51单片机：中断、定时器与PWM整合手册
一、中断系统
中断系统是单片机实现实时处理的核心机制，用于响应内外紧急事件，核心包含定义、源、流程、嵌套、向量表及控制寄存器六大模块。
1. 中断与中断源
- 中断：为使CPU具备对外界紧急事件的实时处理能力而设计的机制。当CPU执行当前程序时，被内外事件触发，暂停当前任务转去处理该事件（执行中断服务程序），处理完后返回原程序继续执行，类似“工作时接紧急电话”。
- 中断源：触发中断的“事件来源”，即导致CPU暂停的具体原因。结合STC89C51RC/RD+系列，常见中断源如下：
- 外部中断：INT0（P3.2）、INT1（P3.3）、INT2、INT3
- 定时器中断：Timer0、Timer1、Timer2（溢出触发）
- 串口中断：UART（接收/发送完成触发）
2. 中断处理流程
遵循“请求-判断-处理-恢复”逻辑，核心步骤共6步，需经过CPU内核的多层判断：
- 中断请求：中断源（如Timer0溢出、INT0按键）向CPU发送触发信号；
- 中断判断：CPU内核执行完当前指令后，先检查全局中断使能（EA）及该中断是否被屏蔽，
- 确认优先级：确认中断优先级（如高优先级中断优先响应）；
- 保护现场：保存当前CPU寄存器（如累加器A、程序计数器PC）的值，避免后续处理覆盖原数据；
- 执行中断服务程序：通过中断向量表找到对应服务函数地址，跳转执行（如读取传感器、翻转IO口）；
- 恢复现场：将保存的寄存器值还原，恢复CPU执行原程序的初始状态；
- 中断返回：跳回原程序被暂停的位置（恢复PC值），继续执行原任务。
3. 中断嵌套
指高优先级中断可打断正在执行的低优先级中断服务程序，处理完高优先级中断后，返回继续执行低优先级中断，最终恢复原程序，本质是“优先级抢占”机制。
- 示例：CPU正在处理“INT1按键中断”（低优先级），此时“Timer0溢出中断”（高优先级）触发，CPU会暂停INT1处理，优先执行Timer0服务程序，执行完后回到INT1中断，最后返回原程序。
- 优先级控制：通过IP（中断优先级寄存器）、IPH（高优先级寄存器） 配置，STC89C51默认优先级从高到低为：INT0 > Timer0 > INT1 > Timer1 > UART > Timer2 > INT2 > INT3。
4. 中断向量表
是存储“中断号（查询次序号）”与“中断服务程序入口地址”的指针数组，相当于CPU的“中断导航目录”，用于快速定位服务程序。
- 51单片机C语言编程中，中断号直接对应
interrupt关键字后的参数，具体映射如下：中断类型 中断号 服务函数示例 外部中断0（INT0） 0 void Int0_Routine(void) interrupt 0;定时器0（Timer0） 1 void Timer0_Routine(void) interrupt 1;外部中断1（INT1） 2 void Int1_Routine(void) interrupt 2;定时器1（Timer1） 3 void Timer1_Routine(void) interrupt 3;串口（UART） 4 void UART_Routine(void) interrupt 4;定时器2（Timer2） 5 void Timer2_Routine(void) interrupt 5;外部中断2（INT2） 6 void Int2_Routine(void) interrupt 6;外部中断3（INT3） 7 void Int3_Routine(void) interrupt 7;
5. 中断控制寄存器
中断的使能、类型（电平/边沿触发）需通过专用寄存器配置，核心寄存器包括IE（中断允许寄存器） 和TCON（定时器/中断控制寄存器）。
（1）IE寄存器（中断允许，地址：A8H，可位寻址）
| 位序号 | 位名称 | 功能描述 |
|---|---|---|
| B7 | EA | 全局中断使能位：1=允许全局中断；0=禁止所有中断 |
| B6 | - | 保留位，无实际功能 |
| B5 | - | 保留位，无实际功能 |
| B4 | ES | 串口中断使能位：1=允许；0=禁止 |
| B3 | ET1 | Timer1中断使能位：1=允许；0=禁止 |
| B2 | EX1 | INT1中断使能位：1=允许；0=禁止 |
| B1 | ET0 | Timer0中断使能位：1=允许；0=禁止 |
| B0 | EX0 | INT0中断使能位：1=允许；0=禁止 |
（2）TCON寄存器（定时/中断控制，地址：88H，可位寻址）
| 位序号 | 位名称 | 功能描述 |
|---|---|---|
| B7 | TF1 | Timer1溢出标志：计数溢出时硬件置1，CPU响应中断后硬件清0（也可软件清0） |
| B6 | TR1 | Timer1运行控制位：1=启动Timer1；0=停止Timer1 |
| B5 | TF0 | Timer0溢出标志：功能同TF1，对应Timer0 |
| B4 | TR0 | Timer0运行控制位：功能同TR1，对应Timer0 |
| B3 | IE1 | INT1请求标志：INT1触发时硬件置1，CPU响应后硬件清0 |
| B2 | IT1 | INT1触发类型位：1=下降沿触发；0=低电平触发 |
| B1 | IE0 | INT0请求标志：功能同IE1，对应INT0 |
| B0 | IT0 | INT0触发类型位：功能同IT1，对应INT0 |
二、定时器系统
51单片机定时器本质是“可编程计数器”，基于机器周期（1机器周期=12晶振周期）实现定时或计数功能，核心包含工作原理、控制寄存器及实战代码。
1. 定时器工作原理
定时器核心是16位计数器（由高8位THx和低8位TLx组成） ，支持两种工作模式，需通过TMOD寄存器配置模式，TRx启动计数：
- 定时模式：计数器对内部机器周期计数。从预设初值（THx/TLx）开始加1，计数到65535（0xFFFF）后溢出，触发
TFx标志，向CPU请求中断（如定时1ms）； - 计数模式：计数器对外部引脚脉冲计数。引脚（T0=P3.4、T1=P3.5）每检测到1个脉冲上升沿/下降沿，计数加1，溢出后触发中断（如统计按键次数）。
2. 核心控制寄存器
除上述TCON外，定时器模式由TMOD配置，初值由THx/TLx设置：
（1）TMOD寄存器（定时器模式，地址：89H，不可位寻址）
| 位序号 | 位名称 | 功能描述（高4位对应Timer1，低4位对应Timer0） |
|---|---|---|
| B7/B3 | GATE | 门控位：1=由INTx引脚和TRx共同控制启动；0=仅由TRx控制启动 |
| B6/B2 | C/T | 模式选择位：1=计数模式（外部脉冲）；0=定时模式（内部机器周期） |
| B5~B4/B1~B0 | M1~M0 | 工作模式位：00=13位定时/计数；01=16位定时/计数；10=8位自动重装；11=双8位 |
（2）THx/TLx寄存器（定时器初值寄存器）
TH0（地址8CH）/TL0（地址8AH）：Timer0的高8位/低8位初值寄存器；TH1（地址8DH）/TL1（地址8BH）：Timer1的高8位/低8位初值寄存器；- 初值计算：若定时$t$ ms，晶振频率$f_{\text{osc}}$（如11.0592MHz），则初值 = $65536 - \frac{t \times 10^{-3} \times f_{\text{osc}} \times 10^{6}}{12}$。
3. 实战代码示例
（1）定时器0控制P2口LED闪烁（定时500ms翻转）
（1）定时器0控制P2口LED闪烁（定时500ms翻转）#include <reg52.h>// 定时器0初始化：16位定时模式，允许中断
void init_timer0(void)
{IE |= (1 << 7) | (1 << 1); // 使能全局中断（EA=1）和Timer0中断（ET0=1）TCON |= (1 << 4); // 启动Timer0（TR0=1）TMOD &= ~(3 << 2); // 清除Timer0模式位（M1~M0）TMOD &= ~(1 << 1); TMOD |= (1 << 0); // Timer0设为16位定时模式（M1=0，M0=1）TH0 = 64535 >> 8; // 加载初值（定时约1ms，晶振11.0592MHz）TL0 = 64535;
}// Timer0中断服务函数：计数500次（500ms）翻转P2口
void timer0_handler(void) interrupt 1
{static int t = 0;++t;if (t >= 500) { // 累计500msP2 ^= 0xFF; // 翻转P2所有引脚（LED闪烁）t = 0;}TH0 = 65035 >> 8; // 重新加载初值（避免溢出后计数不准）TL0 = 65035;
}int main(void)
{init_timer0();P2 = 0xFF; // 初始P2口高电平（LED灭）while (1){} // 主循环空转，等待中断return 0;
}（2）定时器控制和五个按键控制蜂鸣器不同频率的声音
#include <reg52.h>
#include "key.h" // 需确保该头文件中实现了init_key()（按键初始化）和key_pressed()（按键检测）// 蜂鸣器频率对应的定时器0初值（晶振频率默认11.0592MHz，1机器周期=12/11059200≈1.085μs）
// 计算逻辑：定时时间=（65536-初值）×机器周期，蜂鸣器方波频率=1/(2×定时时间)（翻转一次为半个周期）
#define Hz200 63035 // 200Hz频率对应的定时器初值
#define Hz400 64285 // 400Hz频率对应的定时器初值
#define Hz800 64910 // 800Hz频率对应的定时器初值
#define Hz1000 65035 // 1000Hz频率对应的定时器初值
#define Hz2000 65285 // 2000Hz频率对应的定时器初值unsigned short n = Hz200; // 蜂鸣器初始频率对应的定时器初值（默认200Hz）/*** @brief 定时器0初始化函数（16位定时模式，用于产生蜂鸣器驱动方波）* 配置说明：* 1. 使能全局中断（EA=1）和定时器0中断（ET0=1）* 2. 定时器0工作模式：模式1（16位定时，需手动重装初值）* 3. 初始加载默认频率（200Hz）的初值，定时器暂不启动（TR0=0，由按键控制启动）*/
void init_timer0(void)
{IE |= (1 << 7) | (1 << 1); // EA=1（全局中断使能），ET0=1（定时器0中断使能）// TCON |= (1 << 4); // 注释：定时器0运行控制位TR0暂不置1，由按键触发启动// 配置定时器0工作模式（模式1：16位定时）TMOD &= ~(3 << 2); // 清除定时器1的模式位（TMOD高4位，避免干扰）TMOD &= ~(3 << 0); // 清除定时器0的模式位（TMOD低4位：M1M0初始化为00）TMOD |= (1 << 0); // 定时器0模式1：M1=0，M0=1（16位定时模式）TH0 = n >> 8; // 加载定时器0高8位初值（n为16位，右移8位取高字节）TL0 = n; // 加载定时器0低8位初值
}/*** @brief 定时器0中断服务函数（核心：翻转P2.1引脚，产生蜂鸣器驱动方波）* 逻辑说明：* 1. 每次定时器0溢出（达到定时时间），触发中断* 2. 翻转P2.1电平（高→低/低→高），产生方波信号* 3. 重新加载初值（16位模式无自动重装，需手动补初值，确保定时精度）*/
void timer0_handler(void) interrupt 1
{P2 ^= (1 << 1); // 翻转P2.1引脚电平（蜂鸣器接此引脚，方波驱动发声）TH0 = n >> 8; // 重新加载定时器高8位初值（避免下一次定时时间偏差）TL0 = n; // 重新加载定时器低8位初值
}/*** @brief 主函数（按键检测+频率切换+定时器启停控制）* 功能流程：* 1. 初始化定时器0和按键* 2. 循环检测按键：* - 按键1~5：设置对应频率的初值，启动定时器0（蜂鸣器按对应频率发声）* - 无按键（key=0）：停止定时器0（蜂鸣器静音）*/
int main(void)
{int key; // 优化：将key定义在函数开头，兼容部分51编译器的局部变量处理规则init_timer0(); // 初始化定时器0init_key(); // 初始化按键（需在key.h中实现，如配置按键引脚、消抖等）while(1) // 主循环：持续检测按键{key = key_pressed(); // 读取按键值（返回0=无按键，1~5=对应按键）// 按键1：蜂鸣器频率设为200Hz，启动定时器0if(key == 1){n = Hz200;TCON |= (1 << 4); // TR0=1（启动定时器0，开始产生方波）}// 按键2：蜂鸣器频率设为400Hz，启动定时器0else if(key == 2){n = Hz400;TCON |= (1 << 4);}// 按键3：蜂鸣器频率设为800Hz，启动定时器0else if(key == 3){n = Hz800;TCON |= (1 << 4);}// 按键4：蜂鸣器频率设为1000Hz，启动定时器0else if(key == 4){n = Hz1000;TCON |= (1 << 4);}// 按键5：蜂鸣器频率设为2000Hz，启动定时器0else if(key == 5){n = Hz2000;TCON |= (1 << 4);}// 无按键：停止定时器0（蜂鸣器静音）else if(key == 0){TCON &= ~(1 << 4); // TR0=0（停止定时器0，方波中断，蜂鸣器不发声）}}return 0; // 主函数返回（实际51单片机中此句可省略，循环永不退出）
}key.c
#include <reg52.h>void init_key(void)
{P1 |= (0x0f << 4);
}int key_pressed(void)
{int ret = 0;if((P1 & (1 << 4)) == 0){ret = 1;}else if((P1 & (1 << 5)) == 0){ret = 2;}else if((P1 & (1 << 6)) == 0){ret = 3;}else if((P1 & (1 << 7)) == 0){ret = 4;}else if((P3 & (1 << 5)) == 0){ret = 5;}return ret;
}