观察得到,用数字万用表的二极管挡位检测一下即可。搞清楚这点非常重要,对于我们画PCB的时候的封装很有益。
它们和我们的单片机系统的I/O口连接一般如下:
对于单片机I/O内部有上拉电阻的微控制器而言,还可以省掉外部的那个上拉电阻。简单分析一下按键检测的原理。当按键没有按下的时候,单片机I/O通过上拉电阻R接到VCC,我们在程序中读取该I/O的电平的时候,其值为1(高电平); 当按键S按下的时候,该I/O被短接到GND,在程序中读取该I/O的电平的时候,其值为0(低电平) 。这样,按键的按下与否,就和与该按键相连的I/O的电平的变化相对应起来。结论:我们在程序中通过检测到该I/O口电平的变化与否,即可以知道按键是否被按下,从而做出相应的响应。一切看起来很美好,是这样的吗?
现实并非理想
在我们通过上面的按键检测原理得出上述的结论的时候,其实忽略了一个重要的问题,那就是现实中按键按下时候的电平变化状态。我们的结论是基于理想的情况得出来的,就如同下面这幅按键按下时候对应电平变化的波形图一样:
    而实际中,由于按键的弹片接触的时候,并不是一接触就紧紧的闭合,它还存在一定的抖动,尽管这个时间非常的短暂,但是对于我们执行时间以us为计算单位的微控制器来说,它太漫长了。因而,实际的波形图应该如下面这幅示意图一样。
这样便存在这样一个问题。假设我们的系统有这样功能需求:在检测到按键按下的时候,将某个I/O的状态取反。由于这种抖动的存在,使得我们的微控制器误以为是多次按键的按下,从而将某个I/O的状态不断取反,这并不是我们想要的效果,假如该I/O控制着系统中某个重要的执行的部件,那结果更不是我们所期待的。于是乎有人便提出了软件消除抖动的思想,道理很简单:抖动的时间长度是一定的,只要我们避开这段抖动时期,检测稳定的时候的电平不久可以了吗?听起来确实不错,而且实际应用起来效果也还可以。于是,各种各样的书籍中,在提到按键检测的时候,总也不忘说道软件消抖。就像下面的伪代码所描述的一样。(假设按键按下时候,低电平有效)
If(0 == io_KeyEnter)            //如果有键按下了
{
    Delayms(20) ;            //先延时20ms避开抖动时期
    If(0 == io_KeyEnter)        //然后再检测,如果还是检测到有键按下
    {
        return KeyValue ;          //是真的按下了,返回键值
    }
    else  
{
    return KEY_NULL        //是抖动,返回空的键值
}
    while(0 == io_KeyEnter) ;    //等待按键释放
}
所以合理的分配好微控制的处理时间,是编写按键程序的基础。?乍看上去,确实挺不错,实际中呢?在实际的系统中,一般是不允许这么样做的。为什么呢?首先,这里的Delayms(20) , 让微控制器在这里白白等待了20 ms 的时间,啥也没干,考虑我在《学会释放CPU》一章中所提及的几点,这是不可取的。其次while(0 == io_KeyEnter) ;更是程序设计中的大忌(极少的特殊情况例外)。任何非极端情况下,都不要使用这样语句来堵塞微控制器的执行进程。原本是等待按键释放,结果CPU就一直死死的盯住该按键,其它事情都不管了,那其它事情不干了吗?你同意别人可不会同意
消除抖动有必要吗?的确,软件上的消抖确实可以保证按键的有效检测。但是,这种消抖确实有必要吗?有人提出了这样的疑问。抖动是按键按下的过程中产生的,如果按键没有按下,抖动会产生吗?如果没有按键按下,抖动也会在I/O上出现,我会立刻把这个微控制器锤了,永远不用这样一款微控制器。所以抖动的出现即意味着按键已经按下,尽管这个电平还没有稳定。所以只要我们检测到按键按下,即可以返回键值,问题的关键是,在你执行完其它任务的时候,再次执行我们的按键任务的时候,抖动过程还没有结束,这样便有可能造成重复检测。所以,如何在返回键值后,避免重复检测,或者在按键一按下就执行功能函数,当功能函数的执行时间小于抖动时间时候,如何避免再次执行功能函数,就成为我们要考虑的问题了。这是一个仁者见仁,智者见智的问题,就留给大家去思考吧。所以消除抖动的目的是:防止按键一次按下,多次响应。


第四章 基于状态转移的独立按键程序设计

有一个小液晶屏,还有四个按键,功能是时钟,闹钟以及秒表。在调整时间的时候,短按+键每次调整值加一,长按的时候调整值连续增加。小的时候很好奇,这样的功能到底是如何实现的呢,今天就让我们来剖析它的原理吧。
本章所描述的按键程序要达到的目的:检测按键按下,短按,长按,释放。即通过按键的返回值我们可以获取到如下的信息:按键按下(短按),按键长按,按键连_发,按键释放。不知道大家还记得小时候玩过的电子钟没有,就是外形类似于CALL 机(CALL 机,好像是很古老的东西了。
状态在生活中随处可见。譬如早上的时候,闹钟把你叫醒了,这个时候,你便处于清醒的状态,马上你就穿衣起床洗漱吃早餐,这一系列事情就是你在这个状态做的事情。做完这些后你会去等车或者开车去上班,这个时候你就处在上班途中的状态…..中午下班时间到了,你就处于中午下班的状态,诸如此类等等,在每一个状态我们都会做一些不同的事情,而总会有外界条件促使我们转换到另外一种状态,譬如闹钟叫醒我们了,下班时间到了等等。对于状态的定义出发点不同,考虑的方向不同,或者会有些许细节上面的差异,但是大的状态总是相同的。生活中的事物同样遵循同样的规律,譬如,用一个智能充电器给你的手机电池充电,刚开始,它是处于快速充电状态,随着电量的增加,电压的升高,当达到规定的电压时候,它会转换到恒压充电。总而言之,细心观察,你会发现生活中的总总都可以归结为一个个的状态,而状态的变换或者转移总是由某些条件引起同时伴随着一些动作的发生。我们的按键亦遵循同样的规律,下面让我们来简单的描绘一下它的状态流程转移图。

下面对上面的流程图进行简要的分析。
首先按键程序进入初始状态S1,在这个状态下,检测按键是否按下,如果有按下,则进入按键消抖状态2,在下一次执行按键程序时候,直接由按键消抖状态进入按键按下状态3,在此状态下检测按键是否按下,如果没有按键按下,则返回初始状态S1,如果有则可以返回键值,同时进入长按状态S4,在长按状态下每次进入按键程序时候对按键时间计数,当计数值超过设定阈值时候,则表明长按事件发生,同时进入按键连_发状态S5。如果按键键值为空键,则返回按键释放状态S6,否则继续停留在本状态。在按键连_发状态下,如果按键键值为空键则返回按键释放状态S6,如果按键时间计数超过连_发阈值,则返回连_发按键值,清零时间计数后继续停留在本状态。
看了这么多,也许你已经有一个模糊的概念了,下面让我们趁热打铁,一起来动手编写按键驱动程序吧。
下面是我使用的硬件的连接图。
硬件连接很简单,四个独立按键分别接在P3^0------P3^3四个I/O上面。
因为51单片机I/O口内部结构的限制,在读取外部引脚状态的时候,需要向端口写1.在51单片机复位后,不需要进行此操作也可以进行读取外部引脚的操作。因此,在按键的端口没有复用的情况下,可以省略此步骤。而对于其它一些真正双向I/O口的单片机来说,将引脚设置成输入状态,是必不可少的一个步骤。
下面的程序代码初始化引脚为输入。
void KeyInit(void)
{
    io_key_1 = 1 ;
    io_key_2 = 1 ;
    io_key_3 = 1 ;
    io_key_4 = 1 ;            
}
根据按键硬件连接定义按键键值
#define KEY_VALUE_1              0x0e
#define KEY_VALUE_2              0x0d
#define KEY_VALUE_3                0x0b
#define KEY_VALUE_4                0x07
#define KEY_NULL                    0x0f
下面我们来编写按键的硬件驱动程序。
根据第一章所描述的按键检测原理,我们可以很容易的得出如下的代码:
static uint8 KeyScan(void)
{
    if(io_key_1 == 0)return KEY_VALUE_1 ;
    if(io_key_2 == 0)return KEY_VALUE_2 ;
    if(io_key_3 == 0)return KEY_VALUE_3 ;
    if(io_key_4 == 0)return KEY_VALUE_4 ;
    return KEY_NULL ;
}
其中io_key_1等是我们按键端口的定义,如下所示:
sbit io_key_1 = P3^0 ;
sbit io_key_2 = P3^1 ;
sbit io_key_3 = P3^2 ;
sbit io_key_4 = P3^3 ;
KeyScan()作为底层按键的驱动程序,为上层按键扫描提供一个接口,这样我们编写的上层按键扫描函数可以几乎不用修改就可以拿到我们的其它程序中去使用,使得程序复用性大大提高。同时,通过有意识的将与底层硬件连接紧密的程序和与硬件无关的代码分开写,使得程序结构层次清晰,可移植性也更好。对于单片机类的程序而言,能够做到函数级别的代码重用已经足够了。
在编写我们的上层按键扫描函数之前,需要先完成一些宏定义。
//定义长按键的TICK数,以及连_发间隔的TICK数
#define KEY_LONG_PERIOD        100
#define KEY_CONTINUE_PERIOD    25

//定义按键返回值状态(按下,长按,连_发,释放)
#define KEY_DOWN                0x80
#define KEY_LONG                    0x40
#define KEY_CONTINUE            0x20
#define KEY_UP                  0x10

//定义按键状态
#define KEY_STATE_INIT            0
#define KEY_STATE_WOBBLE            1
#define KEY_STATE_PRESS            2
#define KEY_STATE_LONG            3
#define KEY_STATE_CONTINUE      4
#define KEY_STATE_RELEASE        5
接着我们开始编写完整的上层按键扫描函数,按键的短按,长按,连按,释放等等状态的判断均是在此函数中完成。对照状态流程转移图,然后再看下面的函数代码,可以更容易的去理解函数的执行流程。完整的函数代码如下:

void GetKey(uint8 *pKeyValue)
{
    static uint8 s_u8KeyState = KEY_STATE_INIT ;
    static uint8 s_u8KeyTimeCount = 0 ;
    static uint8 s_u8LastKey = KEY_NULL ;  //保存按键释放时候的键值
    uint8 KeyTemp = KEY_NULL ;

    KeyTemp = KeyScan() ;        //获取键值

    switch(s_u8KeyState)
    {
        case KEY_STATE_INIT :
                {
                    if(KEY_NULL != (KeyTemp))
                    {
                        s_u8KeyState = KEY_STATE_WOBBLE ;
                    }
                }
        break ;

        case KEY_STATE_WOBBLE :      //消抖
                {
                    s_u8KeyState = KEY_STATE_PRESS ;     
                }
        break ;

        case KEY_STATE_PRESS :
                {
                    if(KEY_NULL != (KeyTemp))
                    {
                        s_u8LastKey = KeyTemp ; //保存键值,以便在释放按键状态返回键值
                        KeyTemp |= KEY_DOWN ;  //按键按下
                        s_u8KeyState = KEY_STATE_LONG ;
                    }
                    else
                    {
                        s_u8KeyState = KEY_STATE_INIT ;
                    }
                }
        break ;

        case KEY_STATE_LONG :
                {
                    if(KEY_NULL != (KeyTemp))
                    {
                        if(++s_u8KeyTimeCount > KEY_LONG_PERIOD)
                        {
                            s_u8KeyTimeCount = 0 ;
                            KeyTemp |= KEY_LONG ;  //长按键事件发生
                            s_u8KeyState = KEY_STATE_CONTINUE ;
                        }
                    }
                    else
                    {
                        s_u8KeyState = KEY_STATE_RELEASE ;
                    }
                }
        break ;

        case KEY_STATE_CONTINUE :
                {
                    if(KEY_NULL != (KeyTemp))
                    {
                        if(++s_u8KeyTimeCount > KEY_CONTINUE_PERIOD)
                        {
                            s_u8KeyTimeCount = 0 ;
                            KeyTemp |= KEY_CONTINUE ;
                        }
                    }
                    else
                    {
                        s_u8KeyState = KEY_STATE_RELEASE ;
                    }
                }
        break ;

        case KEY_STATE_RELEASE :
                {
                    s_u8LastKey |= KEY_UP ;
                    KeyTemp = s_u8LastKey ;
                    s_u8KeyState = KEY_STATE_INIT ;
                }
        break ;

        default : break ;
    }
    *pKeyValue = KeyTemp ; //返回键值     
}
  关于这个函数内部的细节我并不打算花过多笔墨去讲解。对照着按键状态流程转移图,然后去看程序代码,你会发现其实思路非常清晰。最能让人理解透彻的,莫非就是将整个程序自己看懂,然后想象为什么这个地方要这样写,抱着思考的态度去阅读程序,你会发现自己的程序水平会慢慢的提高。所以我更希望的是你能够认认真真的看完,然后思考。也许你会收获更多。
不管怎么样,这样的一个程序已经完成了本章开始时候要求的功能:按下,长按,连按,释放。事实上,如果掌握了这种基于状态转移的思想,你会发现要求实现其它按键功能,譬如,多键按下,功能键等等,亦相当简单,在下一章,我们就去实现它。
在主程序中我编写了这样的一段代码,来演示我实现的按键功能。
void main(void)
{     
    uint8 KeyValue = KEY_NULL;
    uint8 temp = 0 ;
      LED_CS11 = 1 ; //流水灯输出允许
    LED_SEG = 0 ;
    LED_DIG = 0 ;
    Timer0Init() ;
    KeyInit() ;
    EA = 1 ;
    while(1)
    {
        Timer0MainLoop() ;
        KeyMainLoop(&KeyValue) ;
         
        if(KeyValue == (KEY_VALUE_1 | KEY_DOWN)) P0 = ~1 ;
        if(KeyValue == (KEY_VALUE_1 | KEY_LONG)) P0 = ~2 ;
        if(KeyValue == (KEY_VALUE_1 | KEY_CONTINUE)) { P0 ^= 0xf0;}
        if(KeyValue == (KEY_VALUE_1 | KEY_UP)) P0 = 0xa5 ;
    }

}
    按住第一个键,可以清晰的看到P0口所接的LED的状态的变化。当按键按下时候,第一个LED灯亮,等待2 S后第二个LED亮,第一个熄灭,表示长按事件发生。再过500 ms 第5~8个LED闪烁,表示连按事件发生。当释放按键时候,P0口所接的LED的状态为:
灭亮灭亮亮灭亮灭,这也正是P0 = 0xa5这条语句的功能。



第五章--多任务环境下的数码管编程设计
   数码管在实际应用中非常广泛,尤其是在某些对成本有限制的场合。编写一个好用的LED程序并不是那么的简单。曾经有人这样说过,如果用数码管和按键,做一个简易的可以调整的时钟出来,那么你的单片机就算入门了60%了。此话我深信不疑。我遇到过很多单片机的爱好者,他们问我说单片机我已经掌握了,该如何进一步的学习下去呢?我并不急于回答他们的问题,而是问他们:会编写数码管的驱动程序了吧?“嗯”。会编写按键程序了吧?“嗯”。好,我给你出一个小题目,你做一下。用按键和数码管以及单片机定时器实现一个简易的可以调整的时钟,要求如下:
8位数码管显示,显示格式如下
时-分-秒
XX-XX-XX
要求:系统有四个按键,功能分别是 调整,加,减,确定。在按下调整键时候,显示时的两位数码管以1 Hz 频率闪烁。如果再次按下调整键,则分开始闪烁,时恢复正常显示,依次循环,直到按下确定键,恢复正常的显示。在数码管闪烁的时候,按下加或者减键可以调整相应的显示内容。按键支持短按,和长按,即短按时,修改的内容每次增加一或者减小一,长按时候以一定速率连续增加或者减少。
结果很多人,很多爱好者一下子都理不清楚思路。其实问题的根源在于没有以工程化的角度去思考程序的编写。很多人在学习数码管编程的时候,都是照着书上或者网上的例子来进行试验。殊不知,这些例子代码仅仅只是具有一个演示性的作用,拿到实际中是很难用的。举一个简单的例子。
下面这段程序是在网上随便搜索到的:
while(1)  
{  
    for(num=0;num<9;num++)   
    {   
            P0=table[num];   
            P2=code[num] ;   
            delayms(2) ;     
    }  
}
看出什么问题来了没有,如果没有看出来请仔细想一下,如果还没有想出来,请回过头去,认真再看一遍“学会释放CPU”这一章的内容。这个程序作为演示程序是没有什么问题的,但是实际应用的时候,数码管显示的内容经常变化,而且还有很多其它任务需要执行,因此这样的程序在实际中是根本就无法用的,更何况,它这里也调用了delayms(2)这个函数来延时2 ms这更是令我们深恶痛绝 。
本章的内容正是探讨如何解决多任务环境下(不带OS)的数码管程序设计的编写问题。理解了其中的思想,无论要求我们显示的形式怎么变化(如数码管闪烁,移位等),我们都可以很方便的解决问题。
数码管的显示分为动态显示和静态显示两种。静态显示是每一位数码管都用一片独立的驱动芯片进行驱动。比较常见的有74LS164,74HC595等。利用这类芯片的好处就是可以级联,留给单片机的接口只需要时钟线,数据线,因此比较节省I/O口。如下图所示:
利用74LS164级联驱动8个单独的数码管
静态显示的优点是程序编写简单。但是由于涉及到的驱动芯片数量比较多,同时考虑到PCB的布线等等因素,在低成本要求的开发环境下,单纯的静态驱动并不合适。这个时候就可以考虑到动态驱动了。动态驱动的图如下所示(以EE21开发板为例)
由上图可以看出。8个数码管的段码由一个单独的74HC573驱动。同时每一个数码管的公共端连接在另外一个74HC573的输出上。当送出第一位数码管的段码内容时候,同时选通第一位数码管的位选,此时,第一位数码管就显示出相应的内容了。一段时间之后,送出第二位数码管段码的内容,选通第二位数码管的位选,这时显示的内容就变成第二位数码管的内容了……依次循环下去,就可以看到了所有数码管同时显示了。事实上,任意时刻,只有一位数码管是被点亮的。由于人眼的视觉暂留效应以及数码管的余辉效应,当数码管扫描的频率非常快的时候,人眼已经无法分辨出数码管的变化了,看起来就是同时点亮的。我们假设数码管的扫描频率为50 Hz, 则完成一轮扫描的时间就是1 / 50 = 20 ms 。我们的系统共有8位数码管,则每一位数码管在一轮扫描周期中点亮的时间为20 / 8 = 2.5 ms 。动态扫描对时间要求有一点点严格,否则,就会有明显的闪烁。
假设我们程序 中所有任务如下:

while(1)
{
    LedDisplay() ;    //数码管动态扫描  
    ADProcess() ;    //AD采集处理   
    TimerProcess() ;  //时间相关处理   
    DataProcess() ;  //数据处理     
}
LedDisplay() 这个任务的执行时间,如同我们刚才计算的那样,50 Hz频率扫描,则该函数执行的时间为20 ms 。 假设ADProcess()这个任务执行的的时间为2 ms ,TimerProcess()这个函数执行的时间为 1 ms ,DataProcess() 这个函数执行的时间为10 ms 。 那么整个主函数执行一遍的总时间为 20 + 2 + 1 + 10 = 33 ms 。即LedDisplay() 这个函数的扫描频率已经不为50 Hz 了,而是 1 / 33 = 30.3 Hz 。这个频率数码管已经可以感觉到闪烁了,因此不符合我们的要求。为什么会出现这种情况呢? 我们刚才计算的50 Hz 是系统只有LedDisplay()这一个任务的时候得出来的结果。当系统添加了其它任务后,当然系统循环执行一次的总时间就增加了。如何解决这种现象了,还是离不开我们第二章所讲的那个思想。
系统产生一个2.5 ms 的时标消息。LedDisplay() , 每次接收到这个消息的时候, 扫描一位数码管。这样8个时标消息过后,所有的数码管就都被扫描一遍了。可能有朋友会有这样的疑问:ADProcess() 以及 DataProcess() 等函数执行的时间还是需要十几ms 啊,在这十几ms 的时间里,已经产生好几个2.5 ms的时标消息了,这样岂不是漏掉了扫描,显示起来还是会闪烁。能够想到这一点,很不错,这也就是为什么我们要学会释放CPU的原因。对于ADProcess(),TimerProcess(),DataProcess(),等任务我们依旧要采取此方法对CPU进行释放,使其执行的时间尽可能短暂,关于如何做到这一点,在以后的讲解如何设计多任务程序设计的时候会讲解到。
下面我们基于此思路开始编写具体的程序。
首先编写Timer.c文件。该文件中主要为系统提供时间相关的服务。必要的头文件包含。
#include <reg52.h>
#include "MacroAndConst.h"
为了方便计算,我们取数码管扫描一位的时间为2 ms。设置定时器0为2 ms中断一次。同时声明一个位变量,作为2 ms时标消息的标志。
bit g_bSystemTime2Ms = 0 ;              // 2msLED动态扫描时标消息   
初始化定时器0  
void Timer0Init(void)  
{
    TMOD &= 0xf0 ;   
    TMOD |= 0x01 ;      //定时器0工作方式1  
    TH0  =    0xf8 ;      //定时器初始值  
    TL0  =  0xcc ;   
    TR0  = 1 ;   
    ET0  = 1 ;   
}
在定时器0中断处理程序中,设置时标消息。
void Time0Isr(void) interrupt 1
{
    TH0  =    0xf8 ;            //定时器重新赋初值
    TL0  =  0xcc ;
    g_bSystemTime2Ms = 1 ;    //2MS时标标志位置位
}
然后我们开始编写数码管的动态扫描函数。
新建一个C源文件,并包含相应的头文件。
#include <reg52.h>
#include "MacroAndConst.h"
#include "Timer.h"
先开辟一个数码管显示的缓冲区。动态扫描函数负责从这个缓冲区中取出数据,并扫描显示。而其它函数则可以修改该缓冲区,从而改变显示的内容。
uint8 g_u8LedDisplayBuffer[8] = {0} ; //显示缓冲区
然后定义共阳数码管的段码表以及相应的硬件端口连接。
code uint8 g_u8LedDisplayCode[]=
{
    0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,
    0x80,0x90,0x88,0x83,0xC6,0xA1,0x86,0x8E,
    0xbf, //'-'号代码
} ;

sbit io_led_seg_cs = P1^4 ;
sbit io_led_bit_cs = P1^5 ;

#define LED_PORT P0

再分别编写送数码管段码函数,以及位选通函数。
static void SendLedSegData(uint8 dat)
{
    LED_PORT      = dat ;     
    io_led_seg_cs = 1 ;        //开段码锁存,送段码数据
    io_led_seg_cs = 0 ;
}

static void SendLedBitData(uint8 dat)
{
    uint8 temp ;
    temp = (0x01 << dat ) ;  //根据要选通的位计算出位码
    LED_PORT      = temp ;
    io_led_bit_cs = 1 ;          //开位码锁存,送位码数据     
    io_led_bit_cs = 0 ;         
}

下面的核心就是如何编写动态扫描函数了。
如下所示:


void LedDisplay(uint8 * pBuffer)
{
    static uint8 s_LedDisPos = 0 ;
    if(g_bSystemTime2Ms)
    {
        g_bSystemTime2Ms = 0 ;

        SendLedBitData(8) ;        //消隐,只需要设置位选不为0~7即可

        if(pBuffer[s_LedDisPos] == '-')      //显示'-'号
        {
            SendLedSegData(g_u8LedDisplayCode[16]) ;            
        }
        else     
        {
            SendLedSegData(g_u8LedDisplayCode[pBuffer[s_LedDisPos]]) ;
        }

        SendLedBitData(s_LedDisPos);

        if(++s_LedDisPos > 7)
        {
            s_LedDisPos = 0 ;     
        }     
    }         
}
函数内部定义一个静态的变量s_LedDisPos,用来表示扫描数码管的位置。每当我们执行该函数一次的时候,s_LedDisPos的值会自加1,表示下次扫描下一个数码管。然后判断g_bSystemTime2Ms时标消息是否到了。如果到了,就开始执行相关扫描,否则就直接跳出函数。SendLedBitData(8) ;的作用是消隐。因为我们的系统的段选和位选是共用P0口的。在送段码之前,必须先关掉位选,否则,因为上次位选是选通的,在送段码的时候会造成相应数码管的点亮,尽管这个时间很短暂。但是因为我们的数码管是不断扫描的,所以看起来还是会有些微微亮。为了消除这种影响,就有必要再送段码数据之前关掉位选。
if(pBuffer[s_LedDisPos] == '-')      //显示'-'号这行语句是为了显示’-’符号特意加上去的,大家可以看到在定义数码管的段码表的时候,我多加了一个字节的代码0xbf:
code uint8 g_u8LedDisplayCode[]=
{
    0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,
    0x80,0x90,0x88,0x83,0xC6,0xA1,0x86,0x8E,
    0xbf, //'-'号代码
} ;
通过SendLedSegData(g_u8LedDisplayCode[pBuffer[s_LedDisPos]]) ;送出相应的段码数据后,然后通过SendLedBitData(s_LedDisPos);打开相应的位选。这样对应的数码管就被点亮了。
if(++s_LedDisPos > 7)
{
    s_LedDisPos = 0 ;     
}
然后s_LedDisPos自加1,以便下次执行本函数时,扫描下一个数码管。因为我们的系统共有8个数码管,所以当s_LedDisPos > 7后,要对其进行清0 。否则,没有任何一个数码管被选中。这也是为什么我们可以用。
SendLedBitData(8) ;        //消隐,只需要设置位选不为0~7即可
对数码管进行消隐操作的原因。
下面我们来编写相应的主函数,并实现数码管上面类似时钟的效果,如显示10-20-30 ,即10点20分30秒。
Main.c
#include <reg52.h>
#include "MacroAndConst.h"
#include "Timer.h"
#include "Led7Seg.h"

sbit io_led = P1^6 ;

void main(void)
{
        io_led = 0 ;      //发光二极管与数码管共用P0口,这里禁止掉发光二极管的锁存输出
        Timer0Init() ;
        g_u8LedDisplayBuffer[0] = 1 ;
        g_u8LedDisplayBuffer[1] = 0 ;
        g_u8LedDisplayBuffer[2] = '-' ;
        g_u8LedDisplayBuffer[3] = 2 ;
        g_u8LedDisplayBuffer[4] = 0 ;
        g_u8LedDisplayBuffer[5] = '-' ;
        g_u8LedDisplayBuffer[6] = 3 ;
        g_u8LedDisplayBuffer[7] = 0 ;
        EA = 1 ;
        while(1)
        {
            LedDisplay(g_u8LedDisplayBuffer) ;
        }
}
将整个工程进行编译,看看效果如何
动起来,既然我们想要模拟一个时钟,那么时钟肯定是要走动的,不然还称为什么时钟撒。下面我们在前面的基础之上,添加一点相应的代码,让我们这个时钟走动起来。
我们知道,之前我们以及设置了一个扫描数码管用到的2 ms时标。 如果我们再对这个时标进行计数,当计数值达到500,即500 * 2 = 1000 ms 时候,即表示已经逝去了1 S的时间。我们再根据这个1 S的时间更新显示缓冲区即可。听起来很简单,让我们实现它吧。
首先在Timer.c中声明如下两个变量:
bit g_bTime1S = 0 ;                      //时钟1S时标消息
static uint16 s_u16ClockTickCount = 0 ;  //对2 ms 时标进行计数
再在定时器中断函数中添加如下代码:
    if(++s_u16ClockTickCount == 500)
    {
        s_u16ClockTickCount = 0 ;
        g_bTime1S = 1 ;         
    }
从上面可以看出,s_u16ClockTickCount计数值达到500的时候,g_bTime1S时标消息产生。然后我们根据这个时标消息刷新数码管显示缓冲区:
void RunClock(void)
{
    if(g_bTime1S )
    {
        g_bTime1S = 0 ;
        if(++g_u8LedDisplayBuffer[7] == 10)
        {
            g_u8LedDisplayBuffer[7] = 0 ;
            if(++g_u8LedDisplayBuffer[6] == 6)
            {
                g_u8LedDisplayBuffer[6] = 0 ;
                if(++g_u8LedDisplayBuffer[4] == 10)
                {
                    g_u8LedDisplayBuffer[4]    = 0 ;
                    if(++g_u8LedDisplayBuffer[3] == 6)
                    {
                        g_u8LedDisplayBuffer[3] = 0 ;
                        if(    g_u8LedDisplayBuffer[0]<2)
                        {
                            if(++g_u8LedDisplayBuffer[1]==10)
                            {  
                                g_u8LedDisplayBuffer[1] = 0 ;
                                g_u8LedDisplayBuffer[0]++;
                            }   
                        }
                        else
                        {
                            if(++g_u8LedDisplayBuffer[1]==4)
                            {  
                                g_u8LedDisplayBuffer[1] = 0 ;
                                g_u8LedDisplayBuffer[0] = 0 ;
                            }   
                        }     
                    }
                }
            }

        }
    }         
}
这个函数的作用就是对每个数码管缓冲位的值进行判断,判断的标准就是我们熟知的24小时制。如秒的个位到了10 就清0,同时秒的十位加1….诸如此类,我就不一一详述了。同时,我们再编写一个时钟初始值设置函数,这样,可以很方便的在主程序开始的时候修改时钟初始值。
void SetClock(uint8 nHour, uint8 nMinute, uint8 nSecond)
{
    g_u8LedDisplayBuffer[0] = nHour / 10 ;
    g_u8LedDisplayBuffer[1] = nHour % 10 ;
    g_u8LedDisplayBuffer[2] = '-' ;
    g_u8LedDisplayBuffer[3] = nMinute / 10 ;
    g_u8LedDisplayBuffer[4] = nMinute % 10 ;
    g_u8LedDisplayBuffer[5] = '-' ;
    g_u8LedDisplayBuffer[6] = nSecond / 10 ;
    g_u8LedDisplayBuffer[7] = nSecond % 10 ;            
}
然后修改下我们的主函数如下:
void main(void)
{
    io_led = 0 ;      //发光二极管与数码管共用P0口,这里禁止掉发光二极管的锁存输出
    Timer0Init() ;
    SetClock(10,20,30) ;  //设置初始时间为10点20分30秒
    EA = 1 ;
    while(1)
    {
        LedDisplay(g_u8LedDisplayBuffer) ;
        RunClock();  
    }
}
编译好之后,下载到我们的实验板上,怎么样,一个简单的时钟就这样诞生了。
至此,本章所诉就告一段落了。至于如何完成数码管的闪烁显示,就像本章开头所说的那个数码管时钟的功能,就作为一个思考的问题留给大家思考吧。
同时整个LED篇就到此结束了,在以后的文章中,我们将开始学习如何编写实用的按键扫描程序。



第六章----渐明渐暗的灯
看着学习板上的LED按照我们的意愿开始闪烁起来,你心里是否高兴了,我相信你会的。但是很快你就会感觉到太单调,总是同一个频率在闪烁,总是同一个亮度在闪烁。如果要是能够由暗逐渐变亮,然后再由亮变暗该多漂亮啊。嗯,想法不错,可以该从什么地方入手呢。
在开始我们的工程之前,首先来了解一个概念:PWM。
PWM(Pulse Width Modulation)是脉冲宽度调制的英文单词的缩写。下面这段话是通信百科中对其的定义:
脉冲宽度调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术,广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉宽调制是开关型稳压电源中的术语。这是按稳压的控制方式分类的,除了PWM型,还有PFM型和PWM、PFM混合型。脉宽调制式开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下,通过电压反馈调整其占空比,从而达到稳定输出电压的目的。
读起来有点晦涩难懂。其实简单的说来,PWM技术就是通过调整一个周期固定的方波的占空比,来调节输出电压的平均当电压,电流或者功率等被控量。我们可以用一个水龙头来类比,把1S时间分成50等份,即每一个等份20MS。在这20MS时间里如果我们把水龙头水阀一直打开,那么在这20MS里流过的水肯定是最多的,如果我们把水阀打开15MS,剩下的5MS关闭水阀,那么流出的水相比刚才20MS全开肯定要小的多。同样的道理,我们可以通过控制20MS时间里水阀开启的时间的长短来控制流过的水的多少。那么在1S内平均流出的水流量也就可以被控制了。
当我们调整PWM的占空比时,就会引起电压或者电流的改变,LED的明暗状态就会随之发生相应的变化,听起来好像可以通过这种方法来实现我们想要的渐明渐暗的效果。让我们来试一下吧。
大家都知道人眼有一个临界频率,当LED的闪烁频率达到一定的时候,人眼就分辨不出LED是否在闪烁了。就像我们平常看电视一样,看起来画面是连续的,实质不是这个样子,所有连续动作都是一帧帧静止的画面在1S的时间里快速播放出来,譬如每秒24帧的速度播放,由于人眼的视觉暂留效应,看起来画面就是连续的了。同样的道理,为了让我们的LED在变化的过程中,我们感觉不到其在闪烁,可以将其闪烁的频率定在50Hz以上。同时为了看起来明暗过渡的效果更加明显,我们在这里定义其变化范围为0~99(100等分).即最亮的时候其灰度等级为99,为0的时候最暗,也就是熄灭了。
于是乎我们定义PWM的占空比上限为99, 下限定义为0
#define  LED_PWM_LIMIT_MAX    99
#define  LED_PWM_LIMIT_MIN      0
假定我们LED的闪烁频率为50HZ,而亮度变化的范围为0~99共100等分。则每一等分所占用的时间为 1/(50*100)  =  200us 即我们在改变LED的亮灭状态时,应该是在200us整数倍时刻时。在这里我们用单片机的定时器产生200us的中断,同时每20MS调整一次LED的占空比。这样在20MS * 100 = 2S的时间内LED可以从暗逐渐变亮,在下一个2S内可以从亮逐渐变暗,然后不断循环。
由于大部分的内容都可以在中断中完成,因此,我们的大部分代码都在Timer.c这个文件中编写,主函数中除了初始化之外,就是一个空的死循环。

Timer.c内容如下。
#include <reg52.h>
#include "MacroAndConst.h"

#define LED P0            //定义LED接口
#define LED_ON()      LED = 0x00 ;  //所有LED亮
#define LED_OFF()    LED = 0xff ;  //所有LED熄灭

#define  LED_PWM_LIMIT_MAX    99  
#define  LED_PWM_LIMIT_MIN      0

static uint8 s_u8TimeCounter = 0 ; //中断计数
static uint8 s_u8LedDirection = 0 ; //LED方向控制 0 :渐亮 1 :渐灭
static int8  s_s8LedPWMCounter  = 0 ; //LED占空比
void Timer0Init(void)
{
    TMOD &= 0xf0 ;
    TMOD |= 0x01 ;     //定时器0工作方式1
    TH0  =     0xff ;     //定时器初始值(200us中断一次)
    TL0  =  0x47 ;
    TR0  = 1 ;
    ET0  = 1 ;
}

void Time0Isr(void) interrupt 1
{      
    static int8 s_s8PWMCounter = 0  ;
    TH0  =     0xff ;           //定时器重新赋初值
    TL0  =  0x47 ;

    if(++s_u8TimeCounter >= 100) //每20MS调整一下LED的占空比
    {
        s_u8TimeCounter = 0 ;
        //如果是渐亮方向变化,则占空比递增
         if((s_s8LedPWMCounter <= LED_PWM_LIMIT_MAX) &&(0 == s_u8LedDirection))
        {
            s_s8LedPWMCounter++  ;
            if(s_s8LedPWMCounter > LED_PWM_LIMIT_MAX)
            {
                s_u8LedDirection = 1 ;
                s_s8LedPWMCounter =  LED_PWM_LIMIT_MAX ;                 
            }            
        }
        //如果是渐暗方向变化,则占空比递渐
                if((s_s8LedPWMCounter >= LED_PWM_LIMIT_MIN) &&(1 == s_u8LedDirection))
                                                                                                
        {
            s_s8LedPWMCounter-- ;
            if(s_s8LedPWMCounter < LED_PWM_LIMIT_MIN)
            {
                s_u8LedDirection = 0 ;
                s_s8LedPWMCounter =  LED_PWM_LIMIT_MIN ;                 
            }     
        }
        s_s8PWMCounter = s_s8LedPWMCounter ;  //获取LED的占空比
    }

    if(s_s8PWMCounter > 0) //占空比大于0,则点亮LED,否则熄灭LED
    {
        LED_ON() ;
        s_s8PWMCounter-- ;
    }
    else
    {
        LED_OFF();     
    }

}
其实PWM技术在我们实际生活中应用的非常多。比较典型的应用就是控制电机的转速,控制充电电流的大小,等等。而随着技术的发展,也出现了其他类型的PWM技术,如相电压PWM,线电压PWM,SPWM等等,如果有兴趣可以到网上去获取相应资料学习。关于渐明渐暗的灯就简单的讲到这里。


第七章 一个有关0.0625℃的运算想到的问题

碰到一哥们号称挺NB的嵌入软件工程师,看了他的代码后就欧拉,事情是在一个只有4K代码的单片机接2个DS18B20测温传感器,都知道DS18B20输出数据只要乘以0.0625就是测量的温度值,这哥们说程序空间怎么也不够,实际上程序只有简单的采集两个DS18B20的数据转换成温度值,之后在1602液晶上显示,挺简单个程序,怎么也想不通为什么程序空间不够。只读了一下代码发现程序就没动脑子,真的用浮点库把DS18B20数据直接乘以0.0625了,那程序不超才怪呢,稍微动动脑子也会知道0.0625不就是1/16吗,把DS18B20的数据直接右移4位不就是了(当然要注意符号),这右移程序可十分简单还省空间,问题很好解决,空间自然也就够了。
现在想来嵌入处理器确实是进步了,程序空间是越来越大,数据RAM空间也越来越大,导致很多人在写程序的时候真的是什么都不顾,借着C语言的灵活性真是纵横驰骋,压根也不讲个程序效率和可靠性。正如前些日子见到一孩子用ARM cortex-m3处理器给人接活写个便携表的1024点FFT算法,本身12位的AD系统,这小家伙直接到网上下载了浮点的FFT算法代码就给人加上了,结果整个程序死慢死慢的,人家用户可不买单啊,这时要动动脑子把数据直接变成乘以某个数变成整数后用定点FFT处理,之后再把数据除一下不就行了。速度自然也快了,而且也能省下空间。实际当中我们做嵌入软件很多时候犯懒都忽视程序执行效率问题,是都能实现功能,但有时候就是没法谈性能。我几次碰到这样的工程师,直接把传感器的信号放大后进嵌入处理器的AD,也不看看AD数据是否稳定有效,直接就进行FFT运算,那FFT结果真是热闹,不难看出混叠很严重,于是又机械地在FFT基础上再去衍生算法,系统程序越做越大,速度越做越慢。实际上也很简单的事,在传感器放大信号进AD之前来一级抗混叠滤波基本也就解决了,大有所谓嵌入软件高手的概念是程序几乎是万能,实在解决不了就换大程序空间更高速的处理器,整个恶性循环。
经常听说现在流行低碳族,我想出色的嵌入软件工程师最容易成为低碳一族,只要让代码高效那处理器频率自然可以灵活降下来,自然耗电也就少了,二氧化碳排放也就少了。想想目前到处都是嵌入处理器,代码条数看来也别有效果。

第八章 如何设计复杂的多任务程序
我们在入门阶段,一般面对的设计都是单一的简单的任务,流程图可以如图 1 所示,通常会用踏步循环延时来满足任务需要。面对多任务,稍微复杂的程序设计,沿用图 1 的思想,我们会做出如图 2 所示的程序,在大循环体中不断增加任务,通常还要用延时来满足特定任务节拍,这种程序设计思想它有明显的不足,主要是各个任务之间相互影响,增加新的任何之后,以前很好的运行的任务有可能不正常,例如数码管动态扫描,本来显示效果很好的驱动函数,在增加新的任务后出现闪烁,显示效果变差了。
很明显,初学者在设计程序时,需要从程序构架思想上下功夫,在做了大量基本模块练习之后,需要总结提炼自己的程序设计思路(程序架构思想)。首先我们来理解“任务”,所谓任务,就是需要 CPU 周期“关照”的事件,绝大多数任务不需要 CPU 一直“关照” ,例如启动 ADC 的启动读取。甚至有些任务“害怕”CPU 一直“关照”例如 LCD 的刷新,因为 LCD 是显示给人看的,并不需要高速刷新,即便是显示的内容在高速变化,也不需要高速刷新,道理是一样的。这样看来,让CPU做简单任务一定很浪费,事实也是如此,绝大多数简单任务,CPU都是在“空转” (循环踏步延时) 。对任务总结还可以知道,很多任务需要 CPU 不断“关照” ,其实这种“不断”也是有极限的,比如数码管动态扫描,能够做到40Hz 就可以了,又如键盘扫描,能够做到20Hz(经验值),基本上也就不会丢有效按键键值了,再如LCD刷新,我觉得做到 10Hz 就可以了,等等。看来,绝大多数任务都是工作在低速频度。而我们的CPU一旦运行起来,速度又很快,CPU本身就是靠很快的速度执行很简单的指令来胜任复杂的任务(逻辑)的。如果有办法把“快”的 CPU分成多个慢的CPU,然后给不同的任务分配不同速度的CPU,这种设想是不是很好呢!
确实很好,下面就看如何将“快”的CPU划分成多个“慢”的 CPU。根据这种想法,我们需要合理分配CPU资源来“关照”不同的任务,最好能够根据任务本身合理占用CPU资源,首先看如图 3 所示的流程图,各个任务流程独立,各任务通过全局变量来交互信息,在流程中有一个重要的模块“任务切换”,就是任务切换模块实现 CPU 合理分配,这个任务切换模块是怎么实现的呢?
首先需要理解,CPU 一旦运行起来,就无法停止(硬件支持时钟停止的不在这里讨论),谁能够控制一批脱缰的马呢?对了,有中断,中断能够让CPU回到特定的位置,设想,能不能用一个定时中断,周期性的将 CPU这匹运行着的脱缰的马召唤回来,重新给它安排特定的任务,事实上,任务切换就是这样实现的。
如图 4A 所示,CPU 在空闲任务循环等待,定时中断将 CPU 周期性唤回,根据任务设计了不同的响应频度,满足条件的任务将获得CPU资源,CPU为不同任务“关照”完成后,再次返回空闲任务,如此周而复始,对于各个任务而言,好像各自拥有一个独立的CPU,各自独立运行。用这种思想构建的程序框架,最大的好处是任务很容易裁剪,系统能够做得很复杂。在充分考虑单片机中断特性(在哪里中断就返回到哪里)后,实际可行的任务切换如图4B所示,定时中断可能发生在任务调度,随机任务执行的任何时候,图中最大的框框所示,不管中断在何时发生,它都会正常返回,定时中断所产生的影响只在任务调度模块起作用,即依次让不同的任务按不同的节拍就绪。任务调度会按一定的优先级执行就绪任务。总结不同的任务需要CPU关照的频度,选择最快的那个频度来设定定时器中断的节拍,一般选择 200Hz,或者 100Hz 都可以。另外再给每个任务设定一个节拍控制计数器 C,也就是定时器每中断多少次后执行任务一次。例如取定时中断节拍为 200Hz,给任务设定的 C=10,则任务执行频度为 200/10=20Hz,如果是数码管扫描,按 40Hz 不闪烁规律,则任务节拍控制计数器 C=5 即可。在程序设计中,C 代表着任务运行的节拍控制参数,我们习惯用 delay 来描述,不同的任务用task0,task1……来描述。
下面我们来用代码实现以上多任务程序设计思想。首先是任务切换  
while(1)  
{  
if(task_delay[0]==0)   task0();  //task0就绪,  
if(task_delay[1]==0)   task1();  //task1就绪,  
……  
}
很显然,执行任务的条件是任务延时量task_delay=0,那么任务延时量谁来控制呢?定时器啊!定时器中断对任务延时量减一直到归零,标志任务就绪。当没有任务就绪时,任务切换本身就是一个Idle 任务。  
void timer0(void) interrupt 1  
{  
if(task_delay[0]) task_delay[0]--;  
if(task_delay[1]) task_delay[1]--;  
……  
}
例如 timer0 的中断节拍为 200Hz,task0_delay 初值为 10,则 task0()执行频度为200/10=20Hz。有了以上基础,我们来设计一个简单多任务程序,进一步深入理解这种程序设计思想。任务要求:用单片机不同 IO 脚输出 1Hz,5Hz,10Hz,20Hz 方波信号,这个程序很短,将直接给出。  
#include "reg51.h"  
#define TIME_PER_SEC 200    //定义任务时钟频率,200Hz  
#define CLOCK 22118400    //定义时钟晶振,单位Hz   
#define MAX_TASK 4      //定义任务数量  
  
extern void task0(void);  //任务声明  
extern void task1(void);  
extern void task2(void);  
extern void task3(void);  
  
sbit f1Hz  = P1^0;  //端口定义  
sbit f5Hz  = P1^1;  
sbit f10Hz = P1^2;  
sbit f20Hz = P1^3;  
  
unsigned char task_delay[4];  //任务延时变量定义  
  
//定时器0初始化  
void timer0_init(void)  
{  
    unsigned char i;  
   for(i=0;i<MAX_TASK;i++) task_delay[ i]=0;  //任务延时量清零  
    TMOD = (TMOD & 0XF0) | 0X01;        //定时器 0工作在模式 1, 16Bit定时器模式   
    TH0 = 255-CLOCK/TIME_PER_SEC/12/256;   
  TL0 = 255-CLOCK/TIME_PER_SEC/12%256;   
   TR0 =1;   
ET0 =1;         //开启定时器和中断  
}  
  
// 系统 OS定时中断服务  
void timer0(void) interrupt 1  
{  
    unsigned char i;  
    TH0 = 255-CLOCK/TIME_PER_SEC/12/256;  
    TL0 = 255-CLOCK/TIME_PER_SEC/12%256;         
    for(i=0;i<MAX_TASK;i++) if(task_delay[ i]) task_delay[ i]--;   
//每节拍对任务延时变量减1 ,减至 0  后,任务就绪。   
}   
  
/*main主函数*/  
void main(void)  
{  
    timer0_init();  
    EA=1;//开总中断     
   while(1)  
   {   
     if(task_delay[0]==0) {task0(); task_delay[0] = TIME_PER_SEC/ 2;}  
  //要产生 1hz 信号,翻转周期就是 2Hz,以下同  
  if(task_delay[1]==0) {task1(); task_delay[1] = TIME_PER_SEC/10;}  
  //要产生 5hz 信号,翻转周期就是 10Hz,以下同  
  if(task_delay[2]==0) {task2(); task_delay[2] = TIME_PER_SEC/20;}  
  if(task_delay[3]==0) {task3(); task_delay[3] = TIME_PER_SEC/40;}      
   }  
}  
  
void task0(void)  
{     
    f1Hz = !f1Hz;   
}  
  
void task1(void)  
{     
    f5Hz = !f5Hz;   
}  
  
void task2(void)  
{     
    f10Hz = !f10Hz;   
}  
  
void task3(void)  
{     
    f20Hz = !f20Hz;   
}  
仿真效果如图5 所示。
图 5  仿真波形图
同样的程序,同学们可以考虑用图 2 所示的思想设计,看看容易不容易,如果你的程序实现了相同的功能,如果我改变要求,改变信号的频率,你的程序容易修改吗? 要进一步完善这种程序设计思想,有几个问题还需要考虑:
对任务本身有什么要求?
不同任务之间有没有优先级?(不同的事情总有个轻重缓急吧!)
任务间如何延时?
……
为了回答这些问题,下面我们来分析 CPU的运行情况。

CPU运行情况如图 6 所示,黑色区域表示 CPU进程,系统启动后, CPU将无休止的运行,CPU资源将如何分配呢?程序首先进入“任务切换”进程,如果当前没有任务就绪,就在任务切换进程循环(也可以理解为空闲进程),定时中断将 CPU 当前进程打断,在定时中断进程可能让某些任务就绪,中断返回任务切换进程,很快会进入就绪任务 0,CPU“关照”完任务 0,再次回到任务切换进程,如果还有其它任务就绪,还会再次进入其它任务,没有任务就循环等待,定时中断会不断让新的任务就绪,CPU 也会不断进入任务“关照” 。这样不同的任务就会获得不同的CPU资源,每一个任务都像是拥有一个独立的CPU 为之服务。从这种进程切换我们可以看出,在定时中断和任务切换过程中,额外的占用了一些 CPU资源, 这就是定时中断频度不宜太快, 否则将大大降低CPU的有效资源率, 当然太慢也不行。另外就是 CPU每次关照任务的时间不能太长,如果超过一个中断周期,就会影响到其它任务的实时性。所谓的实时性就是按定时中断设定的节拍,准时得到CPU关照。这样,每一个子任务就必须简单,每次“关照”时间最好不要超过定时中断节拍周期(5ms 或 10ms,初学者要对 ms 有一个概念,机器周期为 us 级的单片机,1ms 可以执行上千条指令,对于像数码管扫描,键盘扫描,LCD显示等常规任务都是绰绰有余的,只是遇到大型计算,数据排序就显得短了)
关于任务优先级的问题:一个复杂系统,多个任务之间总有“轻重缓急”之区别,那些需要严格实时的任务通常用中断实现,中断能够保证第一时间相应,我们这里讨论的不是那种实时概念,是指在最大允许时差内能够得到 CPU“关照” ,例如键盘扫描,为了保证较好的操作效果,快的/慢的/长的/短的(不同人按键不一样)都能够正确识别,这就要保证足够的扫描速度,这种扫描速度对不同的按键最好均等,如果我们按 50Hz 来设计,那么就要保证键盘扫描速度在任何情况下都能够做到 50Hz 扫描频度,不会因为某个新任务的开启而被破坏,如果确实有新的任务有可能破坏这个 50Hz 扫描频度,我们就应该在优先级安排上让键盘扫描优先级高于那个可能影响键盘扫描的任务。这里体现的就是当同时多个任务就绪时, 最先执行哪个的问题,任务调度时要优先执行级别高的任务。关于“长”任务的问题:有些任务虽然很独立,但完成一次任务执行需要很长时间,例如 DS18B20,从复位初始化到读回温度值,最长接近 1s,这主要是 DS18B20 温度传感器完成一次温度转换需要500 到 750ms,这个时间对 CPU 而言,简直是太长了,就像一件事情需要我们人等待 10 年一样,显然这样的任务是其它任务所耽搁不起的。像类似 DS18B20 这样的器件(不少 ADC 也是这样) ,怎么设计任务体解决“长”的问题。进一步研究这些器件发现,真正需要CPU“关照”它们的时间并不长,关键是等待结果要很长时间。解决的办法就是把类似的器件驱动分成多个段:初始化段、启动段、读结果段,而在需要花长时间等待时间段,不要 CPU关照,允许 CPU去关照其它任务。
将一个任务分成若干段,确保每段需要CPU 关照时长小于定时器中断节拍长,这样CPU在处理这些长任务时,就不会影响到其它任务的执行。
正是基于以上程序设计思想,总结完善后提出一种耗费资源特别少并且不使用堆栈的多线程操作系统,这个操作系统以纯C语言实现,无硬件依赖性,需要单片机的资源极少。起名为 Easy51RTOS,特别适合初学者学习使用。有任务优先级,通过技巧可以任务间延时,缺点是高优先级任务不具有抢占功能,一个具有抢占功能的操作系统,一定要涉及到现场保护与恢复,需要更多的 RAM 资源,涉及到堆栈知识,文件系统将很复杂,初学者学习难度大。
为了便于初学者学习,将代码文件压缩至 4 个文件。  
Easy51RTOS.Uv2 Keil工程文件,KEIL用户很熟悉的  
main.c    main函数和用户任务 task 函数文件  
os_c.c    Easy51RTOS相关函数文件  
os_cfg.h    Easy51RTOS相关配置参数头文件  
文件解读如下:  
  1. os_cfg.h  
  2. #include "reg51.h"  
  3. #define TIME_PER_SEC 200    //定义任务时钟频率,200Hz  
  4. #define CLOCK 22118400    //定义时钟晶振,单位Hz  
  5. #define MAX_TASK 4      //定义任务数量   
  6. //函数变量声明,在需要用以下函数或变量的文件中包含此头文件即可  
  7. extern void task0(void);  
  8. extern void task1(void);  
  9. extern void task2(void);  
  10. extern void task3(void);  
  11. extern unsigned char task_delay[MAX_TASK];  
  12. extern void run(void (*ptask)());  
  13. extern void os_timer0_init(void);  
  14.   
  15. os_c.c  
  16. #include "os_cfg.h"  
  17. unsigned char task_delay[MAX_TASK];  //定义任务延时量变量  
  18. //定时器0初始化  
  19. void os_timer0_init(void)  
  20. {  
  21.     unsigned char i;  
  22.    for(i=0;i<MAX_TASK;i++) task_delay[ i]=0;  
  23.     TMOD = (TMOD & 0XF0) | 0X01;    //定时器 0工作在模式 1,16Bit 定时器模式   
  24.     TH0 = 255-CLOCK/TIME_PER_SEC/12/256;   
  25. //CRY_OSC,TIME_PER_SEC在 os_cfg.h中定义  
  26.     TL0 = 255-CLOCK/TIME_PER_SEC/12%256;   
  27.    TR0 =1;   
  28. ET0 =1;         //开启定时器和中断  
  29. }  
  30.   
  31. // 系统 OS定时中断服务  
  32. void os_timer0(void) interrupt 1  
  33. {  
  34.     unsigned char i;  
  35.     TH0 = 255-CLOCK/TIME_PER_SEC/12/256;  
  36.     TL0 = 255-CLOCK/TIME_PER_SEC/12%256;         
  37.     for(i=0;i<MAX_TASK;i++) if(task_delay[ i]) task_delay[ i]--;   
  38. //每节拍对任务延时变量减1 ,减至 0  后,任务就绪。   
  39. }   
  40.   
  41. //指向函数的指针函数  
  42. void run(void (*ptask)())  
  43. {   
  44.    (*ptask)();   
  45. }  
  46.   
  47. main.c  
  48. #include "os_cfg.h"   
  49. #define TASK_DELAY0 TIME_PER_SEC/1      //任务执行频度为1Hz  
  50. #define TASK_DELAY1 TIME_PER_SEC/2      //任务执行频度为2Hz  
  51. #define TASK_DELAY2 TIME_PER_SEC/10      //任务执行频度为10Hz  
  52. #define TASK_DELAY3 TIME_PER_SEC/20     //任务执行频度为20Hz  
  53. void (* code task[])() = {task0,task1,task2,task3};  //获得任务PC指针  
  54.   
  55. sbit LED0 = P1^0;  //演示用 LED接口定义  
  56. sbit LED1 = P1^1;  
  57. sbit LED2 = P1^2;  
  58. sbit LED3 = P1^3;  
  59.   
  60. /*main主函数*/  
  61. void main(void)  
  62. {  
  63.     unsigned char i;   
  64.     os_timer0_init();   //节拍发生器定时器初始化  
  65.     EA = 1;       //开总中断  
  66.      
  67.    while(1)  
  68.    {  
  69.      for(i=0;i<MAX_TASK;i++)   
  70.    if (task_delay[ i]==0) {run(task[ i]); break;}  //就绪任务调度  
  71.    }  //上一行 break有特殊作用,详细解释见后文  
  72. }  
  73.   
  74. void task0(void)  //任务 0  
  75. {     
  76.     LED0 = !LED0;   
  77. task_delay[0] = TASK_DELAY0;  
  78. }  
  79.   
  80. void task1(void)  //任务 1  
  81. {     
  82.     LED1 = !LED1;   
  83. task_delay[1] = TASK_DELAY1;  
  84. }  
  85.   
  86. void task2(void)  //任务 2  
  87. {     
  88.     LED2 = !LED2;   
  89. task_delay[2] = TASK_DELAY2;  
  90. }  
  91.   
  92. void task3(void)  //任务内分段设计   
  93. {     
  94.       static unsigned char state=0;  //定义静态局部变量  
  95. switch (state)  
  96. {  
  97.   case 0:  
  98.    LED3 = !LED3;   
  99.    state = 1;  
  100.    task_delay[3] = TASK_DELAY3;  
  101.    break;  
  102.   
  103.   case 1:  
  104.    LED3 = !LED3;   
  105.    state = 2;  
  106.    task_delay[3] = TASK_DELAY3*2;  
  107.    break;  
  108.   
  109.   case 2:  
  110.    LED3 = !LED3;   
  111.    state = 0;  
  112.    task_delay[3] = TASK_DELAY3*4;  
  113.    break;  
  114.   
  115.   default:  
  116.    state = 0;  
  117.    task_delay[3] = TASK_DELAY3;  
  118.    break;  
  119. }   
  120. }  
复制代码


  
仿真图如图8 所示  
主程序巧妙实现优先级设定:  
for(i=0;i<MAX_TASK;i++)   
  if (task_delay[ i]==0) {run(task[ i]); break;}  //就绪任务调度
这里的 break 将跳出 for 循环,使得每次重新任务调度总是从 task0 开始,就意味着优先级高的任务就绪会先执行。这样task0具有最高优先级,task1、task2、task3优先级依次降低。特别是 void task3(void)用 switch(state)状态机实现了任务分段,这也是任务内系统延时的一种方法。
今天我把咱们常用的传感器DS1320 DS18B20给大家介绍下。
对于市面上的大多数51单片机开发板来说。ds1302和ds18b20应该是比较常见的两种外围芯片。ds1302是具有SPI总线接口的时钟芯片。ds18b20则是具有单总线接口的数字温度传感器。下面让我们分别来认识并学会应用这两种芯片。
首先依旧是看DS1302的datasheet中的相关介绍。
上面是它的一些基本的应用介绍。  
下面是它的引脚的描述。
下面是DS1302的时钟寄存器。我们要读取的时间数据就是从下面这些数据寄存器中读取出来的。当我们要想调整时间时,可以把时间数据写入到相应的寄存器中就可以了。
这是DS1302内部的31个RAM寄存器。在某些应用场合我们可以应用到。如我们想要做一个带定时功能的闹钟。则可以把闹钟的时间写入到31个RAM寄存器中的任意几个。当单片机掉电时,只要我们的DS1302的备用电池还能工作,那么保存在其中的闹钟数据就不会丢失~~
由于对于这些器件的操作基本上按照数据手册上面提供的时序图和相关命令字来进行操作就可以了。因此在我们应用这些器件的时候一定要对照着手册上面的要求来进行操作。如果觉得还不够放心的话。可以到网上下载一些参考程序。对着手册看别人的程序,看别人的思路是怎么样的。
DS1302和单片机的连接很简单。只需一根复位线,一根时钟线,一根数据线即可。同时它本身还需要接一个32.768KHz的晶振来提供时钟源。对于晶振的两端可以分别接一个6PF左右的电容以提高晶振的精确度。同时可以在第8脚接上一个3.6V的可充电的电池。当系统正常工作时可以对电池进行涓流充电。当系统掉电时,DS1302由这个电池提供的能量继续工作。
下面让我们来驱动它。  
  1.     sbit io_DS1302_RST  = P2^0 ;  
  2.     sbit io_DS1302_IO    = P2^1 ;  
  3.     sbit io_DS1302_SCLK = P2^2 ;  
  4.      
  5.     //-------------------------------------常数宏---------------------------------//  
  6.     #define DS1302_SECOND_WRITE        0x80          //写时钟芯片的寄存器位置  
  7.     #define DS1302_MINUTE_WRITE        0x82  
  8.     #define DS1302_HOUR_WRITE        0x84  
  9.     #define DS1302_WEEK_WRITE        0x8A  
  10.     #define DS1302_DAY_WRITE        0x86  
  11.     #define DS1302_MONTH_WRITE        0x88  
  12.     #define DS1302_YEAR_WRITE        0x8C  

  13.     #define DS1302_SECOND_READ        0x81          //读时钟芯片的寄存器位置  
  14.     #define DS1302_MINUTE_READ        0x83  
  15.     #define DS1302_HOUR_READ        0x85  
  16.     #define DS1302_WEEK_READ        0x8B  
  17.     #define DS1302_DAY_READ        0x87  
  18.     #define DS1302_MONTH_READ        0x89  
  19.     #define DS1302_YEAR_READ        0x8D  
  20. //-----------------------------------操作宏----------------------------------//  
  21.     #define DS1302_SCLK_HIGH        io_DS1302_SCLK = 1 ;  
  22.     #define    DS1302_SCLK_LOW            io_DS1302_SCLK = 0 ;  
  23.      
  24.     #define DS1302_IO_HIGH            io_DS1302_IO  = 1 ;  
  25.     #define DS1302_IO_LOW            io_DS1302_IO  = 0 ;  
  26.     #define DS1302_IO_READ          io_DS1302_IO  

  27.     #define DS1302_RST_HIGH            io_DS1302_RST  = 1 ;  
  28.     #define DS1302_RST_LOW          io_DS1302_RST  = 0 ;  




  29. /******************************************************  
  30. * 保存时间数据的结构体        *  
  31. ******************************************************/  
  32. struct  
  33. {  
  34.     uint8 Second ;  
  35.     uint8 Minute ;  
  36.     uint8 Hour ;  
  37.     uint8 Day ;  
  38.     uint8 Week ;  
  39.     uint8 Month ;  
  40.     uint8 Year ;  
  41. }CurrentTime ;  



  42. /******************************************************************************  
  43. * Function:    static void v_DS1302Write_f( uint8 Content )        *  
  44. * Description:向DS1302写一个字节的内容            *  
  45. * Parameter:uint8 Content :    要写的字节            *  
  46. *                        *  
  47. ******************************************************************************/  

  48. static void v_DS1302Write_f( uint8 Content )  
  49. {  
  50.     uint8 i ;  
  51.     for( i = 8 ; i > 0 ; i-- )  
  52.     {  
  53.         if( Content & 0x01 )  
  54.         {  
  55.             DS1302_IO_HIGH  
  56.         }  
  57.         else  
  58.         {  
  59.             DS1302_IO_LOW  
  60.         }  
  61.         Content >>= 1 ;  

  62.         DS1302_SCLK_HIGH   
  63.         DS1302_SCLK_LOW  
  64.     }  
  65. }  


  66. /******************************************************************************  
  67. * Function:    static uint8 v_DS1302Read_f( void )          *  
  68. * Description: 从DS1302当前设定的地址读取一个字节的内容    *  
  69. * Parameter:                    *  
  70. * Return:    返回读出来的值(uint8)                *  
  71. ******************************************************************************/  
  72. static uint8 v_DS1302Read_f( void )  
  73. {  
  74.     uint8 i, ReadValue ;  
  75.     DS1302_IO_HIGH  
  76.     for( i = 8 ; i > 0 ; i-- )  
  77.     {  
  78.         ReadValue >>= 1 ;  
  79.           if( DS1302_IO_READ )  
  80.         {  
  81.             ReadValue |= 0x80 ;  
  82.         }  
  83.         else  
  84.         {  
  85.             ReadValue &= 0x7f ;  
  86.         }  

  87.         DS1302_SCLK_HIGH  
  88.         DS1302_SCLK_LOW  
  89.          
  90.     }  
  91.     return ReadValue ;  
  92. }  

  93. /******************************************************************************  
  94. * Function:    void v_DS1302WriteByte_f( uint8 Address,  uint8 Content )    *  
  95. * Description:  从DS1302指定的地址写入一个字节的内容              *  
  96. * Parameter:  Address:    要写入数据的地址            *  
  97. *    Content:    写入数据的具体值            *  
  98. * Return:                                                                                                                *
  99. ******************************************************************************/  
  100. void v_DS1302WriteByte_f( uint8 Address,  uint8 Content )  
  101. {  
  102.     DS1302_RST_LOW  
  103.     DS1302_SCLK_LOW  
  104.     DS1302_RST_HIGH     

  105.     v_DS1302Write_f( Address ) ;  
  106.     v_DS1302Write_f( Content ) ;  

  107.     DS1302_RST_LOW  
  108.     DS1302_SCLK_HIGH  
  109. }  

  110. /******************************************************************************  
  111. * Function:    uint8 v_DS1302ReadByte_f( uint8 Address )                          *  
  112. * Description:从DS1302指定的地址读出一个字节的内容        *  
  113. * Parameter:Address:    要读出数据的地址            *  
  114. *                        *  
  115. * Return:        指定地址读出的值(uint8)        *  
  116. ******************************************************************************/  
  117. uint8 v_DS1302ReadByte_f( uint8 Address )  
  118. {  
  119.     uint8 ReadValue ;  
  120.     DS1302_RST_LOW  
  121.     DS1302_SCLK_LOW  
  122.     DS1302_RST_HIGH     

  123.     v_DS1302Write_f( Address ) ;  
  124.     ReadValue = v_DS1302Read_f() ;  

  125.     DS1302_RST_LOW  
  126.     DS1302_SCLK_HIGH  
  127.     return ReadValue ;  
  128. }  
  129. /******************************************************************************  
  130. * Function:    void v_ClockInit_f( void )            *  
  131. * Description:初始化写入DS1302时钟寄存器的值(主程序中只需调用一次即可) *  
  132. * Parameter:                                                                                                                                        *
  133. *                                              *  
  134. * Return:                            *  
  135. ******************************************************************************/  
  136. void v_ClockInit_f( void )  
  137. {  
  138.     if( v_DS1302ReadByte_f( 0xc1) != 0xf0 )  
  139.     {  
  140.         v_DS1302WriteByte_f( 0x8e, 0x00 ) ;    //允许写操作  
  141.         v_DS1302WriteByte_f( DS1302_YEAR_WRITE, 0x08 ) ;    //年  
  142.         v_DS1302WriteByte_f( DS1302_WEEK_WRITE, 0x04 ) ;    //星期  
  143.         v_DS1302WriteByte_f( DS1302_MONTH_WRITE, 0x12 ) ;    //月  
  144.         v_DS1302WriteByte_f( DS1302_DAY_WRITE, 0x11 ) ;          //日  
  145.         v_DS1302WriteByte_f( DS1302_HOUR_WRITE, 0x13 ) ;    //小时  
  146.         v_DS1302WriteByte_f( DS1302_MINUTE_WRITE, 0x06 ) ;    //分钟  
  147.         v_DS1302WriteByte_f( DS1302_SECOND_WRITE, 0x40 ) ;    //秒  
  148.         v_DS1302WriteByte_f( 0x90, 0xa5 ) ;                      //充电  
  149.     v_DS1302WriteByte_f( 0xc0, 0xf0 ) ;            //判断是否初始化一次标识写入  
  150.         v_DS1302WriteByte_f( 0x8e, 0x80 ) ;                      //禁止写操作  
  151.     }  
  152. }  
  153. /******************************************************************************  
  154. * Function:    void v_ClockUpdata_f( void )            *  
  155. * Description:读取时间数据,并保存在结构体CurrentTime中        *  
  156. * Parameter:                                                                                                                                                      *
  157. *                        *  
  158. * Return:                                                                                                                                          *
  159. ******************************************************************************/  
  160. void v_ClockUpdata_f( void )  
  161. {  
  162.     CurrentTime.Second = v_DS1302ReadByte_f( DS1302_SECOND_READ ) ;  
  163.     CurrentTime.Minute = v_DS1302ReadByte_f( DS1302_MINUTE_READ ) ;  
  164.     CurrentTime.Hour  = v_DS1302ReadByte_f( DS1302_HOUR_READ ) ;  
  165.     CurrentTime.Day    = v_DS1302ReadByte_f( DS1302_DAY_READ ) ;  
  166.     CurrentTime.Month  = v_DS1302ReadByte_f( DS1302_MONTH_READ ) ;  
  167.     CurrentTime.Week  = v_DS1302ReadByte_f( DS1302_WEEK_READ ) ;  
  168.     CurrentTime.Year  = v_DS1302ReadByte_f( DS1302_YEAR_READ ) ;  
  169. }  
复制代码


有了上面的这些函数我们就可以对DS1302进行操作了。当我们想要获取当前时间时,只需要调用v_ClockUpdata_f( void )这个函数即可。读取到的时间数据保存在CurrentTime这个结构体中。至于如何把时间数据在数码管或者是液晶屏上显示出来我相信大家应该都会了吧^_^.
看看显示效果如何~~
下面再让我们看看DS18B20吧。
DS18B20是单总线的数字温度传感器。其与单片机的接口只需要一根数据线即可。当然连线简单意味着软件处理上可能要麻烦一点。下面来看看它的优点:
看看它的靓照。外形和我们常用的三极管没有什么两样哦。
DS18B20的内部存储器分为以下几部分
ROM:存放该器件的编码。前8位为单线系列的编码(DS18B20的编码是19H)后面48位为芯片的唯一序列号。在出场的时候就已经设置好,用户无法更改。最后8位是以上56位的CRC码。
RAM:DS18B20的内部暂存器共9个字节。其中第一个和第二个字节存放转换后的温度值。第二个和第三个字节分别存放高温和低温告警值。(可以用RAM指令将其拷贝到EEPROM中)第四个字节为配置寄存器。第5~7个字节保留。第9个字节为前8个字节的CRC码。
DS18B20的温度存放如上图所示。其中S位符号位。当温度值为负值时,S = 1 ,反之则S = 0 。我们把得到的温度数据乘上对应的分辨率即可以得到转换后的温度值。
DS18B20的通讯协议:
在对DS18B20进行读写编程时,必须严格保证读写的时序。否则将无法读取测温结果。根据DS18B20的通讯协议,主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤:每一次读写之前都要对DS18B20进行复位,复位成功后发送一条ROM指令,最后发送RAM指令。这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主机将数据线下拉500us,然后释放,DS18B20收到信号后等待16~160us然后发出60~240us的存在低脉冲,主机收到此信号表示复位成功。
上图即DS18B20的复位时序图。
下面是读操作的时序图
这是写操作的时序图
下面让我们来看看它的驱动程序如何写吧。  
  1. sbit io_DS18B20_DQ  = P2^3 ;  
  2. #define DS18B20_DQ_HIGH  io_DS18B20_DQ = 1 ;  
  3. #define DS18B20_DQ_LOW  io_DS18B20_DQ = 0 ;  
  4. #define DS18B20_DQ_READ  io_DS18B20_DQ  

  5. /*******************************************************************  
  6. * 保存温度值的数组.依次存放正负标志,温度值十位,个位,和小数位        *  
  7. *******************************************************************/  
  8. uint8 Temperature[ 4 ] ;  

  9. void v_Delay10Us_f( uint16 Count )  
  10. {  
  11.     while( --Count )  
  12.     {  
  13.         _nop_();  
  14.     }  
  15. }  

  16. /**************************************************************************  
  17. * Function:        uint8 v_Ds18b20Init_f( void )                                *  
  18. * Description:    初始化DS18B20                                                *  
  19. * Parameter:                                                                  *  
  20. *                                                                          *  
  21. * Return:        返回初始化的结果(0:复位成功  1:复位失败)                        *  
  22. **************************************************************************/  
  23. uint8 v_Ds18b20Init_f( void )  
  24. {  
  25.     uint8 Flag ;  
  26.     DS18B20_DQ_HIGH          //稍作延时  
  27.     v_Delay10Us_f( 3 ) ;  
  28.     DS18B20_DQ_LOW          //总线拉低  

  29.     v_Delay10Us_f( 80 ) ; //延时大于480us  

  30.     DS18B20_DQ_HIGH      //总线释放  

  31.     v_Delay10Us_f( 15 ) ;  

  32.     Flag = DS18B20_DQ_READ ;  //如果Flag为0,则复位成功,否则复位失败  
  33.     return Flag ;  
  34. }  
  35. /******************************************************************************  
  36. * Function:        void v_Ds18b20Write_f( uint8 Cmd )                                *  
  37. * Description:    向DS18B20写命令                                                *  
  38. * Parameter:    Cmd:    所要写的命令                                              *  
  39. *                                                                              *  
  40. * Return:                                                                        *  
  41. ******************************************************************************/  
  42. void v_Ds18b20Write_f( uint8 Cmd )  
  43. {  
  44.     uint8 i ;  
  45.     for( i = 8 ; i > 0 ; i-- )  
  46.     {  
  47.         DS18B20_DQ_LOW            //拉低总线,开始写时序  
  48.         DS18B20_DQ_READ = Cmd & 0x01  ;    //控制字的最低位先送到总线  
  49.         v_Delay10Us_f( 5 ) ;            //稍作延时,让DS18B20读取总线上的数据  
  50.         DS18B20_DQ_HIGH            //拉高总线,1bit写周期结束  
  51.         Cmd >>= 1 ;  
  52.     }  
  53. }  



  54. /******************************************************************************  
  55. * Function:        uint8 v_Ds18b20Read_f( void )                                      *  
  56. * Description:    向DS18B20读取一个字节的内容                                    *  
  57. * Parameter:                                                                      *  
  58. *                                                                              *  
  59. * Return:        读取到的数据                                                    *  
  60. ******************************************************************************/  
  61. uint8 v_Ds18b20Read_f( void )  
  62. {  
  63.     uint8 ReadValue, i ;  
  64.     for( i = 8 ; i > 0 ; i-- )  
  65.     {  
  66.         DS18B20_DQ_LOW     
  67.         ReadValue >>= 1 ;  
  68.         DS18B20_DQ_HIGH  
  69.         if( DS18B20_DQ_READ == 1 )  
  70.         ReadValue |= 0x80 ;  
  71.         v_Delay10Us_f( 3 ) ;  
  72.     }  
  73.     return ReadValue ;  
  74. }  

  75. /******************************************************************************  
  76. * Function:        uint16 v_Ds18b20ReadTemp_f( void )                                  *  
  77. * Description:    读取当前的温度数据(只保留了一位小数)                                *  
  78. * Parameter:                                                                        *  
  79. *                                                                                *  
  80. * Return:        读取到的温度值                                                    *  
  81. ******************************************************************************/  
  82. uint16 v_Ds18b20ReadTemp_f( void )  
  83. {  
  84.     uint8 TempH, TempL ;  
  85.     uint16 ReturnTemp ;  
  86.      
  87. /*    if( v_Ds18b20Init_() ) return ;  //复位失败,在这里添加错误处理的代码      */  
  88.     v_Ds18b20Init_f() ;            /复位DS18B20  
  89.     v_Ds18b20Write_f( 0xcc ) ;    //跳过ROM  
  90.     v_Ds18b20Write_f( 0x44 ) ;        //启动温度转换  
  91.     v_Ds18b20Init_f() ;            
  92.     v_Ds18b20Write_f( 0xcc ) ;    //跳过ROM  
  93.     v_Ds18b20Write_f( 0xbe ) ;    //读取DS18B20内部的寄存器内容  
  94.     TempL = v_Ds18b20Read_f() ;    //读温度值低位(内部RAM的第0个字节)  
  95.     TempH = v_Ds18b20Read_f() ;    //读温度值高位(内部RAM的第1个字节)  
  96.     ReturnTemp = TempH ;  
  97.     ReturnTemp <<= 8 ;  
  98.     ReturnTemp |= TempL ;    //温度值放在变量ReturnTemp中  
  99.     return ReturnTemp ;  
  100. }  
  101. /******************************************************************************  
  102. * Function:    void v_TemperatureUpdate_f( void )        *  
  103. * Description:读取当前的温度数据并转化存放在数组Temperature(只保留了一位小数) *  
  104. * Parameter:                                                                                                                                          *
  105. *                            *  
  106. * Return:                                                                                                                                            *
  107. ******************************************************************************/  
  108. void v_TemperatureUpdate_f( void )  
  109. {  
  110.     uint8 Tflag = 0 ;  
  111.     uint16 TempDat ;  
  112.     float Temp ;  
  113.     TempDat = v_Ds18b20ReadTemp_f() ;  
  114.     if( TempDat & 0xf000 )  
  115.     {  
  116.         Tflag = 1 ;                           
  117.         TempDat = ~TempDat + 1 ;  
  118.     }  
  119.     Temp =    TempDat >> 4;  (TempDat * 0.0625  )  请大家不要用乘以,不知道为什么可以看我上面的内容      
  120.     TempDat = Temp * 10          ;                 ;小数部用可以用查表法,大家有什么好办法来讨论下,呵呵
  121.     Temperature[ 0 ] = Tflag ;          //温度正负标志  
  122.     Temperature[ 1 ] = TempDat / 100  + '0' ;      //温度十位值  
  123.     Temperature[ 2 ] = TempDat % 100 / 10 + '0' ;  //温度个位值  
  124.     Temperature[ 3 ] = TempDat % 10        + '0' ;//温度小数位  
  125. }
复制代码


如果想获取当前的温度数据,在主函数中调用v_TemperatureUpdate_f( void )就可以了。温度数据就保存到Temperature中去了。至于如何显示,就不用多说了吧~@_@~  。
时间和温度一起显示出来看看
OK,至此ds18b20和ds1302的应用告一段落。如果有不懂的,记得多看datasheet,多交流。

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沙发
admin 发表于 2018-11-25 18:44 | 只看该作者
好资料,51黑有你更精彩!!!
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板凳
51hei团团 发表于 2018-11-25 18:44 | 只看该作者
这个教程非常通俗易懂,由浅入深,非常值得大家学习和收藏
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地板
紫色的云 发表于 2018-11-25 20:46 | 只看该作者
学习了,好文章,给人清晰地思路,
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5#
mumu168 发表于 2018-11-28 11:46 | 只看该作者
挺好的文章,多鼓励楼主发表这类文章,谢谢
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6#
jxchen 发表于 2019-1-9 23:26 | 只看该作者
由淺入深,非常值得大家學習和收藏
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7#
a89588038 发表于 2019-1-11 11:29 | 只看该作者
好资料,51黑有你更精彩!!!
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8#
hdx382245915 发表于 2019-1-11 13:34 | 只看该作者
好资料,51黑有你更精彩!!!
受教了 多谢
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