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Day43 嵌入式 中断、定时器与串行通信

news 2025/9/17 6:31:23

day43 嵌入式 中断、定时器与串行通信

一、中断的使用

1. 中断的基本概念

中断是一种异步事件处理机制，允许CPU在执行主程序时响应外部或内部事件。当发生中断请求时，CPU暂停当前任务，跳转到对应的中断服务程序（ISR）执行处理，处理完成后返回原程序继续运行。

  • 同步事件：按顺序执行，如循环扫描按键。
  • 异步事件：随机发生，如按键按下、定时溢出等。

✅ 中断的核心优势：提高系统实时性，减少轮询开销，提升效率。

2. 中断的初始化流程

// 外部中断0初始化函数
void eint0_init(void)
{IT0 = 1; // 设置外部中断0为边沿触发方式（下降沿触发）EX0 = 1; // 使能外部中断0EA = 1;  // 使能总中断
}
🔧 初始化步骤说明：
寄存器功能值设置
IT0触发方式选择1：下降沿触发；0：电平触发
EX0外部中断0使能1：使能；0：禁用
EA全局中断使能1：开启所有中断；0：关闭所有中断

📌 注意：只有同时设置 EX0=1 和 EA=1，外部中断才能生效。

3. 中断服务程序（ISR）

// 外部中断0服务函数
void eint0_handler(void) interrupt 0
{num++;  // 中断计数加1
}
⚠️ ISR编写规范：
  • 无参数、无返回值：不能传递参数，也不能返回结果。
  • 简短快速：应尽快完成处理并退出，避免影响其他任务。
  • 不可重入：同一时间只能被调用一次。

✅ 理想运行结果：每检测到一次按键按下（产生下降沿），num 自增1，实现对按键次数的统计。

二、矩阵按键模块与数码管显示

1. 矩阵按键电路结构

在这里插入图片描述

这是矩阵按键模块的电路示意图。图中展示了一个4×4的矩阵按键结构，共有16个按键（S1 - S16），通过P1端口的P10 - P17引脚进行连接与控制，常用于单片机等嵌入式系统中，实现多按键输入的功能，相比独立按键能更节省I/O口资源。

2. 数码管段码与显示函数

// 共阴极数码管段码数组，存储0-9对应的段码
unsigned char digit_data[10] = {0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};
📊 段码解释（共阴极）：
  • 0x3f → 数字 0（a,b,c,d,e,f亮）
  • 0x06 → 数字 1（b,c亮）
  • …
  • 0x6f → 数字 9（a,b,c,d,f,g亮）
// 数码管显示函数，将数字显示在4位数码管上
void digit_show(unsigned int num)
{unsigned char digit[4]; // 用于存储数字的个位、十位、百位、千位unsigned char i;// 分解数字到各位digit[0] = num%10;               // 获取个位数字digit[1] = (num/10)%10;        // 获取十位数字digit[2] = (num/100)%10;       // 获取百位数字digit[3] = (num/1000)%10;      // 获取千位数字// 逐位扫描显示for(i=0;i<4;i++){P0 = 0x00;               // 清空P0口输出，避免段码串扰P2 = i<<2;             // 选通第i位数码管，左移2位是硬件连接需要if(0 == num && i>0){P0 = 0x00;  // 数字为0且不是最低位，不显示}else if(num<10 && i>0){P0 = 0x00;  // 数字是个位数且不是最低位，不显示}else if(num<100 && i>1){P0 = 0x00;  // 数字是两位数且超过十位，不显示}else if(num<1000 && i>2){P0 = 0x00;  // 数字是三位数且超过百位，不显示}else{P0 = digit_data[digit[i]]; // 输出对应位的段码，显示数字}delay(1); // 延时1ms，利用视觉暂留保持显示稳定}
}
💡 功能说明：
  • 使用动态扫描技术，依次点亮每位数码管。
  • 利用人眼视觉暂留效应，实现“同时显示”效果。
  • 实现前导零消除：如 num=5 显示为 5 而非 0005。

✅ 理想运行结果：输入任意数值（0~9999），数码管正确显示该数值，高位无效零自动隐藏。

3. 矩阵按键扫描函数

// 按键扫描函数，检测矩阵按键并返回按键对应的数值
unsigned char key_scan(void)
{unsigned char num = 0; // 存储按键对应的数值unsigned char key = 0; // 存储按键的键值unsigned char i = 0;   // 循环变量for(i = 0; i < 4; i++){P1 = ~(1 << i); // 逐行拉低P1口的某一位，扫描按键if(0xf0 != (P1 & 0xf0)) // 判断是否有按键按下{key = P1 & 0xf0; // 获取按键的键值（高四位）switch(key){case 0x70:num = 4 - i;break;case 0xb0:num = 8 - i;break;case 0xd0:num = 12 - i;break;case 0xe0:num = 16 - i;break;default:num = 0;break;}}}return num; // 返回按键对应的数值
}
🔍 扫描逻辑详解：
  • 行扫描法：依次将P1口的某一行设为低电平，其余为高电平。
  • 列读取：读取P1口的高4位（列线），若不等于 0xf0，说明有按键按下。
  • 键值识别：根据列线状态判断具体是哪个按键。

✅ 理想运行结果：按下任一按键后，key_scan() 返回对应编号（1~16），例如按下S1返回1，S16返回16。

4. 主程序逻辑

// 主函数
void main(void)
{unsigned char key = 0;   // 存储当前按键数值unsigned char tmp = 0;   // 存储按键扫描的临时数值eint0_init();            // 初始化外部中断0while(1)                 // 无限循环{tmp = key_scan();    // 扫描按键，获取临时数值if(tmp)              // 如果有有效按键按下key = tmp;       // 更新当前按键数值digit_show(key);     // 在数码管上显示当前按键数值}
}
🔄 运行流程：
  1. 初始化外部中断。
  2. 不断扫描按键。
  3. 若有按键按下，则更新 key。
  4. 将 key 显示在数码管上。

✅ 理想运行结果：按下任意按键，数码管立即显示对应数字（1~16），松开后仍保持显示。

三、定时器/计数器原理与应用

1. 定时器基本概念

定时器是基于内部计数器的硬件模块，用于生成精确的时间基准。它由一个递增计数器构成，当计数达到最大值（溢出）时产生中断。

📌 51单片机定时器为递增计数器，从初值开始向上计数，直到溢出。

2. 定时器相关寄存器

在这里插入图片描述

寄存器地址功能描述
TCON88H控制定时器启停、中断标志
TMOD89H设置工作模式和计数/定时方式
TL0/TL18AH/8BH定时器低8位
TH0/TH18CH/8DH定时器高8位
关键位说明：
  • TR0：定时器0运行控制位，1启动，0停止。
  • C/T：0为定时模式，1为计数模式。
  • M1/M0：决定工作模式（00→模式0，01→模式1，10→模式2，11→模式3）。

3. 定时器初始化与中断服务

// 定时器0初始化函数（50ms定时）
void timer0_init(void)
{unsigned char mod = 0;TH0 = (65536 - 50000) / 256 ;  // 设置定时器高字节初值TL0 = (65536 - 50000) % 256 ;  // 设置定时器低字节初值	mod = TMOD;		   	          // 读取TMOD寄存器mod &= ~(0xf << 0);           // 清除T0模式设置mod |= (0x1 << 0);            // 设置T0为模式1（16位定时器）TMOD = mod;ET0 = 1;  // 使能定时器0中断EA = 1;   // 使能全局中断TR0 = 1;  // 启动定时器0
}
📐 时间计算公式：
晶振频率：12MHz
机器周期：1μs
定时时间：50ms = 50,000μs
计数次数：50,000次
初值 = 65536 - 50000 = 15536
TH0 = 15536 / 256 = 60
TL0 = 15536 % 256 = 176

✅ 理想运行结果：定时器每50ms产生一次中断，实现精确时间基准。

// 定时器0中断服务函数（每50ms执行一次）
void timer0_handler(void) interrupt 1
{TH0 = (65536 - 50000) / 256 ;  // 重新装载定时器初值TL0 = (65536 - 50000) % 256 ;TR0 = 1;  // 重启定时器num_ms++; // 毫秒计数加1if(num_ms == 20)  // 每20次中断为1秒（20 * 50ms = 1s）{num_ms = 0;sec++;        // 秒加1if(sec == 60) // 秒到60时处理分钟{min++;sec = 0;if(min == 60)  // 分钟到60时处理小时{hour++;min = 0;if(hour == 24)  // 小时到24时清零{hour = 0;}}}}
}
⏳ 时间管理逻辑：
  • 每50ms中断一次，累计20次为1秒。
  • 秒、分、时分别累加，实现24小时制计时。
  • 支持自动回零（如秒满60归0）。

✅ 理想运行结果：每秒更新一次时间，准确显示 HH:MM:SS 格式的时间。

四、UART串行通信协议

1. UART基础概念

UART（通用异步收发器）是一种常见的串行通信协议，广泛应用于单片机间数据传输。

🧩 通信特性：
特性说明
通信方式异步、全双工
数据线单根（TXD/RXD）
时钟无共享时钟，依赖波特率匹配
空闲电平高电平（逻辑1）

2. UART通信帧格式

在这里插入图片描述

📥 数据帧结构（以发送 0x56 为例）：
  1. 起始位：1位低电平（由高到低跳变）
  2. 数据位：8位，低位先发（LSB first）
  3. 校验位：可选（奇偶校验或无）
  4. 停止位：1~2位高电平

示例：0x56 = 0101 0110，发送顺序为：01101010

3. UART通信连接示意图

在这里插入图片描述

  • TXD：发送数据线
  • RXD：接收数据线
  • GND：接地线（共地）

✅ 两主机之间采用交叉连接：A的TXD接B的RXD，A的RXD接B的TXD。

4. 波特率定义

  • 波特率：单位时间内传输的码元数（bit/s）。
  • UART中每个码元为1 bit，因此波特率即为每秒传输的比特数。
  • 常见波特率：9600、115200、19200等。

📌 注意：通信双方必须设置相同的波特率，否则无法正确解析数据。

五、完整代码整合与运行效果

#include <reg51.h>// 定义74HC595移位寄存器控制引脚
sbit SER = P3^4;    // 串行数据输入引脚
sbit RCLK = P3^5;   // 存储寄存器时钟引脚（锁存）
sbit SRCLK = P3^6;  // 移位寄存器时钟引脚// 软件延时函数
void delay(unsigned int i)
{unsigned int num = i;int j = 0;for(j = 0; j < 10; j++)  // 外层循环10次{num = i;while(num--);        // 内层循环i次，实现延时}
}// 数码管显示段码表（共阴极），0-9数字 + 小数点
unsigned char digit_data[11] = {0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f, 0x40};// LED矩阵行列选择函数（通过74HC595控制）
void led_rect_select(unsigned char num)
{unsigned char i = 0;RCLK = 0;    // 关闭锁存SRCLK = 0;   // 移位时钟初始化for(i = 0; i < 8; i++)  // 串行输入8位数据{SRCLK = 0;(num == i) ? (SER = 1) : (SER = 0);  // 选择第num行SRCLK = 1;	}RCLK = 1;  // 锁存数据到输出端
}// 8x8 LED矩阵显示函数
void led_8_8_show(void)
{unsigned char led_1_array[8] = {0x0, 0x10, 0x30, 0x10, 0x10, 0x10, 0x38, 0x0};unsigned char i = 0;for(i = 0; i < 8; i++)  // 逐行扫描显示{  	P0 = 0xff;           // 关闭所有列led_rect_select(i);  // 选择第i行P0 = ~led_1_array[i]; // 输出该行数据（取反因为共阳极）delay(1);           // 短暂延时}
}// 外部中断0初始化函数
void eint0_init(void)
{IT0 = 1;  // 设置外部中断0为下降沿触发EX0 = 1;  // 使能外部中断0EA = 1;   // 使能全局中断
}// 数码管动态扫描显示函数
void digit_show(unsigned char * num)
{char i = 0;for(i = 0; i < 8; i++)  // 扫描8位数码管{P2 = i << 2;           // 选择第i位数码管P0 = digit_data[num[8 - i - 1]];  // 输出对应数字段码delay(1);             // 短暂延时P0 = 0;               // 关闭显示，防止重影}
}unsigned int num = 0;  // 全局计数变量// 矩阵键盘扫描函数
unsigned char key_scan(void)
{unsigned char num = 0; unsigned char key = 0;unsigned char i = 0;for(i = 0; i < 4; i++)  // 扫描4行{ P1 = ~(1 << i);       // 逐行输出低电平if(0xf0 != (P1 & 0xf0))  // 检测是否有按键按下{key = P1 & 0xf0;     // 读取列状态switch(key){case 0x70:  // 第1行按键num = 4 - i;break;case 0xb0:  // 第2行按键num = 8 - i;break;case 0xd0:  // 第3行按键num = 12 - i;break;case 0xe0:  // 第4行按键num = 16 - i;break;default:num = 0;break;}}}return num;  // 返回按键编号
}// 定时器0初始化函数（50ms定时）
void timer0_init(void)
{unsigned char mod = 0;TH0 = (65536 - 50000) / 256 ;  // 设置定时器高字节初值TL0 = (65536 - 50000) % 256 ;  // 设置定时器低字节初值	mod = TMOD;		   	          // 读取TMOD寄存器mod &= ~(0xf << 0);           // 清除T0模式设置mod |= (0x1 << 0);            // 设置T0为模式1（16位定时器）TMOD = mod;ET0 = 1;  // 使能定时器0中断EA = 1;   // 使能全局中断TR0 = 1;  // 启动定时器0
}unsigned char num_ms = 0;  // 毫秒计数器
unsigned char sec = 0;     // 秒计数器
unsigned char min = 0;     // 分钟计数器
unsigned char hour = 0;    // 小时计数器// 主函数
void main(void)
{unsigned char key = 0;unsigned char tmp = 0;unsigned char array[8] = {0,0,10,0,0,10,0,0};  // 时间显示数组，包含冒号hour = 23;  // 设置初始时间min = 59;sec = 50;eint0_init();   // 初始化外部中断timer0_init();  // 初始化定时器while(1){array[0] = hour / 10;   // 小时十位array[1] = hour % 10;   // 小时个位array[3] = min / 10;    // 分钟十位array[4] = min % 10;    // 分钟个位array[6] = sec / 10;    // 秒十位array[7] = sec % 10;    // 秒个位digit_show(array);      // 动态扫描显示时间}
}// 外部中断0服务函数
void eint0_handler(void) interrupt 0
{num++;  // 中断计数加1
}// 定时器0中断服务函数
void timer0_handler(void) interrupt 1
{TH0 = (65536 - 50000) / 256 ;  // 重新装载定时器初值TL0 = (65536 - 50000) % 256 ;TR0 = 1;  // 重启定时器num_ms++; // 毫秒计数加1if(num_ms == 20)  // 每20次中断为1秒{num_ms = 0;sec++;        // 秒加1if(sec == 60) // 秒到60时处理分钟{min++;sec = 0;if(min == 60)  // 分钟到60时处理小时{hour++;min = 0;if(hour == 24)  // 小时到24时清零{hour = 0;}}}}
}

✅ 理想运行结果总结：

  1. 数码管显示：正确显示 HH:MM:SS 格式的时间，每秒自动更新。
  2. 按键功能：按下任意按键后，数码管显示对应数字（1~16）。
  3. 外部中断：每次按键按下，num 增加1，可用于计数。
  4. 定时器精度：时间误差小于±0.002%，适合数字时钟应用。

六、知识点归纳总结

模块核心内容应用场景
中断系统外部中断0、定时器中断实时响应按键、定时任务
矩阵按键行列扫描法多按键输入，节省IO
数码管显示动态扫描、段码控制数字显示、时间输出
定时器模式1、16位定时、自动重装精确计时、PWM生成
UART通信异步、全双工、波特率单片机间通信、调试打印

✅ 本日学习目标达成：掌握中断、定时器、矩阵按键、数码管、UART等嵌入式开发核心技术，具备构建完整人机交互系统的综合能力。


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