51单片机-中断-晶体管

myy-learn2026-09-17 12:00

1. 中断的基本概念

中断系统是为使 CPU 具有对外界紧急事件的实时处理能力而设置的。当中央处理 CPU 正在处理某件事的时候，外界发生了紧急事件请求，要求 CPU 暂停当前的工作，转而去处理这个紧急事件，处理完成以后，再回到原来被中断的地方继续原来的工作，这样的过程被称为中断。实现这种功能的部件称为中断系统，请求 CPU 中断的被称为中断源。

当几个中断源同时向 CPU 请求中断，CPU 会优先处理紧急事件的中断请求源，即规定每一个中断源有一个优先级别，CPU 总是先响应优先级别最高的中断请求。

2. 中断处理流程

一次完整的中断处理过程可以分为以下六个步骤：

  1. 中断源发起中断请求：外部或内部事件触发中断标志位置位，向 CPU 发出中断请求。
  2. 检查中断是否需要被屏蔽 ：通过 EA、EX0 等中断允许寄存器判断该中断是否被允许响应。
  3. 中断优先级判断 ：当多个中断同时请求时，通过 IP、IPH、XICON 寄存器设置优先级，CPU 优先响应优先级最高的中断。STC89C51RC 单片机支持中断嵌套，可实现两层嵌套。
  4. 保护现场：中断会打断主程序，而中断函数和主程序可能共用同一套硬件资源，如果不保护，中断返回后主程序的数据就被破坏了。
  5. 执行中断服务函数 ：CPU 根据异常向量表找到中断对应的处理函数并自动调用，例如 void Eint0Handler(void) interrupt 0;。
  6. 恢复现场：中断处理完毕后，恢复之前保存的现场数据，返回主程序继续执行。

3. 中断允许控制（IE 寄存器）

中断是否需要被屏蔽，由中断允许寄存器 IE 控制。IE 寄存器中每一位对应一个中断源的允许位：

位 名称 功能
0 EX0 外部中断 0 允许位，置 1 允许，置 0 禁止
1 ET0 定时器 0 中断允许位，置 1 允许 T0 中断，置 0 禁止 T0 中断
7 EA 总中断允许位，置 1 时 CPU 开放中断，置 0 时 CPU 关闭中断并屏蔽所有中断申请
c 复制代码 
EX0 = 1;   // 允许外部中断 0
ET0 = 1;   // 允许定时器 0 中断
EA = 1;    // CPU 开放总中断

4. 外部中断 0 与 TCON 寄存器

外部中断 0 的控制与标志位位于 TCON 寄存器中，主要包括中断标志位和触发方式控制位：

位 名称 功能
IE0 外部中断 0 标志 当 P3.2 引脚有下降沿时 IE0 置为 1，向 CPU 发送外部中断 0 请求。CPU 响应外部中断时自动清零（下降沿触发方式）
IT0 触发方式控制 置 0 时 P3.2 引脚低电平触发外部中断 0；置 1 时下降沿触发外部中断 0
c 复制代码 
IT0 = 1;   // 下降沿触发外部中断 0

需要注意的是，当 P3.2 引脚出现下降沿时，IE0 会被硬件置为 1，但不会自动清零。CPU 执行完中断处理函数后会自动将 IE0 清零，无需用户手动操作，为下次中断做好准备。

5. 中断优先级

STC89C51RC 单片机共有 8 个中断请求源，所有中断都有 4 个中断优先级，通过 IP 寄存器、IPH 寄存器、XICON 寄存器修改对应的值来设置中断源的优先级。

CPU 会根据异常向量表找到中断对应的处理函数来执行该函数。中断处理函数需要提前编写好并放在中断向量表中对应的位置，CPU 会自动帮用户调用写好的处理函数，例如：

c 复制代码 
void Eint0Handler(void) interrupt 0
{
    // 中断处理代码
}

CPU 处理完毕、执行完中断处理函数后，会将 IE0 清零，表示该次中断处理完成，为下次中断做准备，无需用户手动操作。

6. 保护现场

保护现场是中断处理中非常关键的一步。中断会打断主程序，而中断函数和主程序可能共用同一套硬件资源，如果不保护，中断返回后主程序的数据就被破坏了。

需要保护的主要资源包括：

  • PSW 程序状态字：包含 CY、AC、OV、RS0/RS1、P 等标志位
  • ACC（A）累加器：运算核心寄存器
  • B 寄存器：乘除法运算辅助寄存器
  • DPTR（DPL+DPH）数据指针：用于外部数据存储器的寻址
  • R0~R7 工作寄存器：通用寄存器组

7. 定时器 / 计数器原理

51 单片机的定时器 / 计数器通过 TMOD 寄存器设置工作模式，通过单片机晶振频率获得时钟频率（默认 12T），实际计数频率为晶振频率除以 12。

控制位 位置 功能
TR0 TCON 是否开始计数，置 1 开始计数，置 0 禁止计数
C/T TMOD.2（位 6） 控制定时器或计数器，置 0 为定时器，置 1 为计数器（P3.4 输入）
GATE TMOD.3（位 7） 门控位，置 1 时只有 P3.2 为高电平且 TR0 为 1 才开始定时 / 计数
MODE.0 / MODE.1 TMOD 低两位 设置计数器或定时器的模式，支持 13 位或 16 位模式

TL0 与 TH0 各 8 位拼为 16 位，计数终点为 FFFF。通过控制初值进行定时，当计数器溢出时触发中断。

c 复制代码 
// 设置定时器 0 为 16 位定时模式
TMOD &= ~0x3;
TMOD |= 0x1;

// 定时器赋初值
TH0 = 0x4B;
TL0 = 0xFE;

// 开启定时器中断和总中断
ET0 = 1;
EA = 1;

// 启动定时器 0
TR0 = 1;

8. 晶体管显示原理

在 51 单片机数码管显示电路中，晶体管（三极管）通常作为位选驱动开关使用。由于单片机 I/O 口的驱动能力有限，无法直接点亮多位数码管，因此通过晶体管放大电流来驱动每一位数码管的公共端（共阴或共阳），实现动态扫描显示。

以共阴数码管为例，其显示原理如下：

  • 段选（P0 口） ：P0 口输出段码（如 0x3F 表示数字 0），控制数码管中哪几段 LED 点亮。
  • 位选（晶体管） ：通过 Led1En ~ Led4En 控制晶体管导通，选中当前要显示的某一位数码管。
  • 动态扫描：依次快速轮流点亮每一位，利用人眼视觉暂留效应，看起来四位数码管同时显示。

在代码中，Led1En、Led2En、Led3En、Led4En 分别控制四个位选晶体管。当某一位的使能引脚为低电平时，对应晶体管导通，该位数码管被选中；此时 P0 口输出的段码就会显示在该位上。

c 复制代码 
// 显示个位：选中第 1 位数码管，输出个位段码
Led1En = 1;
Led2En = 0;
Led3En = 0;
Led4En = 0;
P0 = NumCode[Ge];
Delay1ms();

// 显示十位：选中第 2 位数码管，输出十位段码
Led1En = 0;
Led2En = 1;
Led3En = 0;
Led4En = 0;
P0 = NumCode[Shi];
Delay1ms();

通过 DisplayNum 函数，将四位数字拆分为千位、百位、十位、个位，再配合晶体管位选和 P0 口段码输出，即可完成四位数码管的动态显示。

9. 完整代码示例

下面给出结合定时器中断与晶体管数码管显示的完整 51 单片机代码，实现每秒数字加一并在四位数码管上显示：

c 复制代码 
#include <reg52.h>
#include <intrins.h>

sbit Led1En = P1^0;
sbit Led2En = P1^1;
sbit Led3En = P1^2;
sbit Led4En = P1^3;

unsigned char NumCode[10] = {0x3F, 0x06, 0x5B, 0x4F, 0x66, 0x6D, 0x7D, 0x07, 0x7F, 0x6F};

volatile int cnt = 0;
volatile int Num = 0;

void Timer0Handler(void) interrupt 1
{
    // 定时器赋初值
    TH0 = 0x4B;
    TL0 = 0xFE;

    cnt++;
    if (20 == cnt)
    {
        Num++;
        cnt = 0;
    }
    return;
}

void Delay1ms(void)    //@11.0592MHz
{
    unsigned char data i, j;
    _nop_();
    i = 2;
    j = 199;
    do
    {
        while (--j);
    } while (--i);
}

void DisplayNum(int TmpNum)
{
    int Qian = 0;
    int Bai = 0;
    int Shi = 0;
    int Ge = 0;

    Qian = TmpNum / 1000;
    Bai = TmpNum % 1000 / 100;
    Shi = TmpNum % 100 / 10;
    Ge = TmpNum % 10;

    // 显示个位
    Led1En = 1;
    Led2En = 0;
    Led3En = 0;
    Led4En = 0;
    P0 = NumCode[Ge];
    Delay1ms();

    // 显示十位
    Led1En = 0;
    Led2En = 1;
    Led3En = 0;
    Led4En = 0;
    P0 = NumCode[Shi];
    Delay1ms();

    // 显示百位
    Led1En = 0;
    Led2En = 0;
    Led3En = 1;
    Led4En = 0;
    P0 = NumCode[Bai];
    Delay1ms();

    // 显示千位
    Led1En = 0;
    Led2En = 0;
    Led3En = 0;
    Led4En = 1;
    P0 = NumCode[Qian];
    Delay1ms();

    return;
}

int main(void)
{
    // 设置定时器工作模式（16 位定时器）
    TMOD &= ~0x3;
    TMOD |= 0x1;

    // 定时器赋初值
    TH0 = 0x4B;
    TL0 = 0xFE;

    // 定时器中断开启
    ET0 = 1;
    EA = 1;

    // 开启定时器 0
    TR0 = 1;

    while (1)
    {
        DisplayNum(Num);
    }

    return 0;
}

代码中，定时器 0 每 50ms 产生一次中断，中断 20 次（即 1 秒）后 Num 加一；主循环不断调用 DisplayNum，通过晶体管位选和 P0 口段码输出，将当前计数值动态显示在四位数码管上。

8. 关键知识点总结

模块 关键点 说明
中断概念 实时处理 CPU 暂停当前工作，转去处理紧急事件，处理完再返回
中断流程 六步处理 请求 → 屏蔽检查 → 优先级判断 → 保护现场 → 执行服务函数 → 恢复现场
IE 寄存器 中断允许 EX0 控制外部中断 0，ET0 控制定时器 0，EA 为总开关
TCON 寄存器 标志与触发 IE0 为外部中断 0 标志，IT0 控制触发方式（电平 / 下降沿）
中断优先级 IP / IPH / XICON 8 个中断源，4 个优先级，支持两层嵌套
保护现场 硬件资源 PSW、ACC、B、DPTR、R0~R7 等寄存器需要保护
定时器 TMOD / TCON C/T 选择定时或计数，GATE 门控，MODE 选择 13 位或 16 位
计数原理 初值控制 TL0 + TH0 拼为 16 位，溢出触发中断，通过初值控制定时时长

1.中断源发起中断请求 IT0

2.检查中断是否需要被屏蔽 EA， EX0

3.中断优先级判断（中断嵌套，单片机支持两层嵌套）IP， IPH， XICON

4.保护现场，为什么？具体保护什么？

5.执行中断服务函数 void Eint0Handler(void) interrupt 0;

6.恢复现场

2

中断是否需要被屏蔽，IE寄存器，

0（EX0），置1，1允许T0中断，0禁止T0中断

EX0 = 1；

7（EA）， 置1，1CPU开放中断，0CPU关闭中断屏蔽所有中断申请

EA = 1；

TCON

IE0：外部中断0标志，1向CPU发送外部中断0请求

CPU响应外部中断时，物理清0（下降沿）

当P32引脚有下降沿时将IE0置为1，IE0不会请0，CPU执行中断处理函数后自动清0

0（IT0）， 置1 触发方式， 0P3.2引脚低电平触发外部中断0

1下降沿触发外部中断0 IT0 = 1；

3

中断优先级：

STC89C51RC单片机共有8个中断请求源，所有中断都有4个中断优先级，

通过IP寄存器，IPH寄存器，XICON寄存器，修改对应的值来设置中断源的优先级

CPU会根据异常向量表来找到中断对应的处理函数来执行该函数

提前编写好中断处理函数放在中断向量表中对应的位置，CPU会自动帮用户调用

写好的处理函数

void Eint0Handler(void) interrupt 0;

CPU处理完毕执行完毕中断处理函数后，会将IE0清零，表示该次中断处理完成

为下次中断做准备，无需用户手动操作

中断：

中断系统是为使CPU具有对外界紧急事件的实时处理能力而设置的。

当中央处理CPU正在处理某件事的时候，外界发生了紧急事件请求，要求CPU暂停

当前的工作，转而去处理这个紧急事件，处理完成以后，再回到原来被中断的地方

继续原来的工作，这样的过程被称为中断。实现这种功能的部件称为中断系统，请求

CPU中断的被称为中断源。当几个中断源同时向CPU请求中断，CPU会优先处理紧急

事件的中断请求源，即规定每一个中断源有一个优先级别，CPU总是先响应优先

级别最高的中断请求。

保护现场：

中断会打断主程序，而中断函数和主程序可能共用同一套硬件资源，如果不保护，

中断返回后主程序的数据就被破坏了。

PSW 程序状态字（含 CY、AC、OV、RS0/RS1、P）

ACC（A） 累加器

B B寄存器

DPTR(DPL+DPH) 数据指针

R0~R7 工作寄存器

计数器：

通过TMOD寄存器设置计数器或定时器的模式

通过单片机晶振频率获得时钟频率（默认12T）时钟频率÷12

TCON-TR0是否开始计数1计数0禁止

TMOD.2 6（1）C/T控制定时器或计数器0为定时器或计数器，0定时器，1计数器（P3.4）

TMOD.3 7（1）GATE控制定时器0， 1只有P3.2高电平，TR0为1开始定时/计数

TL0与TH0各8位拼为16位，终点FFFF，通过控制初值进行定时

溢出触发中断

通过MODE.0以及MODE.1来设置计数器或定时器的模式

13位or16位

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