I/O输出——实例1：LED点亮-入门版
一、实例目的
通过本实例，我们应：
1. 了解发光二极管（LED）驱动电路的原理；
2. 掌握单片机I/O控制LED的程序设计；
3. 掌握C51程序的结构；
4. 会编写软件延时函数。
提示：本实例属于入门级，初学者应该熟练掌握，即在学完本课程后，不看资料就能画出电路图和编写出程序并验证。
二、LED驱动原理
点亮LED通常是单片机初学者的第一个程序，如同学习C语言的第一个程序永远是打印“Hello World”一样，亘古不变。
要点亮一个LED，需要用到单片机的IO输出口，输出一个高电平（数字1）或低电平（数字0），至于是高电平还是低电平，这取决于LED驱动电路。LED驱动电路通常有两种，如图1所示。图中，R为限流电阻。
图1 LED驱动电路
- 方式1： LED的负极接MCU的输出I/O，正极通过一个限流电阻接到电源VCC。LED驱动电流Id由电源VCC提供，流向MCU内部，称为灌电流。 控制I/O输出低电平时，LED正向导通，LED点亮；控制I/O输出高电平时，LED反向截止，LED熄灭。方式1对MCU的I/O电流驱动能力要求低。
- 方式2： LED的正极接MCU的输出/O，负极通过一个限流电阻接到地GND。LED驱动电流由MCU提供。 控制I/O输出高电平时，LED正向导通，LED点亮；控制I/O输出低电平时，LED截止，LED熄灭。方式2要求MCU的I/O具有mA级的电流输出能力。
发光LED的正向导通电压一般在2.0V上下，不同材质和颜色的导通电压不同。LED的工作电流一般为mA级别（10~20mA），电流越大LED越亮。限流电阻R计算公式如下：
R = （VCC-Ud）/Id
取Ud=2.0V, VCC=5V, Id=10mA，代入公式得：R=300Ω。通常限流电阻为几百欧，过大则可能达不到导通电压，无法点亮LED，过小LED工作电流大，可能烧掉LED，或影响寿命。
注意，51单片机的I/O驱动能力只有几百uA，采用方式2是无法直接点亮一个LED的。因此只能采取方式1来驱动LED。
三、LED驱动电路设计
假设通过8051单片机P1口驱动8只LED，P2.1管脚驱动一只LED。电路图如图2所示。
四、LED驱动程序设计
（一）编程实现D1~D4和D9点亮，D5~D8熄灭。
根据图2所示的电路，可知LED控制管脚输出低电平时，LED点亮；输出高电平时，LED熄灭。根据LED与I/O的连接关系，得到表1。
表1 LED与单片机I/O连接及驱动电平
LED |
D9 |
D8 |
D7 |
D6 |
D5 | D4 |
D3 |
D2 |
D1 |
| I/O | P2.1 | P1.7 |
P1.6 |
P1.5 |
P1.4 |
P1.3 |
P1.2 |
P1.1 |
P1.0 |
电平 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
根据表1，P0输出1111_0000，即十六进制的0xF0，P2.1输出0即可满足要求。
代码如下，相关说明见注释：
//样例一
#include<reg52.h> //包含单片机头文件，51系列单片机为reg51.h，51系列为reg52.h
#define LED1 P1 // 定义宏LED1，值为P1寄存器，编译时先使用P1替换所有的LED1
sbit LED2 = P2^1; //定义sbit变量LED2，指向P2.1，^符号取位符
void main() //main（）函数为单片机程序入口，无返回值，即void类型
{
while(1) //单片机程序就是一个死循环，反复执行循环体，但一般根据输入或中断完成相应功能。
{
LED1 = 0xF0; //根据要求控制LED亮和灭，D1~D4亮，D5-D8灭。
LED2 = 0; //P2.1输出低电平，D9亮
}
}
试一试： 将以上代码编译生成.hex，导入Proteus电路图进行仿真，进行验证。
（二）编程实现D1~D8和D9闪烁，即全亮->全灭->全亮，如此反复。闪烁间隔不限。
为了实现闪烁，必须引入延时函数。延时函数的编写方法有软件延时函数和定时器延时。关于定时器延时，在学习到定时器再介绍。下面先介绍软件延时的原理及延时函数的编写。
单片机指令系统里有一条NOP指令，即空指令。执行一条NOP指令，单片机仅仅是将PC加一，CPU不作其它操作，空指令因此得名。NOP指令消耗一个机器周期，如果采用12MHz的晶体，则执行一条NOP指令的耗时是1us。执行N条NOP指令，理论耗时N×1us。因此，延时函数就是通过循环执行NOP指令达到延时的目的。
常见的 C51的软件延时函数如下。不管延时函数如何变化，都是采用循环指令空语句（;）实现。注意，由于循环初值设置和循环递增都会消耗机器周期，延时函数的延时时间并不精确，循环次数的选取一定程序上取决于经验值（一般通过仿真或实测得到）。
/******************************
*函数：delayMS
*功能：ms级延时函数@12MHz
*参数：ms：unsigned int，最大延时约65.535s
*返回值：无
*******************************/
void delayMS(unsigned int ms)
{
unsigned int i,j;
for(i=0;i<ms;i++)
for(j=0;j<150;j++);
}
整个代码如下，相关说明见注释：
//样例二（a）
#include<reg52.h> //包含单片机头文件，51系列单片机为reg51.h，51系列为reg52.h
#define LED1 P1 // 定义宏LED1，值为P1寄存器，编译时先使用P1替换所有的LED1
sbit LED2 = P2^1; //定义sbit变量LED2，指向P2.1，^符号取位符
/******************************
*函数：delayMS
*功能：ms级延时函数@12MHz
*参数：ms：unsigned int，最大延时约65.535s
*返回值：无
*******************************/
void delayMS(unsigned int ms)
{
unsigned int i,j;
for(i=0;i<ms;i++)
for(j=0;j<150;j++);
}
void main() //main（）函数为单片机程序入口，无返回值，即void类型
{
while(1) //单片机程序就是一个死循环，反复执行循环体，但一般根据输入或中断完成相应功能。
{
LED1 = 0x00; //D1~D8全亮
LED2 = 0; //D9亮
delayMS(1000); //延时约1s
LED1 = 0xFF; //D1~D8全灭
LED2 = 1; //D9亮
delayMS(1000); //延时约1s
}
}
试一试： 将以上代码编译生成.hex，导入Proteus电路图进行仿真，进行验证。
在样例二（a）中，delayMS（）函数是先声明且实现（定义）后才调用。C语言严格要求函数必须先声明，后调用，当然函数的声明和实现可以分开。如样例二（b） 。在编程时，可以灵活运用。
//样例二（b）
#include<reg52.h> //包含单片机头文件，51系列单片机为reg51.h，51系列为reg52.h
#define LED1 P1 // 定义宏LED1，值为P1寄存器，编译时先使用P1替换所有的LED1
sbit LED2 = P2^1; //定义sbit变量LED2，指向P2.1，^符号取位符
void delayMS(unsigned int ms); //delayMS()函数声明
void main() //main（）函数为单片机程序入口，无返回值，即void类型
{
while(1) //单片机程序就是一个死循环，反复执行循环体，但一般根据输入或中断完成相应功能。
{
LED1 = 0x00; //D1~D8全亮
LED2 = 0; //D9亮
delayMS(1000); //延时约1s
LED1 = 0xFF; //D1~D8全灭
LED2 = 1; //D9亮
delayMS(1000); //延时约1s
}
}
// delayMS实现
/******************************
*函数：delayMS
*功能：ms级延时函数@12MHz
*参数：ms：unsigned int，最大延时约65.535s
*返回值：无
*******************************/
void delayMS(unsigned int ms)
{
unsigned int i,j;
for(i=0;i<ms;i++)
for(j=0;j<150;j++);
}
五、试一试
1. LED闪烁控制代码使用了6条语句，如下所示。你可以只使用四条语句完成相同功能吗？
LED1 = 0x00; //D1~D8全亮
LED2 = 0; //D9亮
delayMS(1000); //延时约1s
LED1 = 0xFF; //D1~D8全灭
LED2 = 1; //D9亮
delayMS(1000); //延时约1s
2.本实例通过I/O（P0、P2.1）控制LED，掌握I/O口输出编程非常重要且必须。试说出I/O输出和并口特殊功能寄存器的关系，写出I/O输出相关的代码。