51单片机学习之定时器

2019-10-12 20:48:43 #51单片机

概念基础

单片机延时基础

之前的延时我们都使用的是利用C语言的多次的空循环进行延迟操作，这样的缺点是：CPU时间被占用无法进行其他任务，导致系统效率降低。而且延时时间越长，该缺点越明显，所以，这种延时操作只适用于短暂延时，或简单的项目。

而定时器/计数器的使用，实现了单片机对时间的有效控制。单片机中有多个定时/计数器，都可以实现定时和计数的功能。

定时/计数器结构

16位寄存器T0、T1分别由TH0、TL0和TH1、TL1四个8位计数器组成，其中两个定时器的区别为：

T0（定时器0）可分成2个独立的8位定时器，而定时器1则不能；
T1（定时器1）可作为串口的波特率发生器，而定时器0则不能。

还有两个特殊功能寄存器用于控制定时/计数器：

TMOD，工作方式控制寄存器，确定工作方式和功能；
TCON，工作状态控制寄存器，控制定时/计数器的启动、停止及溢出标志。

定时/计数器控制

工作方式寄存器TMOD

低四位（0，1，2，3）用于T0，高四位用于T1：

位	7	6	5	4	3	2	1	0
功能	GATE	$C/\overline{T}$	M1	M0	GATE	$C/\overline{T}$	M1	M0

GATE：门控位，用于控制定时器的启动是否受外部中断源的影响。当GATE = 0时，只要使用软件将TCON中的TR0或TR1置为1，就可以启动定时/计数器工作；当GATE = 0时，要用软件将TCON中的TR0或TR1为1，同时外部中断的引脚INT0/1也为高电平，才可以启动定时/计数器。即此时多了一个启动条件：INT0/1引脚需为高电平。
$C/\overline{T}$：定时/计数器模式选择位，当$C/\overline{T}=0$ 为定时模式；$C/\overline{T}= 1$为计数模式。

M1/M0：工作方式设置位，定时/计数器有四种工作方式：

M1M0	工作方式	说明
00	方式0	13位定时/计数器
01	方式1	16位定时/计数器
10	方式2	8位自动重装定时/计数器
11	方式3	T0分成两个独立的定位/计数器，T1此方式停止计数

定时/计数器工作方式

方式0：为13位定时计数器：由TL0的低5位（高3位未用）和TH0的8位组成。TL0的低5位溢出时向TH0进位，TH0溢出时，置位TCON中的TF0标志，向CPU发出中断请求。

计数个数与计数初值的关系：$X = 2^8-N$
方式1：为16位定时计数器：由TL0作为低8位，TH0 作为高8位，组成了16位加1计数器。

计数个数与计数初值的关系为：$X=2^{16}－N$
方式2：8位自动重装初值定时/计数器

计数个数与计数初值的关系为：$X=2^8－N$
方式3：只适用于定时/计数器T0，定时器T1处于方式3时相当于TR1=0，停止计数。

工作方式3将T0分成为两个独立的8位计数器TL0和TH0 。

工作状态寄存器TCON

位序	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
位名称	TF1	TR1	TF0	TR0	IE1	IT1	IE0	IT0

TF1：T1溢出标志位

当T1计数满溢出时，硬件将TF1置1，并申请中断。接入服务程序之后，其将自动清零；T1工作时，CPU可随时查询TF1的状态。所以，TF1可用作查询测试的标志。TF1也可以用软件置1或清0，同硬件的效果一样。
TR1：T1运行控制位

TR1 = 1：启动定时器；TR1 = 0：关闭计时器，由软件控制。
TF0：T0溢出标志位

功能同TF1，工作对象是T0。
TR0：T0运行控制位

功能同TF1，工作对象是T0。
IE1：外部中断1请求标志位
IT1：外部中断1触发方式选择位
IE0：外部中断0请求标志位
IT1：外部中断0触发方式选择位

定时/计数器原理

定时/计数器的实质是加1计数器，由高8位和低8位2个寄存器组成。加1计数器有两个计数脉冲来源：一是由系统的时钟振荡输出脉冲经12分频后送来；二是由T0或T1引脚输入的外部脉冲源。

每来一个脉冲，计数器加1，当加到计数器全为1的时候，再输入一个脉冲使计数器归零，且计数器的溢出时TCON中的TF0或TF1置1，向CPU发出中断请求（定时/计数器中断允许时）。

如果定时/计数器处于定时模式，则表示定时时间结束；计数模式即计数值已满。所以，溢出时计数器的值减去计数器的初值即为加1计数器的计数值。

当设置为定时器模式时，加1计数器是对内部机器周期计数（1个机器周期相当于12个震荡周期，即**计数频率为晶振频率的$1/12$**）。计数个数乘以机器周期$T_{cy}$就是定时时间t。

设置为计数器模式时，外部事件计数脉冲由T0或T1引脚输入到计数器。在每个机器周期的S5P2期间采样T0，T1引脚电平。当某周期采样到一高电平输入，而下一周期又采样到一低电平时，则计数器加1，更新的计数值，在下一个周期的S3P1期间装入计数器。由于检测一个从1到0的下降沿需要两个机器周期，因此要求被采样的电平至少要维持一个机器周期。当晶振频率为12MHz时，最高计数频率不超过1/2MHz，即计数脉冲的周期要大于$2\mu{s}$。

CPU 时序的有关知识

S5P2：代表第5状态中的第二节拍

机器周期：一般也叫CPU周期。表示从内存读取一条指令字的最短时间，它是指令周期的最小单位。它等于单指令的周期长度。在51单片机中一个机器周期=6状态周期=12时钟周期。

指令周期：一条指令包括1个或多个机器周期。所有的C语言代码最后都会编译成汇编代码来执行，而执行一条汇编指令需要的机器周期就叫做指令周期

状态周期：在8051单片机中把一个时钟周期定义为一个节拍（用P表示），二个节拍定义为一个状态周期（用S表示）。一个状态周期等于两个时钟周期。

时钟周期：又叫振荡周期，是指为单片机提供时钟信号的振荡源的周期（晶振频率的倒数）。

定时/计数器操作

步骤：
1. 选择工作方式（设置M1，M0）
2. 选择控制方式（设置GATE）
3. 选择模式：定时器还是计数器（设置C/T）
4. 给定时/计数器赋初值（设置$TH_X$和$TL_x$）
5. 开启定时器中断（设置ET0和ET1）
6. 开启总中断（设置EA）
7. 打开计数器（设置TR1和TR0）

配置计数器：

void TimerConfiguration(){
    TMOD = 0X01;	//定时器T0工作方式1
    TH0 = 0X3c;		//设置初始值
    TL0 = 0X0B0;	
    EA = 1;			//打开总中断
    ET0 = 1;		//打开定时器T0中断
    TR0 = 1;		//启动定时器T0
}

定时器T0初值计算（晶振为12MHz）

51单片机内部时钟频率是外部时钟的12分频，也就是说当外部晶振的频率输入到单片机里面的时候要进行12分频。比如说你用的是12MHz的晶振，那么单片机内部的时钟频率就是$12MHz\over12$ = 1MHz，当你使用12MHz的外部晶振的时候，机器周期=$1 \over1MHz$=$1\mu{s}$。

当我们需要定时50ms时，则计数值为${50ms}\over{1{\mu}s}$=50000，所以初值 = 最大值计数值 - 50000 = 15536 (3cb0)，即$TH_x$ =0x3c，$TL_x$= 0xb0。

程序代码

LED按定时器T0设定的时间周期闪烁

#include<reg52.h>
sbit led = P1 ^ 0;

void t0_init(){
    TMOD = 0X01;	//设置定时器T0工作方式1	
    TH0 = 0X3c;		//设置初始值
    TH0 = 0Xb0;
    EA = 1;			//打开总中断
    ET0 = 1;		//打开定时器T0中断
    TR0 = 1;		//启动定时器T0
}

void main(){
    led = 1;
    t0_init();
    while(1);
}

void t0() interrupt 1{
    TH0 = 0X3c;		//设置初始值
    TL0 = 0Xb0;
    led = ~led;		
}

LED按500ms/次的精确频率闪动

#include<reg52.h>
sbit led = P1 ^ 0;
int i = 0;

void t1_init(){
    TMOD = 0X10;	//设置定时器T1工作方式1	
    TH0 = 0X3c;		//设置初始值
    TH0 = 0Xb0;
    EA = 1;			//打开总中断
    ET1 = 1;		//打开定时器T1中断
    TR1 = 1;		//启动定时器T1
}

void main(){
    led = 1;
    t1_init();
    while(1){
        if(i == 10){
            led = ~led;
            i = 0;
        }
    }
}

void t1() interrupt 3{
    TH0 = 0X3c;		//设置初始值
    TL0 = 0Xb0;
   	i++;
}

2019-10-12 20:48:43 #51单片机