day42 51單片機中斷系統與8×8 LED點陣掃描顯示

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一、51單片機引腳位操作 —— sbit 關鍵字

作用

sbit 是專用于 51 單片機架構的 C 語言擴展關鍵字，用于定義特殊功能寄存器（SFR）中的某一位，從而實現對單個 I/O 引腳的直接位操作。

示例代碼

#include <reg51.h>  // 包含51單片機寄存器定義頭文件// 定義74HC595芯片控制引腳
sbit SER   = P3^4;    // 串行數據輸入引腳，連接P3.4
sbit RCLK  = P3^5;    // 存儲寄存器時鐘引腳，連接P3.5
sbit SRCLK = P3^6;    // 移位寄存器時鐘引腳，連接P3.6

• SER = P3^4：將 P3 端口第 4 位（即 P3.4 引腳）命名為 SER，后續可直接用 SER = 1; 或 SER = 0; 控制電平。
• RCLK = P3^5：控制 74HC595 的存儲寄存器鎖存時鐘。
• SRCLK = P3^6：控制 74HC595 的移位寄存器時鐘。

? 應用場景：精準控制單個引腳，如驅動外設芯片、LED、按鍵檢測等。

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二、74HC595 串轉并芯片工作原理

功能概述

74HC595 是一個 8 位串行輸入、并行輸出的移位寄存器芯片，通過 3 根控制線（SER、SRCLK、RCLK）即可控制 8 路輸出，極大節省單片機 I/O 資源。

關鍵引腳說明

引腳名	功能說明
SER	串行數據輸入端，逐位送入數據
SRCLK	移位寄存器時鐘，上升沿將 SER 數據移入內部寄存器
RCLK	存儲寄存器時鐘，上升沿將移位寄存器數據鎖存到輸出端口

行選通函數實現

/*** 選擇8*8點陣的行* @param num 要選擇的行號（0-7）* 通過74HC595串行輸入數據，控制對應行的選通*/
void led_rect_select(unsigned char num)
{unsigned char i = 0;RCLK = 0;  // 拉低存儲寄存器時鐘，準備接收數據SRCLK = 0; // 拉低移位寄存器時鐘，準備移位操作// 循環8次，串行輸入8位數據for(i = 0; i < 8; i++){SRCLK = 0;  // 拉低移位時鐘，準備輸入數據// 當i等于要選擇的行號時，SER置1，否則置0(num == i) ? (SER = 1) : (SER = 0);SRCLK = 1;  // 拉高移位時鐘，將SER數據移入移位寄存器}RCLK = 1;  // 拉高存儲寄存器時鐘，將移位寄存器數據鎖存到輸出寄存器
}

• 運行理想結果：調用 led_rect_select(3) 時，74HC595 輸出端口第 3 位為高電平，其余為低，即選通第 3 行 LED。

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三、8×8 LED點陣掃描顯示原理

硬件結構

• 8 行 × 8 列共 64 個 LED，采用“行選通 + 列數據”方式控制。
• 本例使用共陰極點陣：行選通為低電平有效，列數據為高電平時對應 LED 點亮。

逐行掃描 + 視覺暫留

• 原理：每次只選通一行，輸出該行的列數據，快速循環掃描 8 行（每行約 1ms），利用人眼視覺暫留效應（約 10~20ms）形成完整穩定圖像。
• 優勢：節省 I/O 資源，僅需 3 個引腳（74HC595）控制 8 行 + 8 個引腳（P0）控制 8 列。

顯示函數實現

/*** 在8*8點陣上顯示圖案* 通過逐行掃描的方式，顯示預設的圖案（此處為數字"1"）*/
void led_8_8_show(void)
{// 存儲8*8點陣每行要顯示的數據，對應顯示數字"1"unsigned char led_1_array[8] = {0x0, 0x10, 0x30, 0x10, 0x10, 0x10, 0x38, 0x0};unsigned char i = 0;// 逐行掃描顯示for(i = 0; i < 8; i++){  	P0 = 0xff;  // 關閉當前行顯示，避免串擾（共陰極，全高電平熄滅）led_rect_select(i);  // 選擇第i行P0 = ~led_1_array[i];  // 輸出第i行的列數據（取反是因為共陰極點陣：數據1=高電平=點亮）delay(1);  // 延時1ms，保持當前行顯示，利用視覺暫留形成穩定圖像}
}

• 圖案數組說明：
  • led_1_array[8] = {0x0, 0x10, 0x30, 0x10, 0x10, 0x10, 0x38, 0x0};
  • 例如 0x10 = 00010000B，表示該行第 5 列 LED 點亮。
• 取反原因：共陰極點陣中，列需輸出高電平才能點亮 LED，而數組中 1 表示“點亮”，故需 ~ 取反后送 P0 口。
• 理想運行結果：點陣穩定顯示數字“1”的圖案。

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四、延時函數實現與作用

功能

通過空循環消耗 CPU 時間，實現軟件延時，用于控制掃描頻率、穩定顯示亮度。

實現代碼

/*** 延時函數* @param i 延時參數，控制延時時間長短* 通過雙重循環實現延時，外層循環10次，內層循環由i控制*/
void delay(unsigned int i)
{unsigned int num = i;int j = 0;for(j = 0; j < 10; j++){num = i;while(num--);  // 內層循環，通過遞減計數實現延時}
}

• 調節方式：增大 i 值可延長延時。
• 應用場景：
  • 點陣掃描中，每行延時約 1ms（delay(1)），總周期約 8ms，刷新率約 125Hz，遠高于視覺暫留閾值（約 50Hz），顯示穩定無閃爍。
  • 延時過短 → 亮度不足；過長 → 閃爍明顯。

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五、數組在硬件控制中的應用

1. 數碼管段碼數組（備用）

/*** 共陰極數碼管段碼數組* 索引0-9分別對應數字0-9的十六進制段碼*/
unsigned char digit_data[10] = {0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f};

• 雖未在主邏輯中使用，但體現“用數組存儲固定硬件控制數據”的設計思想。

2. 點陣圖案數組

unsigned char led_1_array[8] = {0x0, 0x10, 0x30, 0x10, 0x10, 0x10, 0x38, 0x0};

• 每個元素對應一行 LED 的亮滅狀態。
• 修改數組即可切換顯示圖案，如改為 0x7F, 0x49, 0x49, 0x49, 0x36, 0x0, 0x0, 0x0 可顯示字母“E”。

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六、中斷系統詳解

中斷基本概念

• 中斷源：引起中斷產生的事件（如外部信號、定時器溢出、串口接收完成等）。
• 中斷服務程序（ISR）：中斷產生后 CPU 跳轉執行的處理函數。
• 程序計數器（PC）：指向當前執行指令地址，中斷發生時自動壓棧保存，中斷返回時恢復。

中斷系統作用

使 CPU 具備實時響應外部緊急事件的能力，提高系統效率與實時性。

中斷響應流程

1. 當前指令執行完畢。
2. PC 值壓入堆棧。
3. 現場保護（可選，由程序員實現）。
4. 屏蔽同級/低級中斷。
5. PC 裝載中斷向量地址（跳轉至 ISR）。
6. 執行中斷服務程序。
7. RETI 指令返回：恢復 PC，恢復中斷設置，繼續原程序。

? 中斷服務程序特點：無參數、無返回值、執行要快、盡量簡短。

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七、STC89C51RC/RD+ 中斷系統特性

中斷源（共8個）

中斷源	中斷號	中斷向量地址	查詢優先級
外部中斷0 (INT0)	0	0003H	最高
定時器0	1	000BH
外部中斷1 (INT1)	2	0013H
定時器1	3	001BH
UART 串口中斷	4	0023H
定時器2	5	002BH
外部中斷2 (INT2)	6	0033H
外部中斷3 (INT3)	7	003BH	最低

中斷優先級

• 支持 4 級優先級（通過 IPH 寄存器設置）。
• 若僅使用 IP 或 XICON，則為傳統 8051 的 2 級優先級。
• 高優先級可打斷低優先級 → 支持中斷嵌套。
• 同級中斷按查詢次序響應。

中斷控制寄存器

• EA (IE.7)：總中斷允許位，置 1 開啟全局中斷。
• EX0 (IE.0)：外部中斷 0 允許位。
• IT0 (TCON.0)：外部中斷 0 觸發方式（0=低電平，1=下降沿）。

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八、C語言中斷編程示例

初始化與主函數

// 外部中斷0初始化函數
void eint0_init(void)
{IT0 = 1;  // 設置外部中斷0為邊沿觸發方式（下降沿觸發）EX0 = 1;  // 使能外部中斷0EA = 1;   // 使能總中斷
}// 主函數
void main(void)
{unsigned char i = 0;eint0_init();  // 調用外部中斷0初始化函數while(1)  // 無限循環，等待中斷發生{// 主程序可執行其他任務，中斷發生時自動跳轉處理}
}

中斷服務程序（ISR）

// 外部中斷0處理函數，interrupt 0 表示該函數為外部中斷0的中斷服務程序
void eint0_handler(void) interrupt 0
{P2 = 0xaa;  // 中斷發生時，P2口輸出0xAA（10101010B），控制外部LED或指示燈
}

• interrupt 0：指定該函數為中斷號 0（外部中斷 0）的服務程序。
• 理想運行結果：當外部中斷 0 引腳（P3.2）檢測到下降沿，CPU 跳轉執行 eint0_handler()，P2 口輸出 0xAA，之后自動返回主循環。

📌 注意：ISR 中避免使用延時函數或復雜操作，防止阻塞其他中斷。

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九、中斷向量表與響應機制圖示

• 中斷向量表：包含各中斷服務函數入口地址（如 fun0() interrupt 0 對應 0003H）。
• CPU 響應中斷時，根據中斷源自動跳轉至對應向量地址。

• 中斷響應步驟：
  1. 當前指令執行完。
  2. PC 壓棧。
  3. 現場保護（程序員手動）。
  4. 屏蔽同級中斷。
  5. PC = 中斷向量地址。
  6. 執行 ISR。
  7. RETI 返回，恢復現場。

• 中斷觸發流程：中斷源（如 eint0）→ CPU 查詢中斷向量表 → 跳轉 ISR（如 eint0_handler()）→ 執行 → RETI 返回。

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十、總結

本節內容涵蓋 51 單片機兩大核心模塊：

1. 硬件驅動層

• 使用 sbit 精準控制 I/O 引腳。
• 驅動 74HC595 實現串轉并，節省 I/O。
• 8×8 LED 點陣逐行掃描 + 視覺暫留顯示技術。
• 延時函數調節掃描頻率。
• 數組存儲硬件控制數據，便于圖案切換。

2. 中斷系統層

• 中斷源、中斷向量、中斷優先級機制。
• 中斷響應流程與現場保護。
• C 語言中斷服務程序編寫規范（interrupt n）。
• 外部中斷初始化與觸發方式設置。
• 支持中斷嵌套與多級優先級。

? 綜合應用價值：掌握本節內容，可獨立完成“按鍵中斷控制點陣顯示切換”、“定時器中斷動態刷新圖案”等復雜嵌入式項目，是邁向高級單片機開發的堅實基礎。