單片機(jī)定時(shí)器作用原理及學(xué)習(xí)應(yīng)用詳解
定時(shí)器是單片機(jī)的重點(diǎn)中的重點(diǎn)，但不是難點(diǎn)，大家一定要完全理解并且熟練掌握定時(shí)器的應(yīng)用。
定時(shí)器的初步認(rèn)識(shí)
時(shí)鐘周期：時(shí)鐘周期T是時(shí)序中最小的時(shí)間單位具體計(jì)算的方法就是1/時(shí)鐘源，如果大家用的晶振是11.0592M，那么對(duì)于這個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)來說，時(shí)鐘周期=1/11059200秒。
機(jī)器周期：我們的單片機(jī)完成一個(gè)操作的最短時(shí)間。機(jī)器周期主要針對(duì)匯編語言而言，在匯編語言下程序的每一條語句執(zhí)行所使用的時(shí)間都是機(jī)器周期的整數(shù)倍，而且語句占用的時(shí)間是可以計(jì)算出來的，而C語言一條語句的時(shí)間是不可計(jì)算的。51單片機(jī)系列，在其標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)下一個(gè)機(jī)器周期是12個(gè)時(shí)鐘周期，也就是12/11059200秒，F(xiàn)在有不少增強(qiáng)型的51單片機(jī)，其速度都比較塊，有的1個(gè)機(jī)器周期等于4個(gè)時(shí)鐘周期，有的1個(gè)機(jī)器周期就等于1個(gè)時(shí)鐘周期，也就是說大體上其速度可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)51架構(gòu)的3倍或12倍。因?yàn)槲覀兪侵v標(biāo)準(zhǔn)的51單片機(jī)，所以我們后邊的課程如果遇到這個(gè)概念，全部是指12個(gè)時(shí)鐘周期。
這兩個(gè)概念了解即可，下邊就來我們的重頭戲，定時(shí)器和計(jì)數(shù)器。定時(shí)器和計(jì)數(shù)器是單片機(jī)內(nèi)部的同一個(gè)模塊，通過配置SFR（特殊功能寄存器）可以實(shí)現(xiàn)兩種不同的功能，我們大多數(shù)情況下是使用定時(shí)器功能，因此我們的課程也是主要來講定時(shí)器功能，計(jì)數(shù)器功能大家自己了解下即可。
顧名思義，定時(shí)器就是用來進(jìn)行定時(shí)的。定時(shí)器內(nèi)部有一個(gè)寄存器，我們讓它開始計(jì)數(shù)后，這個(gè)寄存器的值每經(jīng)過一個(gè)機(jī)器周期就會(huì)加1一次，因此，我們可以把機(jī)器周期理解為定時(shí)器的計(jì)數(shù)周期。我們的秒表，每經(jīng)過一秒，數(shù)字加1，而這個(gè)定時(shí)器就是每過一個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間，也就是12/11059200秒，數(shù)字加1。還有一個(gè)特別注意的地方，就是秒表是加到60后，秒就自動(dòng)變成0了，這種情況在單片機(jī)和計(jì)算機(jī)里我們稱之為溢出。那定時(shí)器加到多少才會(huì)溢出呢？定時(shí)器有幾種模式，假如是16位的定時(shí)器，也就是2個(gè)字節(jié)，最大值就是65535，那么加到65535后，再加1就算溢出，如果有其他位數(shù)的話，道理是一樣的，對(duì)于51單片機(jī)來說，溢出后，這個(gè)值會(huì)直接變成0。從某一個(gè)初值，經(jīng)過計(jì)算確定的時(shí)間后溢出，這個(gè)過程就是其定時(shí)的含義。
定時(shí)器的寄存器描述
標(biāo)準(zhǔn)的51里邊只有定時(shí)器0和定時(shí)器1這兩個(gè)定時(shí)器，現(xiàn)在很多單片機(jī)也有多個(gè)定時(shí)器的，在這里我們先講定時(shí)器0和1。那么我前邊提到過，對(duì)于單片機(jī)的每一個(gè)功能模塊，都是由他的SFR，也就是特殊功能寄存器來控制。而和定時(shí)器有關(guān)的特殊功能寄存器，有以下幾個(gè)，大家不需要去記憶這些寄存器的名字和作用，你只要大概知道就行，用的時(shí)候，隨時(shí)可以查手冊(cè)，找到每個(gè)寄存器的名字和每個(gè)寄存器所起到的作用。
表2 定時(shí)值存儲(chǔ)寄存器
表3 TCON--定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制寄存器的位分配(地址：88H)
可位尋址；復(fù)位值：0x00；復(fù)位源：任何復(fù)位
表4 TCON--定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制寄存器的位描述
大家注意在表4中的描述中，只要寫到硬件置1或者清0的，就是指一旦符合條件，單片機(jī)自動(dòng)完成的動(dòng)作，只要寫軟件置1或者清0的，是指我們用程序去完成這個(gè)動(dòng)作，后邊課程中不再做說明。
表2中的寄存器，是存儲(chǔ)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值的，兩個(gè)字節(jié)的用于定時(shí)器1,兩個(gè)字節(jié)用于定時(shí)器0。
表3中有TF1、TR1、TF0、TR0這4位需要我們理解清楚。兩位定時(shí)器1的，兩位定時(shí)器0的，我們只解釋定時(shí)器1的，定時(shí)器0的同理。先看TR1，當(dāng)我們程序中寫TR1 = 1以后，定時(shí)器值就會(huì)每經(jīng)過一個(gè)機(jī)器周期加1，當(dāng)我們程序中寫TR1 = 0以后，定時(shí)器值就會(huì)保持不變化。TF1，這個(gè)是一個(gè)標(biāo)志位，他的作用是告訴我們定時(shí)器溢出了。比如我們的定時(shí)器設(shè)置成16位的定時(shí)器，那么每經(jīng)過一個(gè)機(jī)器周期，TL1加1一次，當(dāng)TL1加到255后，再加1，TL1變成0，TH1會(huì)加1一次，如此一直加到TH1和TL1都是255（即TH1和TL1組成的16位整型數(shù)為65535）以后，再加1一次，那么就會(huì)溢出，TH1和TL1同時(shí)都變?yōu)?，只要一溢出，TF1馬上自動(dòng)變成1，告訴我們定時(shí)器溢出了，僅僅是提供給我們一個(gè)信號(hào)，讓我們知道定時(shí)器溢出了，它不會(huì)對(duì)定時(shí)器是否繼續(xù)運(yùn)行產(chǎn)生任何影響。
表5 TMOD--定時(shí)器方式控制寄存器的位分配(地址 89H)
不可位尋址；復(fù)位值：0x00；復(fù)位源：任何復(fù)位
細(xì)心的同學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)，TCON那個(gè)地方標(biāo)注的是“可位尋址”，TMOD這里標(biāo)注的是“不可位尋址”。這個(gè)地方的意思就是比如TCON有一位TR1，我們可以在程序中直接進(jìn)行TR1 = 1；這樣操作。但是(T1)M1 = 1；這樣的操作就是錯(cuò)誤的。我們要操作就必須一次操作一個(gè)字節(jié)，就是必須一次性對(duì)TMOD所有位操作，不能對(duì)其中某一位單獨(dú)進(jìn)行操作。
表6 TMOD--定時(shí)器/計(jì)數(shù)器方式控制寄存器的位描述
表7 TMOD--定時(shí)器方式控制寄存器M1/M0工作模式
以上這4種模式的配置，其中模式0是為了兼容老的8048單片機(jī)而設(shè)的，現(xiàn)在的51幾乎不會(huì)用到這種模式，而模式3根據(jù)我的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，他的功能模式2完全可以取代，所以基本上也是不用，那么我們重點(diǎn)就學(xué)習(xí)模式1和模式2。
模式1就是THn和TLn組成了一個(gè)16位的定時(shí)器，取值范圍是0到65535，溢出后，只要不對(duì)THn和TLn重新賦值，則從0開始計(jì)數(shù)。模式2的功能是自動(dòng)裝載，就是TLn溢出后，TFn就直接置1了，并且THn的值直接賦給TLn，然后TLn從新賦值的這個(gè)數(shù)字開始計(jì)數(shù)。這個(gè)功能可以用來產(chǎn)生串口的通信波特率，我們講串口的時(shí)候要用到，本章節(jié)我們重點(diǎn)來學(xué)習(xí)模式1。為了加深大家理解這個(gè)定時(shí)器原理，我們來看一下他的模式1的電路示意圖1。
圖1 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模式1示意圖
我?guī)е蠹襾矸治鲆幌逻@個(gè)示意圖，后邊如果手冊(cè)中遇到，大家也就會(huì)自己研究了。OSC框表示時(shí)鐘頻率，因?yàn)槲覀?個(gè)機(jī)器周期等于12個(gè)時(shí)鐘周期，所以那個(gè)d就等于12。下邊GATA右邊的那個(gè)門是一個(gè)非門電路，再右側(cè)是一個(gè)或門，再往右是一個(gè)與門電路。
圖上可以看出來，下邊部分電路是控制了上邊部分，那我們先來看下邊是如何控制的，我們以定時(shí)器0為例。
1、TR0和下邊或門電路的結(jié)果要進(jìn)行與門運(yùn)算，TR0如果是0的話，與運(yùn)算完了肯定是0，所以確定如果要讓定時(shí)器工作，TR0 = 1。
2、與門結(jié)果要想是1，那或門出來的信號(hào)必須也得是1才行。在GATE位為1的情況下，經(jīng)過一個(gè)非門變成0，或門電路結(jié)果要想是1的話，那INT0即P3.2引腳必須是1的情況下，這個(gè)時(shí)候定時(shí)器才會(huì)工作，而INT0引腳是0的情況下，定時(shí)器不工作，這就是GATE位的作用。
3、當(dāng)GATE位為0的時(shí)候，經(jīng)過一個(gè)非門變成1，不管INT0引腳是什么電平，經(jīng)過或門電路后則肯定是1，定時(shí)器就會(huì)工作。
4、要想讓定時(shí)器工作，就是加1，從圖上看有兩種方式，第一種方式是那個(gè)開關(guān)打到上邊的箭頭，就是C/T = 0的時(shí)候，一個(gè)機(jī)器周期TL就會(huì)加1一次，當(dāng)開關(guān)打到下邊的箭頭，即C/T =1的時(shí)候，T0引腳即P3.4引腳來一個(gè)脈沖，TL就加1一次，這也就是計(jì)數(shù)器功能。
INT0引腳是P3.2，INT1引腳是P3.3，T0引腳是P3.4，T1引腳是P3.5。
定時(shí)器程序應(yīng)用
了解了定時(shí)器相關(guān)的寄存器，那么我們下面就來做一個(gè)定時(shí)器的程序，鞏固一下我們學(xué)到的內(nèi)容。我們這節(jié)課的程序先使用定時(shí)器0，在使用定時(shí)器的時(shí)候，需要以下幾個(gè)步驟：
第一步：設(shè)置特殊功能寄存器TMOD，配置好工作模式；
第二步：設(shè)置計(jì)數(shù)寄存器TH0和TL0的初值；
第三步：設(shè)置TCON，通過打開TR0位來讓定時(shí)器開始計(jì)數(shù)。
第四步：判斷TCON寄存器的TF0位，監(jiān)測(cè)定時(shí)器溢出情況。
寫程序之前，我們要先來學(xué)會(huì)計(jì)算如何用定時(shí)器定時(shí)時(shí)間。我們以晶振是11.0592M為例講解，時(shí)鐘周期就是1/11059200，機(jī)器周期就是12/11059200，我們假如要定時(shí)20ms，就是0.02秒，要經(jīng)過x個(gè)機(jī)器周期得到0.02秒，我們來算一下x*12/11059200=0.02，得到x= 18432。那么我們現(xiàn)在16位的定時(shí)器溢出值是65536，我們可以這樣，先給TH0和TL0一個(gè)初值，讓他們經(jīng)過18432個(gè)機(jī)器周期后剛好溢出，溢出后我們可以通過檢測(cè)TF0位得知，就剛好是0.02秒。這個(gè)初值y = 65536 - 18432 = 47104，轉(zhuǎn)成16進(jìn)制就是0xB800，那么就是TH0 = 0xB8，TL0 = 0x00。
那0.02秒我們已經(jīng)定時(shí)出來了，細(xì)心的同學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)，我們?nèi)绻踔抵苯咏o一個(gè)0x0000，一直到65536溢出，定時(shí)器定時(shí)值最大也就是71ms左右，那么我們想定時(shí)更長(zhǎng)時(shí)間怎么辦呢？用你小學(xué)學(xué)過的邏輯，倍數(shù)關(guān)系就可以解決此問題。
那好了，我們下面就用程序來實(shí)現(xiàn)以下這個(gè)功能。
#include //包含寄存器的庫(kù)文件
sbit LED = P0^0;
sbit ADDR0 = P1^0;
sbit ADDR1 = P1^1;
sbit ADDR2 = P1^2;
sbit ADDR3 = P1^3;
sbit ENLED = P1^4;
void main()
{
unsigned char counter = 0;
ENLED = 0; ADDR0 = 0; ADDR1 = 1;
ADDR2 = 1; ADDR3 = 1; LED = 1; //74HC138和LED燈初始化部分
TMOD = 0x01; //設(shè)置定時(shí)器0為模式1
TH0 = 0xB8;
TL0 = 0x00; //定時(shí)值初值
TR0 = 1; //打開定時(shí)器0
while(1)
{
if(1 == TF0) //判斷定時(shí)器0是否溢出
{
TF0 = 0;
TH0 = 0xB8; //一旦溢出后，重新賦值
TL0 = 0x00;
counter++;
if(50 == counter) //判斷定時(shí)器0溢出是否達(dá)到50次
{
counter = 0; //counter清0，重新計(jì)數(shù)
LED = !LED; //LED取反操作，0-->1，1-->0
}
}
}
}
程序都有注釋，不難理解，這里要解釋一個(gè)地方，就是兩次if判斷，細(xì)心的同學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)，if(1 == TF0)這句，我把1寫前邊，這個(gè)地方我推薦新手按照我這樣來寫，因?yàn)槿绻覀儗慽f(TF0 == 1)，作為新手來說，不小心丟掉一個(gè)’=’號(hào)后，寫成if(TF0 = 1)，這樣實(shí)際上在語法上是可以通過的，我們用的Keil4還會(huì)出一個(gè)警告說明一下，Keil以前的版本以及一些其他軟件，可能根本不會(huì)出任何錯(cuò)誤或者警告提示，但是這樣產(chǎn)生的Hex文件下載到單片機(jī)里邊，程序就錯(cuò)了，大家可以改改試試看。
本程序?qū)崿F(xiàn)的結(jié)果是小燈點(diǎn)亮持續(xù)一秒，熄滅持續(xù)一秒，也就是以0.5HZ的頻率進(jìn)行閃爍。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2019-09-06
