原创 单片机延时的两种实现方式

前言

实现延时通常有两种方法：一种是硬件延时，要用到定时器/计数器，这种方法可以提高CPU的工作效率，也能做到精确延时；另一种是软件延时，这种方法主要采用循环体进行。

01

使用定时器/计数器实现精确延时

单片机系统一般常选用11.0592MHz、12 MHz或6MHz晶振。第一种更容易产生各种标准的波特率，后两种的一个机器周期分别为1μs和2μs，便于精确延时。本程序中假设使用频率为12MHz的晶振。

最长的延时时间可达216=65536 μs。若定时器工作在方式2，则可实现极短时间的精确延时；如使用其他定时方式，则要考虑重装定时初值的时间（重装定时器初值占用2个机器周期）。

在实际应用中，定时常采用中断方式，如进行适当的循环可实现几秒甚至更长时间的延时。使用定时器/计数器延时从程序的执行效率和稳定性两方面考虑都是最佳的方案。

但应该注意，C51编写的中断服务程序编译后会自动加上PUSH ACC、PUSH PSW、POP PSW和POP ACC语句，执行时占用了4个机器周期；如程序中还有计数值加1语句，则又会占用1个机器周期。这些语句所消耗的时间在计算定时初值时要考虑进去，从初值中减去以达到最小误差的目的。

02

软件延时与时间计算

在很多情况下，定时器/计数器经常被用作其他用途，这时候就只能用软件方法延时。下面介绍几种软件延时的方法。

短暂延时

可以在C文件中通过使用带_NOP_( )语句的函数实现，定义一系列不同的延时函数，如Delay10us( )、Delay25us( )、Delay40us( )等存放在一个自定义的C文件中，需要时在主程序中直接调用。如延时10μs的延时函数可编写如下：

void Delay10us( )

 {

_NOP_( );

_NOP_( );

_NOP_( );

_NOP_( );

_NOP_( );

_NOP_( );

}

Delay10us( )函数中共用了6个_NOP_( )语句，每个语句执行时间为1μs。主函数调用Delay10us( )时，先执行一个LCALL指令(2μs)，然后执行6个_NOP_( )语句(6μs)，最后执行了一个RET指令(2μs)，所以执行上述函数时共需要10μs。　　

可以把这一函数当作基本延时函数，在其他函数中调用，即嵌套调用[4]，以实现较长时间的延时；但需要注意，如在Delay40us( )中直接调用4次Delay10us( )函数，得到的延时时间将是42μs，而不是40μs。

这是因为执行Delay40us( )时，先执行了一次LCALL指令(2μs)，然后开始执行第一个Delay10us( )，执行完最后一个Delay10us( )时，直接返回到主程序。依此类推，如果是两层嵌套调用，如在Delay80us( )中两次调用Delay40us( )，则也要先执行一次LCALL指令(2μs)，然后执行两次Delay40us( )函数(84μs)，所以，实际延时时间为86μs。简言之，只有最内层的函数执行RET指令。

该指令直接返回到上级函数或主函数。如在Delay80μs( )中直接调用8次Delay10us( )，此时的延时时间为82μs。通过修改基本延时函数和适当的组合调用，上述方法可以实现不同时间的延时。

在C51中嵌套汇编程序段实现延时

在C51中通过预处理指令#pragma asm和#pragma endasm可以嵌套汇编语言语句。用户编写的汇编语言紧跟在#pragma asm之后，在#pragma endasm之前结束。

如：#pragma asm

…

汇编语言程序段

…

#pragma endasm

延时函数可设置入口参数，可将参数定义为unsigned char、int或long型。根据参数与返回值的传递规则，这时参数和函数返回值位于R7、R7R6、R7R6R5中。在应用时应注意以下几点：

#pragma asm、#pragma endasm不允许嵌套使用；

在程序的开头应加上预处理指令#pragma asm，在该指令之前只能有注释或其他预处理指令；

当使用asm语句时，编译系统并不输出目标模块，而只输出汇编源文件；

asm只能用小写字母，如果把asm写成大写，编译系统就把它作为普通变量；

#pragma asm、#pragma endasm和 asm只能在函数内使用。

将汇编语言与C51结合起来，充分发挥各自的优势，无疑是单片机开发人员的最佳选择。

使用示波器确定延时时间

利用示波器来测定延时程序执行时间。方法如下：编写一个实现延时的函数，在该函数的开始置某个I/O口线如P1.0为高电平，在函数的最后清P1.0为低电平。在主程序中循环调用该延时函数，通过示波器测量P1.0引脚上的高电平时间即可确定延时函数的执行时间。方法如下：

sbit T_point = P1^0;

void Dly1ms(void)

{

unsigned int i,j;

while (1)

 {

T_point = 1;

for(i=0;i<2;i++)

{

for(j=0;j<124;j++){;}

}

T_point = 0;

for(i=0;i<1;i++)

{

for(j=0;j<124;j++){;}

}

}

}

void main (void) {

Dly1ms();

}

把P1.0接入示波器，运行上面的程序，可以看到P1.0输出的波形为周期是3ms的方波。其中，高电平为2ms，低电平为1ms，即for循环结构“for(j=0;j<124;j++) {;}”的执行时间为1ms。通过改变循环次数，可得到不同时间的延时。当然，也可以不用for循环而用别的语句实现延时。这里讨论的只是确定延时的方法。

使用反汇编工具计算延时时间

用Keil C51中的反汇编工具计算延时时间，在反汇编窗口中可用源程序和汇编程序的混合代码或汇编代码显示目标应用程序。为了说明这种方法，还使用：

for (i=0;i

C:0x000FE4CLRA//1T

C:0x0010FEMOVR6,A//1T

C:0x0011EEMOVA,R6//1T

C:0x0012C3CLRC//1T

C:0x00139FSUBBA,DlyT //1T

C:0x00145003JNCC:0019//2T

C:0x00160E INCR6//1T

C:0x001780F8SJMPC:0011//2T

可以看出，0x000F～0x0017一共8条语句，分析语句可以发现并不是每条语句都执行DlyT次。核心循环只有0x0011~0x0017共6条语句，总共8个机器周期，第1次循环先执行“CLR A”和“MOV R6，A”两条语句，需要2个机器周期，每循环1次需要8个机器周期，但最后1次循环需要5个机器周期。DlyT次核心循环语句消耗(2+DlyT×8+5)个机器周期，当系统采用12MHz时，精度为7μs。

当采用while (DlyT--)循环体时，DlyT的值存放在R7中。相对应的汇编代码如下：

C:0x000FAE07MOVR6, R7//1T

C:0x00111F DECR7//1T

C:0x0012EE MOVA,R6//1T

C:0x001370FAJNZC:000F//2T

循环语句执行的时间为(DlyT+1)×5个机器周期，即这种循环结构的延时精度为5μs。

通过实验发现，如将while (DlyT--)改为while (--DlyT)，经过反汇编后得到如下代码：

C:0x0014DFFE DJNZR7,C:0014//2T

可以看出，这时代码只有1句，共占用2个机器周期，精度达到2μs，循环体耗时DlyT×2个机器周期；但这时应该注意，DlyT初始值不能为0。

注意：计算时间时还应加上函数调用和函数返回各2个机器周期时间。

举例程序段落

系统频率：6MHz

Delay: MOV R5,#25 ；5ms延时 —— MOV指令占用1机器周期时间

Delay1: MOV R6,#200 ；200ms延时

Delay2: MOV R7,#166 ；1ms延时常数

Delay3: NOP ；空指令，什么都不做，停留1机器周期时间

DJNZ R7,Delay3 ；R7减1赋值给R7，如果此时R7不等于零，转到Delay3执行。—— 2机器周期时间

DJNZ R6,Delay2

DJNZ R5,Delay1

解析如下：

首先计算机器周期T=12*1/f=2μs。

注意DJNZ R7,Delay3每执行1次需要占用NOP的时间和DJNZ本身的时间共3个机器周期。6μs。那么1ms的时间需要1ms*1000/6μs=166.67，取166。

注意DJNZ R6,Delay2是在166次循环后执行1次的(时间为MOV机器周期+本身机器周期，3*2=6μs)，直到166*200次后，R6=0，才执行DJNZ R5,Delay1。

DJNZ R5,Delay1是在R5不为0的时候循环回去。时间也为6μs。

时间总计：166*200*25*6μs+200*25*6μs+25*6μs=5010150μs，合计5.01015ms(编程的人都遇到过类似的潜逃循环，此程序忽略了执行MOV的时间，只计算了循环所用时间，即166*200*25*6/1000000=4.98ms，近似5ms)。

程序改进：去掉NOP命令，整数化1ms需要的延时常数。

Delay: MOV R5,#25 ；5ms延时 —— MOV指令占用1机器周期时间

Delay1: MOV R6,#200 ；200ms延时

Delay2: MOV R7,#250 ；1ms延时常数

Delay3: ;NOP ；空指令，什么都不做，停留1机器周期时间

DJNZ R7,Delay3 ；R7减1赋值给R7,如果此时R7不等于零，转到Delay3执行。—— 2机器周期时间

DJNZ R6,Delay2

DJNZ R5,Delay1

此时时间总计：250*200*25*4μs+200*25*6μs+25*6μs=5030150μs。时间占用误差反而比未改进的时候大，可修正，将R7-30150/(25*200*4)=248(因为R7=250循环1次占用2个机器周期，4μs，计算等于R7-1.5075,将时间减小到小于5ms，剩余时间另补，取248)。则：

时间总计：

248*200*25*4μs+200*25*6μs+25*6μs=4990150μs，

需要补：

5000000-4990150=9850μs，9850/2=4925机器周期。

补一个MOV R4,#200，4个NOP，还需4920机器周期，将其约分，得到24*205=4920。

如何建立函数根据实际代码调整，如下：

Delay: MOV R5,#25 ；5ms延时 —— MOV指令占用1机器周期时间

Delay1: MOV R6,#200 ；200ms延时

Delay2: MOV R7,#250 ；1ms延时常数

Delay3: ;NOP ；空指令，什么都不做，停留1机器周期时间

DJNZ R7,Delay3 ；R7减1赋值给R7,如果此时R7不等于零，转到Delay3执行。—— 2机器周期时间

DJNZ R6,Delay2

DJNZ R5,Delay1

NOP

NOP

NOP

NOP

MOV R3,#6

Delayadd: MOV R4,#205

MOV R2,#0H

DJNZ R3,Delayadd

解析205*24调整为205*6 —— 这是因为Delay循环为4机器周期代码，因此将24/4=6。

请计算：205*6*4=4920;4920+5=4925。时间补充正好。

此时时间计算：

248*200*25*4μs+200*25*6μs+25*6μs=4990150μs+4925*2μs=5000000μs合计5ms。

理论上1μs都不差(仅为科学探讨，具体晶振频率的误差多大作者并不明确)。

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