Arduino中断编程原理与实践

# 1. Arduino中断编程概述

## 1.1 什么是中断

中断是一种计算机系统的基本机制，它允许在程序执行过程中暂时中断正常的程序流程，去处理某种特殊事件。这些特殊事件可以是来自硬件设备的信号（如传感器输入、定时器到达）、软件条件（如错误处理、任务完成）或者通信事件（如网络数据到达、外设请求）等。

在Arduino中，中断允许我们在程序执行过程中立即响应某种特定的事件，而不需要等待或轮询检查输入端口的状态。这极大地提高了系统的实时响应能力和高效性。

## 1.2 中断在Arduino中的应用

在Arduino编程中，中断可用于各种场景，例如：
- 外部事件触发，如按钮按下、传感器检测到特定条件
- 定时器事件，如定时执行某项任务、测量时间间隔
- 串口通信数据到达
- 其他高优先级任务的处理

## 1.3 中断编程的优势和原理

中断编程相比轮询式的程序设计具有以下优势：
1. 实时性：能够立即响应事件，而不需要等待下一个轮询周期
2. 资源节约：只有在事件发生时才需要处理，可以节约CPU资源
3. 灵活性：能够处理不同类型的事件，提高程序的可复用性和可扩展性

中断的原理是通过中断向量表来响应中断事件，并在中断服务程序中处理具体的事件。在Arduino中，中断通常通过attachInterrupt()函数来注册中断服务程序，然后在中断服务程序中进行相应的处理。

在接下来的章节中，我们将深入探讨Arduino中断编程的基础、常见应用、高级技巧、性能优化以及实践项目，帮助读者全面掌握Arduino中断编程的原理和实践技巧。

# 2. Arduino中断编程基础

在本章中，我们将介绍Arduino中断编程的基础知识，包括中断的基本语法和结构、在Arduino中如何使用中断以及中断向量表和中断优先级的相关内容。

### 2.1 中断的基本语法和结构

在Arduino中，通过attachInterrupt()函数可以很方便地绑定中断服务程序。该函数有三个参数，分别是中断引脚号、中断服务程序函数名称和中断触发方式（RISING、FALLING、CHANGE、LOW）。函数结构如下：

attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pin), ISR, mode);

其中，digitalPinToInterrupt(pin)用于将引脚号转换为对应的中断序号；ISR是中断服务程序的函数名；mode表示中断触发的方式。

下面是一个简单的示例，当按钮按下时（引脚上出现下降沿信号），Arduino将执行中断服务程序blink：

const int buttonPin = 2; // 按钮连接的引脚号
const int ledPin = 13;   // LED连接的引脚号
volatile int state = LOW; // 定义状态变量

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
  pinMode(buttonPin, INPUT);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(buttonPin), blink, FALLING);
}

void loop() {
  digitalWrite(ledPin, state);
}

void blink() {
  state = !state;
}

### 2.2 如何在Arduino中使用中断

在Arduino中使用中断，首先需要了解引脚对应的中断号，然后编写中断服务程序。在setup()函数中，通过attachInterrupt()函数将中断服务程序与引脚和中断触发方式绑定。在loop()函数中，无需额外的代码去检测事件，Arduino会自动在出现中断触发条件时执行中断服务程序。

### 2.3 中断向量表和中断优先级

Arduino中断是基于AVR单片机的中断机制，AVR单片机的中断处理是由中断向量表来确定的。每个中断都有一个特定的中断向量，当中断发生时，程序会跳转到对应中断向量处执行相应的中断服务程序。

中断向量表一般由处理器厂商提供，包含了每个中断的入口地址。在Arduino中，用户不需要直接操作中断向量表，只需编写中断服务程序并通过attachInterrupt()函数注册即可。关于中断优先级，由于Arduino使用的是AVR单片机，AVR单片机的中断是没有优先级的，在同一时间只能处理一个中断。

在本节中，我们介绍了Arduino中断编程的基础知识，包括了中断的基本语法和结构、在Arduino中使用中断以及中断向量表和中断优先级的相关内容。在接下来的章节中，我们将继续深入探讨Arduino中断编程的高级技巧和实践项目。

# 3. Arduino中断编程的常见应用

在本章中，我们将深入探讨Arduino中断编程的常见应用，包括外部中断的实现与应用、定时器中断的使用技巧以及应用案例分析与实验。通过详细的案例分析和实验演示，读者将更加深入地了解中断编程在实际项目中的应用场景和技巧。

#### 3.1 外部中断的实现与应用

外部中断是Arduino中断编程中常见且重要的一种形式，通过外部中断，Arduino能够及时响应外部事件并进行相应处理。在本节中，我们将介绍外部中断的基本原理和实现方式，并结合具体的应用案例进行详细讲解。

##### 3.1.1 外部中断的基本原理

外部中断是通过外部引脚来触发的中断，当外部引脚状态发生变化时（例如由低电平变为高电平或由高电平变为低电平），便可以触发外部中断，进而执行预先设定好的中断服务程序。在Arduino中，常见的外部中断引脚包括`2`和`3`（对应`INT0`和`INT1`），它们可以用于连接外部触发器或传感器等设备。

##### 3.1.2 外部中断的实现

下面是外部中断的基本语法和结构示例（以Arduino语言为例）：

const int interruptPin = 2;
volatile int state = LOW;

void setup() {
  pinMode(interruptPin, INPUT);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(interruptPin), interruptFunction, CHANGE);
}

void loop() {
  // 主循环代码
}

void interruptFunction() {
  sta