51單片機定時器的原理與使用(22頁詳細的word格式教程下載)

ID:325686 · 發(fā)表于 2018-5-9 10:08

定時器是單片機的重要功能模塊之一，在檢測、控制領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。定時器常用作定時時鐘，以實現(xiàn)定時檢測，定時響應(yīng)、定時控制，并且可以產(chǎn)生ms寬的脈沖信號，驅(qū)動步進電機。定時和計數(shù)的最終功能都是通過計數(shù)實現(xiàn)，若計數(shù)的事件源是周期固定的脈沖則可實現(xiàn)定時功能，否則只能實現(xiàn)計數(shù)功能。因此可以將定時和計數(shù)功能全由一個部件實現(xiàn)。通過下圖可以簡單分析定時器的結(jié)構(gòu)與工作原理。

一、定時器

1、51單片機計數(shù)器的脈沖輸入腳。主要的脈沖輸入腳有Px,y，也指對應(yīng)T0的P3.4和對應(yīng)T1的P3.5，主要用來檢測片外來的脈沖。而引腳18和19則對應(yīng)著晶振的輸入脈沖，脈沖的頻率和周期為

F = f/12 = 11.0592M/12 = 0.9216MHZ T = 1/F = 1.085us

2、定時器有兩種工作模式，分別為計數(shù)模式和定時模式。對Px,y的輸入脈沖進行計數(shù)為計數(shù)模式。定時模式，則是對MCU的主時鐘經(jīng)過12分頻后計數(shù)。因為主時鐘是相對穩(wěn)定的，所以可以通過計數(shù)值推算出計數(shù)所經(jīng)過的時間。

3、51計數(shù)器的計數(shù)值存放于特殊功能寄存器中。T0(TL0-0x8A, TH0-0x8C), T1(TL1-0x8B, TH1-0x8D)

4、TLx與THx之間的搭配關(guān)系

1）、TLx與THx之間32進制。即當(dāng)TLx計到32個脈沖時，TLx歸0同時THx進1。這也稱為方式0。

2）、TLx與THx之間256進制。即當(dāng)TLx計到256個脈沖時，TLx歸0同時THx進1。這也稱為方式1。在方式1時，最多計65536個脈沖產(chǎn)生溢出。在主頻為11.0592M時，每計一個脈沖為1.085us，所以溢出一次的時間為1.085usx65536＝71.1ms。

3）、THx用于存放TLx溢出后，TLx下次計數(shù)的起點。這也稱為方式2。

4）、THx與TLx分別獨立對自己的輸入脈沖計數(shù)。這也稱為方式3。

5、定時器初始化

1）、確定定時器的計數(shù)模式。

2）、確定TLx與THx之間的搭配關(guān)系。

3）、確定計數(shù)起點值。即TLx與THx的初值。

4）、是否開始計數(shù)。TRx

（1）和（2）可以由工作方式寄存器TMOD來設(shè)定，TMOD用于設(shè)置定時/計數(shù)器的工作方式，低四位用于T0，高四位用于T1。其格式如下：

GATE：門控位，用于設(shè)置計數(shù)器計數(shù)與否，是否受P3.2或P3.3電壓狀態(tài)的影響。GATE＝0時，表示計數(shù)器計數(shù)與否與兩端口電壓狀態(tài)無關(guān)；GATA＝1時，計數(shù)器是否計數(shù)要參考引腳的狀態(tài)，即P3.2為高時T0才計數(shù)，P3.3為高時T1才計數(shù)。
C/T:定時/計數(shù)模式選擇位。＝0為定時模式； =1為計數(shù)模式。
M1M0：工作方式設(shè)置位。定時/計數(shù)器有四種工作方式，由M1M0進行設(shè)置。

6、計數(shù)器的溢出

計數(shù)器溢出后，THx與TLx都歸0。并將特殊功能區(qū)中對應(yīng)的溢出標志位TFx寫為1。

好了，理論就講述到這。現(xiàn)在我們通過一些實驗來看看怎么使用定時器。

實驗一、P1口連接的8個LED燈以1秒鐘的頻率閃爍。

首先上代碼：

#include "reg51.h"
char c;
void Timer0_Init() //初始化定時器
{
TMOD = 0x01; //
TH0 = 0;
TL0 = 0; //定時器的計數(shù)起點為0
TR0 = 1; //啟動定時器0
}
void main()
{
Timer0_Init();
while(1)
{
if(TF0 == 1) //檢測定時器0是否溢出，每到65535次
{
TF0=0;
c++;
if(c==14) //71ms乘以14為1s
{
c=0;
P1=~P1;
}
}
}
}

復(fù)制代碼

上述代碼的思路是每計算14個溢出，則翻轉(zhuǎn)P1口狀態(tài)。產(chǎn)生一個溢出的時間是71.1ms，14個則約為1s。

#include "reg51.h"
sbit LD1 = P1^0;
void Timer0_Init() //初始化定時器
{
TMOD = 0x01; //
TH0 = 0;
TL0 = 0; //定時器的計數(shù)起點為0
TR0 = 1; //啟動定時器0
}
void Timer0_Overflow() //處理定時器0的溢出事件
{
static char c;
if(TF0 == 1) //檢測定時器0是否溢出，每到65535次
{
TF0=0;
c++;
if(c==14) //71ms乘以14為1s
{
c=0;
LD1=!LD1;
}
}
}
void main()
{
Timer0_Init(); //初始化定時器0
while(1)
{
Timer0_Overflow();
}
}

復(fù)制代碼

相比于上個例子，這里有兩個區(qū)別，首先是將timer0的溢出事件作為子函數(shù)單獨出來，其次是注意翻轉(zhuǎn)一個led燈時候用的是“！”。

例子三、讓連接到P1口的LED1和LED8燈每1秒鐘閃爍。

#include "reg51.h"
void Timer0_Init() //初始化定時器
{
TMOD |= 0x01; //定時器0方式1，計數(shù)與否不受P3.2的影響
TH0 = 0;
TL0 = 0; //定時器的計數(shù)起點為0
TR0 = 1; //啟動定時器0
}
void Timer0_Overflow() //´處理定時器0的溢出事件
{
static char c;
if(TF0 == 1) //檢測定時器0是否溢出，每到65535次
{
TF0=0;
c++;
if(c==14) //71ms乘以14為1s
{
c=0;
P1 ^= (1<<0);//LD1=!LD1;
}
}
}
void Timer1_Init()
{
TMOD|=0x10; //定時器1方式1，計數(shù)與否不受P3.3的影響
TH1=0;
TL1=0; //定時器1的計數(shù)起點為0
TR1=1; //啟動定時器1
}
void Timer1_Overflow() //處理定時器1的溢出事件
{
static char c;
if(TF1==1) //軟件查詢，主循環(huán)每跑完一圈才會到這里。
{
TF1=0;
c++;
if(c==14)
{
c=0;
P1 ^= (1<<7);//LD8=!LD8;
}
}
}
void main()
{
Timer0_Init(); //初始化定時器0
Timer1_Init(); //初始化定時器1
while(1)
{
Timer0_Overflow();
Timer1_Overflow();
}
}

復(fù)制代碼

相較于例二，例子三有幾個點值得注意：

1、TMOD初始化為什么采用TMOD |= 0x01或0x10的形式？

   首先如果在定時器初始化函數(shù)中采用TMOD = 0x01和TMOD = 0x10，那么將造成LD1閃爍比LD8閃爍快8倍。分析一下，從main函數(shù)開始執(zhí)行，先是初始化timer0，這時候定時器1設(shè)置為工作方式1。接著程序執(zhí)行到Timer1_Init()，這時候TMOD=00010000，即選定了timer1在工作方式1，但同時timer0重新配置為工作方式0, 也就是32進制，所以產(chǎn)生快8倍現(xiàn)象。

   那為什么用|這個符號就可以做到互不影響呢？|是或運算符，即有1出1，全0出0。什么意思呢？舉個例子，a是11110000，b是10101010，那么a|b就是11111010。通過引入這個符號，可以實現(xiàn)tmod對兩個定時器的獨立操作。

2、為什么使用P1 ^= (1<<0)可以實現(xiàn)LD1的控制呢？

   首先解釋下^這個符號。^稱為異或運算符，相同出0，不同出1。舉個例子，a是11110000，b是10101010，那么a^b就是01011010。

   然后再來分析 x ^= (1<<i), 假設(shè)x為10101010，當(dāng)i為1時， (1<<i)為00000010，那么x^ (1<<i)＝10101010^00000010＝10101000。當(dāng)i為2時，(1<<i)為00000100，那么x^ (1<<i)＝10101010^00000100＝10101110，以此類推。我們發(fā)現(xiàn)，x ^= (1<<i)是在將x的第i位翻轉(zhuǎn)而同時不影響其他位。

   因此P1 ^= (1<<0)實際是在翻轉(zhuǎn)P0口第一位的值，因此也就是在閃爍LD1燈。

上面三個例子實際都是采用了軟件查詢法。即main函數(shù)會每次進入到溢出事件函數(shù)里去判斷TF0或1是否等于1，這樣就浪費了大量CPU時間。同時，實時性差，假如在執(zhí)行Timer0_Overflow()的時候timer1也溢出了，這時候timer1的溢出事件就沒有及時處理。因此下面我們要引入中斷系統(tǒng)。

二、中斷系統(tǒng)

中斷系統(tǒng)是一套硬件電路，它可以在每個機器周期對所有的外設(shè)的標志位作查詢。相比于前面的軟件查詢（if(xx＝＝1)），中斷系統(tǒng)也可以叫做硬件查詢。51的中斷系統(tǒng)可查詢以下6個標志位。

IE0（TCON.1），外部中斷0中斷請求標志位。

IT1（TCON.2），外部中斷1觸發(fā)方式控制位。

IE1（TCON.3），外部中斷1中斷請求標志位。

TF0（TCON.5），定時/計數(shù)器T0溢出中斷請求標志位。

TF1（TCON.7），定時/計數(shù)器T1溢出中斷請求標志位。

RI（SCON.0）或TI（SCON.1），串行口中斷請求標志。當(dāng)串行口接收完一幀串行數(shù)據(jù)時置位RI或當(dāng)串行口發(fā)送完一幀串行數(shù)據(jù)時置位TI，向CPU申請中斷。

當(dāng)中斷系統(tǒng)查詢到外設(shè)的標志位變?yōu)?時，中斷系統(tǒng)可暫停當(dāng)前的主循環(huán)，并且將程序跳轉(zhuǎn)到用戶預(yù)先指定的函數(shù)中執(zhí)行。要啟動中斷系統(tǒng)，必須先進行中斷初始化，其流程如下：

a、是否要查詢外設(shè)標志（EA＝0或EA＝1，EA 也叫 CPU中斷允許（總允許）位）

b、查詢到標志1，是否要跳程序

c、跳轉(zhuǎn)的目標函數(shù)，即中斷服務(wù)子函數(shù)

所以在使用定時器中斷時，我們只需要首先初始化中斷系統(tǒng)，開啟總中斷（相當(dāng)于總開關(guān)），開啟定時器對應(yīng)的控制位（相當(dāng)于支路開關(guān)），再初始化定時器即可。中斷系統(tǒng)作為單片機的外設(shè)，只有在某個中斷產(chǎn)生時才會打斷主循環(huán)，并由相應(yīng)的中斷號引入到相應(yīng)的中斷服務(wù)子函數(shù)。下圖是6個中斷標志位的信息。

實驗四、使用中斷系統(tǒng)實現(xiàn)LD1燈每1秒鐘閃爍。

#include "reg51.h"
void Timer0_Init()
{
TMOD|=0x01;
TH0=56320/256; //計數(shù)起點為56320 ==10ms溢出一次
TL0=56320%256;
TR0=1;
}
void Timer1_Init()
{
}
void ISR_Init() //初始化中斷系統(tǒng)
{
EA=1; //啟動中斷系統(tǒng)
EX0=0; //-->IE0
ET0=1; //-->TF0 控制位置1，表明當(dāng)TF0置1時，中斷系統(tǒng)將介入
EX1=0; //-->IE1
ET1=0; //-->TF1
ES=0; //-->RI,TI
}
//以下中斷服務(wù)子程序，我們希望中斷系統(tǒng)來調(diào)用，而不是我們在main函數(shù)里面調(diào)用，因此使用interrupt. */
void IE0_isr() interrupt 0
{
}
/*void TF0_isr() interrupt 1 //71.1ms 進入一次，但如果要求10MS進來一次呢？
{
static char c;
c++;
if(c==14)
{
P1^=(1<<0);
c=0;
}
}
*/
void TF0_isr() interrupt 1 //10ms 進入一次
{
static char c;
TH0=56320/256; //重裝初值
TL0=56320%256;
c++;
if(c==100)
{
P1^=(1<<0);
c=0;
}
}
void IE1_isr() interrupt 2
{
}
void TF1_isr() interrupt 3
{
}
void RI_TI_isr() interrupt 4
{
}
void main()
{
Timer0_Init();
Timer1_Init();
ISR_Init();
while(1)
{
//...
//發(fā)現(xiàn)溢出后，中斷系統(tǒng)根據(jù)中斷號尋找中斷子服務(wù)函數(shù)，并強行暫停主循環(huán)并進入子函數(shù)
//...
}
}

復(fù)制代碼

顯然使用中斷系統(tǒng)查詢得到的1s更為精確。因為中斷系統(tǒng)獨立于main函數(shù)運行。另外本程序還預(yù)裝了timer0的初值，這樣的話就可以實現(xiàn)比71ms更小的時間片，比如要求10ms就進入中斷。關(guān)于初值的設(shè)定，請參考下圖。

實驗五、用定時器實現(xiàn)數(shù)碼管顯示1234。

//數(shù)碼管的定時掃描，每5ms顯示一個數(shù)碼管，也就是說相同的數(shù)碼管，每20ms會被重新裝入同樣的數(shù)值，根據(jù)人眼的延遲效應(yīng)，人眼觀測到的數(shù)碼管上的數(shù)值是靜態(tài)的。
#include "reg51.h"
unsigned int count;
extern void load_smg();
void Timer0_Init()
{
TMOD|=0X01;
TH0=60928/256;
TL0=60928%256;//每5ms進入一次中斷
TR0=1;
}
void isr_Init()
{
EA=1;
ET0=1; //TF0 如果這個標志為1，進入中斷子函數(shù)
}
void TF0_isr() interrupt 1
{
TH0=60928/256;
TL0=60928%256;//重裝初值
load_smg();
}
void main()
{
Timer0_Init();
isr_Init();
while(1)
{
}
}
#include "reg51.h"
//char seg[10]={0xC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99,0X92,0X82,0XF8,0X80,0X90};
code char seg[10]={0xC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99,0X92,0X82,0XF8,0X80,0X90};
char smgbuf[4]={1,2,3,4}; //從RAM的smgbuf這個地址開始連續(xù)存放4個數(shù)，并且每個數(shù)占一個單元。
extern unsigned int count; //外部申明，表示并不在這里申明
void fill_smgbuf() //向LED緩沖區(qū)填充數(shù)據(jù)
{
smgbuf[0]=count/1000; //千位
smgbuf[1]=(count%1000)/100; //百位
smgbuf[2]=((count%1000)%100)/10; //十位
smgbuf[3]=((count%1000)%100)%10; //個位
}
void load_smg() //將數(shù)碼管顯示緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，顯示到數(shù)碼管上
{
static char i;
fill_smgbuf();
i++;
if(i>=4)
{
i=0;
}
P0=0xFF; //消除上一個循環(huán)的影子
P2 = ~(1<<i);
P0 = seg[smgbuf[i]];
}