day42 51单片机中断系统与8×8 LED点阵扫描显示

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一、51单片机引脚位操作 —— sbit 关键字

作用

sbit 是专用于 51 单片机架构的 C 语言扩展关键字，用于定义特殊功能寄存器（SFR）中的某一位，从而实现对单个 I/O 引脚的直接位操作。

示例代码

#include <reg51.h>  // 包含51单片机寄存器定义头文件// 定义74HC595芯片控制引脚
sbit SER   = P3^4;    // 串行数据输入引脚，连接P3.4
sbit RCLK  = P3^5;    // 存储寄存器时钟引脚，连接P3.5
sbit SRCLK = P3^6;    // 移位寄存器时钟引脚，连接P3.6

• SER = P3^4：将 P3 端口第 4 位（即 P3.4 引脚）命名为 SER，后续可直接用 SER = 1; 或 SER = 0; 控制电平。
• RCLK = P3^5：控制 74HC595 的存储寄存器锁存时钟。
• SRCLK = P3^6：控制 74HC595 的移位寄存器时钟。

✅ 应用场景：精准控制单个引脚，如驱动外设芯片、LED、按键检测等。

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二、74HC595 串转并芯片工作原理

功能概述

74HC595 是一个 8 位串行输入、并行输出的移位寄存器芯片，通过 3 根控制线（SER、SRCLK、RCLK）即可控制 8 路输出，极大节省单片机 I/O 资源。

关键引脚说明

引脚名	功能说明
SER	串行数据输入端，逐位送入数据
SRCLK	移位寄存器时钟，上升沿将 SER 数据移入内部寄存器
RCLK	存储寄存器时钟，上升沿将移位寄存器数据锁存到输出端口

行选通函数实现

/*** 选择8*8点阵的行* @param num 要选择的行号（0-7）* 通过74HC595串行输入数据，控制对应行的选通*/
void led_rect_select(unsigned char num)
{unsigned char i = 0;RCLK = 0;  // 拉低存储寄存器时钟，准备接收数据SRCLK = 0; // 拉低移位寄存器时钟，准备移位操作// 循环8次，串行输入8位数据for(i = 0; i < 8; i++){SRCLK = 0;  // 拉低移位时钟，准备输入数据// 当i等于要选择的行号时，SER置1，否则置0(num == i) ? (SER = 1) : (SER = 0);SRCLK = 1;  // 拉高移位时钟，将SER数据移入移位寄存器}RCLK = 1;  // 拉高存储寄存器时钟，将移位寄存器数据锁存到输出寄存器
}

• 运行理想结果：调用 led_rect_select(3) 时，74HC595 输出端口第 3 位为高电平，其余为低，即选通第 3 行 LED。

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三、8×8 LED点阵扫描显示原理

硬件结构

• 8 行 × 8 列共 64 个 LED，采用“行选通 + 列数据”方式控制。
• 本例使用共阴极点阵：行选通为低电平有效，列数据为高电平时对应 LED 点亮。

逐行扫描 + 视觉暂留

• 原理：每次只选通一行，输出该行的列数据，快速循环扫描 8 行（每行约 1ms），利用人眼视觉暂留效应（约 10~20ms）形成完整稳定图像。
• 优势：节省 I/O 资源，仅需 3 个引脚（74HC595）控制 8 行 + 8 个引脚（P0）控制 8 列。

显示函数实现

/*** 在8*8点阵上显示图案* 通过逐行扫描的方式，显示预设的图案（此处为数字"1"）*/
void led_8_8_show(void)
{// 存储8*8点阵每行要显示的数据，对应显示数字"1"unsigned char led_1_array[8] = {0x0, 0x10, 0x30, 0x10, 0x10, 0x10, 0x38, 0x0};unsigned char i = 0;// 逐行扫描显示for(i = 0; i < 8; i++){  	P0 = 0xff;  // 关闭当前行显示，避免串扰（共阴极，全高电平熄灭）led_rect_select(i);  // 选择第i行P0 = ~led_1_array[i];  // 输出第i行的列数据（取反是因为共阴极点阵：数据1=高电平=点亮）delay(1);  // 延时1ms，保持当前行显示，利用视觉暂留形成稳定图像}
}

• 图案数组说明：
  • led_1_array[8] = {0x0, 0x10, 0x30, 0x10, 0x10, 0x10, 0x38, 0x0};
  • 例如 0x10 = 00010000B，表示该行第 5 列 LED 点亮。
• 取反原因：共阴极点阵中，列需输出高电平才能点亮 LED，而数组中 1 表示“点亮”，故需 ~ 取反后送 P0 口。
• 理想运行结果：点阵稳定显示数字“1”的图案。

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四、延时函数实现与作用

功能

通过空循环消耗 CPU 时间，实现软件延时，用于控制扫描频率、稳定显示亮度。

实现代码

/*** 延时函数* @param i 延时参数，控制延时时间长短* 通过双重循环实现延时，外层循环10次，内层循环由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--);  // 内层循环，通过递减计数实现延时}
}

• 调节方式：增大 i 值可延长延时。
• 应用场景：
  • 点阵扫描中，每行延时约 1ms（delay(1)），总周期约 8ms，刷新率约 125Hz，远高于视觉暂留阈值（约 50Hz），显示稳定无闪烁。
  • 延时过短 → 亮度不足；过长 → 闪烁明显。

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五、数组在硬件控制中的应用

1. 数码管段码数组（备用）

/*** 共阴极数码管段码数组* 索引0-9分别对应数字0-9的十六进制段码*/
unsigned char digit_data[10] = {0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f};

• 虽未在主逻辑中使用，但体现“用数组存储固定硬件控制数据”的设计思想。

2. 点阵图案数组

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

• 每个元素对应一行 LED 的亮灭状态。
• 修改数组即可切换显示图案，如改为 0x7F, 0x49, 0x49, 0x49, 0x36, 0x0, 0x0, 0x0 可显示字母“E”。

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六、中断系统详解

中断基本概念

• 中断源：引起中断产生的事件（如外部信号、定时器溢出、串口接收完成等）。
• 中断服务程序（ISR）：中断产生后 CPU 跳转执行的处理函数。
• 程序计数器（PC）：指向当前执行指令地址，中断发生时自动压栈保存，中断返回时恢复。

中断系统作用

使 CPU 具备实时响应外部紧急事件的能力，提高系统效率与实时性。

中断响应流程

1. 当前指令执行完毕。
2. PC 值压入堆栈。
3. 现场保护（可选，由程序员实现）。
4. 屏蔽同级/低级中断。
5. PC 装载中断向量地址（跳转至 ISR）。
6. 执行中断服务程序。
7. RETI 指令返回：恢复 PC，恢复中断设置，继续原程序。

✅ 中断服务程序特点：无参数、无返回值、执行要快、尽量简短。

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七、STC89C51RC/RD+ 中断系统特性

中断源（共8个）

中断源	中断号	中断向量地址	查询优先级
外部中断0 (INT0)	0	0003H	最高
定时器0	1	000BH
外部中断1 (INT1)	2	0013H
定时器1	3	001BH
UART 串口中断	4	0023H
定时器2	5	002BH
外部中断2 (INT2)	6	0033H
外部中断3 (INT3)	7	003BH	最低

中断优先级

• 支持 4 级优先级（通过 IPH 寄存器设置）。
• 若仅使用 IP 或 XICON，则为传统 8051 的 2 级优先级。
• 高优先级可打断低优先级 → 支持中断嵌套。
• 同级中断按查询次序响应。

中断控制寄存器

• EA (IE.7)：总中断允许位，置 1 开启全局中断。
• EX0 (IE.0)：外部中断 0 允许位。
• IT0 (TCON.0)：外部中断 0 触发方式（0=低电平，1=下降沿）。

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八、C语言中断编程示例

初始化与主函数

// 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
}// 主函数
void main(void)
{unsigned char i = 0;eint0_init();  // 调用外部中断0初始化函数while(1)  // 无限循环，等待中断发生{// 主程序可执行其他任务，中断发生时自动跳转处理}
}

中断服务程序（ISR）

// 外部中断0处理函数，interrupt 0 表示该函数为外部中断0的中断服务程序
void eint0_handler(void) interrupt 0
{P2 = 0xaa;  // 中断发生时，P2口输出0xAA（10101010B），控制外部LED或指示灯
}

• interrupt 0：指定该函数为中断号 0（外部中断 0）的服务程序。
• 理想运行结果：当外部中断 0 引脚（P3.2）检测到下降沿，CPU 跳转执行 eint0_handler()，P2 口输出 0xAA，之后自动返回主循环。

📌 注意：ISR 中避免使用延时函数或复杂操作，防止阻塞其他中断。

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九、中断向量表与响应机制图示

• 中断向量表：包含各中断服务函数入口地址（如 fun0() interrupt 0 对应 0003H）。
• CPU 响应中断时，根据中断源自动跳转至对应向量地址。

• 中断响应步骤：
  1. 当前指令执行完。
  2. PC 压栈。
  3. 现场保护（程序员手动）。
  4. 屏蔽同级中断。
  5. PC = 中断向量地址。
  6. 执行 ISR。
  7. RETI 返回，恢复现场。

• 中断触发流程：中断源（如 eint0）→ CPU 查询中断向量表 → 跳转 ISR（如 eint0_handler()）→ 执行 → RETI 返回。

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十、总结

本节内容涵盖 51 单片机两大核心模块：

1. 硬件驱动层

• 使用 sbit 精准控制 I/O 引脚。
• 驱动 74HC595 实现串转并，节省 I/O。
• 8×8 LED 点阵逐行扫描 + 视觉暂留显示技术。
• 延时函数调节扫描频率。
• 数组存储硬件控制数据，便于图案切换。

2. 中断系统层

• 中断源、中断向量、中断优先级机制。
• 中断响应流程与现场保护。
• C 语言中断服务程序编写规范（interrupt n）。
• 外部中断初始化与触发方式设置。
• 支持中断嵌套与多级优先级。

✅ 综合应用价值：掌握本节内容，可独立完成“按键中断控制点阵显示切换”、“定时器中断动态刷新图案”等复杂嵌入式项目，是迈向高级单片机开发的坚实基础。