定时器是单片机系统的一个重点,但并不是难点,大家一定要完全理解并且熟练掌握定时器的应用。

1) 时钟周期
时钟周期 T 是时序中最小的时间单位,具体计算的方法就是 1/时钟源频率,我们 KST-51 单片机开发板上用的晶振是 11.0592M,那么对于我们这个单片机系统来说,时钟周期=1/11059200 秒。

2) 机器周期
我们的单片机完成一个操作的最短时间。机器周期主要针对汇编语言而言,在汇编语言下程序的每一条语句执行所使用的时间都是机器周期的整数倍,而且语句占用的时间是可以计算出来的,而 C 语言一条语句的时间是不确定的,受到诸多因素的影响。51单片机系列,在其标准架构下一个机器周期是 12 个时钟周期,也就是 12/11059200 秒。现在有不少增强型的 51 单片机,其速度都比较块,有的 1 个机器周期等于 4 个时钟周期,有的 1个机器周期就等于 1 个时钟周期,也就是说大体上其速度可以达到标准 51 架构的 3 倍或 12倍。因为我们是讲标准的 51 单片机,所以我们后边的课程如果遇到这个概念,全部是指 12 个时钟周期。

这两个概念了解即可,下边就来我们的重头戏,定时器和计数器。定时器和计数器是单片机内部的同一个模块,通过配置 SFR(特殊功能寄存器)可以实现两种不同的功能,我们大多数情况下是使用定时器功能,因此我们的课程也是主要来讲定时器功能,计数器功能大家自己了解下即可。

顾名思义,定时器就是用来进行定时的。定时器内部有一个寄存器,我们让它开始计数后,这个寄存器的值每经过一个机器周期就会自动加 1,因此,我们可以把机器周期理解为定时器的计数周期。就像我们的钟表,每经过一秒,数字自动加 1,而这个定时器就是每过一个机器周期的时间,也就是 12/11059200 秒,数字自动加 1。还有一个特别注意的地方,就是钟表是加到 60 后,秒就自动变成 0 了,这种情况在单片机或计算机里我们称之为溢出。


那定时器加到多少才会溢出呢?后面会讲到定时器有多种工作模式,分别使用不同的位宽(指使用多少个二进制位),假如是 16 位的定时器,也就是 2 个字节,最大值就是 65535,那么加到 65535 后,再加 1 就算溢出,如果有其他位数的话,道理是一样的,对于 51 单片机来说,溢出后,这个值会直接变成 0。从某一个初始值开始,经过确定的时间后溢出,这个过程就是定时的含义。

单片机定时器的寄存器
标准的 51 单片机内部有 T0 和 T1 这两个定时器,T 就是 Timer 的缩写,现在很多 51 系列单片机还会增加额外的定时器,在这里我们先讲定时器 0 和 1。前边提到过,对于单片机的每一个功能模块,都是由它的 SFR,也就是特殊功能寄存器来控制。与定时器有关的特殊功能寄存器,有以下几个,大家不需要去记忆这些寄存器的名字和作用,你只要大概知道就行,用的时候,随时可以查手册,找到每个寄存器的名字和每个寄存器所起到的作用。

表 5-1 的寄存器是存储定时器的计数值的。TH0/TL0 用于 T0,TH1/TL1 用于 T1。

表 5-1 定时值存储寄存器名称描述SFR 地址复位值
TH0定时器 0 高字节0x8C0x00
TL0定时器 0 低字节0x8A0x00
TH1定时器 1 高字节0x8D0x00
TL1定时器 1 低字节0x8B0x00
表 5-2 是定时器控制寄存器 TCON 的位分配,表 5-3 是则是对每一位的具体含义的描述。

表 5-2 TCON——定时器控制寄存器的位分配(地址 0x88、可位寻址)位76543210
符号TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0
复位值00000000
表 5-3 TCON——定时器控制寄存器的位描述位符号描述
7TF1定时器 1 溢出标志。一旦定时器 1 发生溢出时硬件置 1。清零有两种方式:
软件清零,或者进入定时器中断时硬件清零。
6TR1定时器 1 运行控制位。软件置位/清零来进行启动/停止定时器。
5TF0定时器 0 溢出标志。一旦定时器 0 发生溢出时硬件置 1。清零有两种方式:
软件清零,或者进入定时器中断时硬件清零。
4TR0定时器 0 运行控制位。软件置位/清零来进行启动/停止定时器。
3IE1外部中断部分,与定时器无关,暂且不看。
2IT1
1IE0
0IT0
大家注意在表 5-3 中的描述中,只要写到硬件置 1 或者清 0 的,就是指一旦符合条件,单片机将自动完成的动作,只要写软件置 1 或者清 0 的,是指我们必须用程序去完成这个动作,后续遇到此类描述就不再另做说明了。

对于 TCON 这个 SFR,其中有 TF1、TR1、TF0、TR0 这 4 位需要我们理解清楚,它们分别对应于 T1 和 T0,我们以定时器 1 为例讲解,那么定时器 0 同理。先看 TR1,当我们程序中写 TR1 = 1 以后,定时器值就会每经过一个机器周期自动加 1,当我们程序中写 TR1 = 0以后,定时器就会停止加 1,其值会保持不变化。TF1,这个是一个标志位,他的作用是告诉我们定时器溢出了。比如我们的定时器设置成 16 位的模式,那么每经过一个机器周期,TL1加 1 一次,当 TL1 加到 255 后,再加 1,TL1 变成 0,TH1 会加 1 一次,如此一直加到 TH1和 TL1 都是 255(即 TH1 和 TL1 组成的 16 位整型数为 65535)以后,再加 1 一次,就会溢出了,TH1 和 TL1 同时都变为 0,只要一溢出,TF1 马上自动变成 1,告诉我们定时器溢出了,仅仅是提供给我们一个信号,让我们知道定时器溢出了,它不会对定时器是否继续运行产生任何影响。

本节开头我们就提到了定时器有多种工作模式,工作模式的选择就由 TMOD 来控制,TMOD 的位分配和描述见表 5-4 到 5-6 所示,TMOD 的位功能如表 5-5 所示。

表 5-4 TMOD——定时器模式寄存器的位分配(地址 0x89、不可位寻址)位76543210
符号GATE
(T1)C/T
(T1)M1
(T1)M0
(T1)GATE
(T0)C/T
(T0)M1
(T0)M0
(T0)
复位值00000000
表 5-5 TMOD——定时器模式寄存器的位描述符号描述
T1/T0在表 5-5 中,标 T1 的表示控制定时器 1 的位,标 T0 的表示控制定时器 0
的位。
GATE该位被置 1 时为门控位。仅当„INTx‟脚为高并且„TRx‟控制位被置 1 时使能
定时器„x‟,定时器开始计时,当该位被清 0 时,只要„TRx‟位被置 1,定时
器 x 就使能开始计时,不受到单片机引脚„INTx‟外部信号的干扰,常用来测
量外部信号脉冲宽度。这是定时器一个额外功能,本节课暂不介绍。
C/T定时器或计数器选择位。该位被清零时用作定时器功能(内部系统时钟),
被置 1 用作计数器功能。
表 5-6 TMOD——定时器模式寄存器 M1/M0 工作模式M1M0工作模式描述
000兼容 8048 单片机的 13 位定时器,THn 的 8 位和 TLn 的 5 位组
成一个 13 位定时器。
011THn 和 TLn 组成一个 16 位的定时器。
1028 位自动重装模式,定时器溢出后 THn 重装到 TLn 中。
113禁用定时器 1,定时器 0 变成 2 个 8 位定时器。
可能你已经注意到了,表 5-2 的 TCON 最后标注了“可位寻址”,而表 5-4 的 TMOD 标注的是“不可位寻址”。意思就是说:比如 TCON 有一个位叫 TR1,我们可以在程序中直接进行 TR1 = 1 这样的操作。但对 TMOD 里的位比如(T1)M1 = 1 这样的操作就是错误的。我们要操作就必须一次操作这整个字节,也就是必须一次性对 TMOD 所有位操作,不能对其中某一位单独进行操作,那么我们能不能只修改其中的一位而不影响其它位的值呢?当然可以,在后续课程中你就会学到方法的,现在就先不关心它了。

表 5-6 列出的就是定时器的 4 中工作模式,其中模式 0 是为了兼容老的 8048 系列单片机而设计的,现在的 51 几乎不会用到这种模式,而模式 3 根据我的应用经验,它的功能用模式 2 完全可以取代,所以基本上也是不用的,那么我们就重点来学习模式 1 和模式 2。

模式 1,是 THn 和 TLn 组成了一个 16 位的定时器,计数范围是 0~65535,溢出后,只要不对 THn 和 TLn 重新赋值,则从 0 开始计数。模式 2,是 8 位自动重装载模式,只有 TLn做加 1 计数,计数范围 0~255,THn 的值并不发生变化,而是保持原值,TLn 溢出后,TFn就直接置 1 了,并且 THn 原先的值直接赋给 TLn,然后 TLn 从新赋值的这个数字开始计数。这个功能可以用来产生串口的通信波特率,我们讲串口的时候要用到,本章节我们重点来学习模式 1。为了加深大家理解定时器的原理,我们来看一下他的模式 1 的电路示意图 5-2。

图 5-2  定时器/计数器模式 1 示意图


我带领大家一起来分析一遍这个示意图,日后如果再遇到类似的图,大家就可以自己研究了。OSC 框表示时钟频率,因为 1 个机器周期等于 12 个时钟周期,所以那个 d 就等于 12。下边 GATE 右边的那个门是一个非门电路,再右侧是一个或门,再往右是一个与门电路,大家可以对照一下 5-1 节的内容。

图上可以看出来,下边部分电路是控制了上边部分,那我们先来看下边是如何控制的,我们以定时器 0 为例。

1) TR0 和下边或门电路的结果要进行与运算,TR0 如果是 0 的话,与运算完了肯定是 0,所以如果要让定时器工作,那么 TR0 就必须置 1。

2) 这里的与门结果要想得到 1,那么前面的或门出来的结果必须也得是 1 才行。在 GATE位为 1 的情况下,经过一个非门变成 0,或门电路结果要想是 1 的话,那 INT0 即 P3.2 引脚必须是 1 的情况下,这个时候定时器才会工作,而 INT0 引脚是 0 的情况下,定时器不工作,这就是 GATE 位的作用。

3) 当 GATE 位为 0 的时候,经过一个非门会变成 1,那么不管 INT0 引脚是什么电平,经过或门电路后都肯定是 1,定时器就会工作。

4) 要想让定时器工作,就是自动加 1,从图上看有两种方式,第一种方式是那个开关打到上边的箭头,就是 C/T = 0 的时候,一个机器周期 TL 就会加 1 一次,当开关打到下边的箭头,即 C/T =1 的时候,T0 引脚即 P3.4 引脚来一个脉冲,TL 就加 1 一次,这也就是计数器功能。

单片机中定时器的应用
了解了定时器相关的寄存器,那么我们下面就来做一个定时器的程序,巩固一下我们学到的内容。我们这节课的程序先使用定时器 0,在使用定时器的时候,需要以下几个步骤:
第一步:设置特殊功能寄存器 TMOD,配置好工作模式。
第二步:设置计数寄存器 TH0 和 TL0 的初值。
第三步:设置 TCON,通过 TR0 置 1 来让定时器开始计数。
第四步:判断 TCON 寄存器的 TF0 位,监测定时器溢出情况。

写程序之前,我们要先来学会计算如何用定时器定时时间。我们的晶振是 11.0592M,时钟周期就是 1/11059200,机器周期是 12/11059200,假如要定时 20ms,就是 0.02 秒,要经过x 个机器周期得到 0.02 秒,我们来算一下 x*12/11059200=0.02,得到 x= 18432。16 位定时器的溢出值是 65536(因 65535 再加 1 才是溢出),于是我们就可以这样操作,先给 TH0 和 TL0一个初始值,让它们经过 18432 个机器周期后刚好达到 65536,也就是溢出,溢出后可以通过检测 TF0 的值得知,就刚好是 0.02 秒。那么初值 y = 65536 - 18432 = 47104,转成 16 进制就是 0xB800,也就是 TH0 = 0xB8,TL0 = 0x00。

这样 0.02 秒的定时我们就做出来了,细心的同学会发现,如果初值直接给一个 0x0000,一直到 65536 溢出,定时器定时值最大也就是 71ms 左右,那么我们想定时更长时间怎么办呢?用你小学学过的逻辑,倍数关系就可以解决此问题。

好了,我们下面就用程序来实现这个功能。纯文本复制
  • #include <reg52.h>
  • 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 cnt = 0;  //定义一个计数变量,记录 T0 溢出次数
  •     ENLED = 0;  //使能 U3,选择独立 LED
  •     ADDR3 = 1;
  •     ADDR2 = 1;
  •     ADDR1 = 1;
  •     ADDR0 = 0;
  •     TMOD = 0x01;  //设置 T0 为模式 1
  •     TH0 = 0xB8;  //为 T0 赋初值 0xB800
  •     TL0 = 0x00;
  •     TR0 = 1;  //启动 T0
  •     while (1){
  •         if (TF0 == 1){  //判断 T0 是否溢出
  •             TF0 = 0;  //T0 溢出后,清零中断标志
  •             TH0 = 0xB8;  //并重新赋初值
  •             TL0 = 0x00;
  •             cnt++;  //计数值自加 1
  •             if (cnt >= 50){  //判断 T0 溢出是否达到 50 次
  •                 cnt = 0;  //达到 50 次后计数值清零
  •                 LED = ~LED; //LED 取反:0-->1、1-->0
  •             }
  •         }
  •     }
  • }


程序中都写了注释,结合前几章学的内容,自己分析一下,不难理解。本程序实现的结果是开发板上最右边的小灯点亮一秒,熄灭一秒,也就是以 0.5Hz 的频率进行闪烁。