51单片机：中断、定时器与PWM整合手册

眰恦ゞLYF2025-09-05 18:37

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：

  1. 中断请求：中断源（如Timer0溢出、INT0按键）向CPU发送触发信号；
  2. 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，
  3. 确认优先级：确认中断优先级（如高优先级中断优先响应）；
  4. 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；
  5. 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）；
  6. 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；
  7. 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）
c 复制代码 
（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500ms
        P2 ^= 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

cs 复制代码 
#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0
    init_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0
        if(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0
        else if(key == 2)
        {
            n = Hz400;
            TCON |= (1 << 4);
        }
        // 按键3：蜂鸣器频率设为800Hz，启动定时器0
        else if(key == 3)
        {
            n = Hz800;
            TCON |= (1 << 4);
        }
        // 按键4：蜂鸣器频率设为1000Hz，启动定时器0
        else if(key == 4)
        {
            n = Hz1000;
            TCON |= (1 << 4);
        }
        // 按键5：蜂鸣器频率设为2000Hz，启动定时器0
        else 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

cs 复制代码 
#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;
}
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