定时器84358.doc

定时器
数字钟要准确持续地走时，1秒钟是最小的计时单位，60秒种是1分钟，60分钟时是一个小时，24小时就是1天了。能得到精确的1秒钟，就会得到精确的1分钟、1个小时和1天了，显而易见，得到精确的1秒钟是数字钟准确持续走时的核心问题。那么在51单片机内部如何得到精确的1秒钟呢，在第一章中的学习时，我们曾将介绍过delayms()这个函数可以实现延时，利用它可以得到1秒钟，但是这个延时函数不够精确，实际上51单片机内部已经集成了定时器，利用定时器我们可以得到所需要的精确的1秒钟。在利用定时器完成数字钟走时之前，我们先来系统地学习一下定时器的原理。
（一）定时器的原理
（1）定时与计数的引入
在讲述定时器的原理之前，我们先看一下图一中的图片。这是一个水龙头向水盆滴水的画面，在画面中，水龙头由于没有关紧，水一滴一滴地滴向脸盆，盆的容量是有限的，水终会在某一个时刻从脸盆中溢出来。假设一开始水盆没有水，10000滴水滴恰好可以把水盆装满，恰好是计数了10000次。如果我们计数100次怎么办呢？我们应该首先向水盆中预先装下了9900滴水，然后让水龙头开始滴水，等到水盆中的水溢出了，自然是计数了100次。如果水滴的速度是恒定的，1秒一滴水滴，那么计数也就变成了计时了，水盆中没有水，要让水盆中的水装满，那得需要10000秒的时间。通过上面地分析，我们发现只要保持水滴的速度是恒定的，定时与计数在本质上是一回事。

图1

51单片机的定时器/计数器与上面讲述的水盆滴水的例子类似。在51单片机内部，信号源产生的脉冲可以看成是水滴滴水；由两个8位的RAM（共16位）构成的存储单元可以看成是水盆；水龙头向水盆滴水的过程，在51单片机内部，可以看成是信号源每产生一个脉冲，就向16位的RAM加1这样一个过程；16位的RAM中的数据不断加1，直到65536，再加1，RAM中的数据就会溢出，可以类似水盆中的水满了，再加入1滴水滴，水就会溢出。通过这样的类比，我们可以来很好的理解单片机定时器/计数器的原理。
（2）定时器/计数器内部结构及工作原理
在51单片机内部，有2个定时/计数器，分别称为定时器/计数器0、定时器/计数器1。每个定时器/计数器都具有计数和定时两大功能，并具有4种工作方式。现用定时/计数器0的方式1来说明定时/计数器内部结构与工作原理。
图2为定时/计数器0方式1的内部结构图。51单片机内部定时/计数的信号源有两种：当定时/计数器工作于定时方式，加1脉冲由系统时钟fosc经12分频后产生。当定时/计数器工作于计数方式，加1脉冲由T0(P3.4)引脚直接提供。定时器工作于定时还是计数方式，取决于选择开关C/T，当C/T=0时工作于定时方式，C/T=1时工作于计数方式。加1脉冲要经过启动开关才能到达加1计数器，启动开关由与门的输出端控制，其输入端分别接启动控制位TR0与或门输出端(启动开关比较复杂，在后面的内容中会详细地介绍)。前面我们提及过两个8位的RAM，高八位的RAM称为TH0，低八位的RAM称为TL0，每来一个脉冲，RAM的数值加1，当RAM的数值超过65536时，计数器会溢出，TF0会由0变成1，TF0的变化会引发事件的发生。

启动开关

C/T选择

TR0

图2 定时/计数器0的内部结构（方式1）
（3）定时/计数器的方式控制字
在1.1中我们已经大体知道了定时/计数的工作原理，那么在51单片机中如何控制它们工作于我们需要的用途呢？我们先来看一下51单片机定时/计数的两个方式控制字。在单片机中有两个特殊功能寄存器与定时/计数有关，这就是TMOD和TCON。顺便说一下，TMOD和TCON是名称，我们在写程序时就可以直接用这个名称来指定它们。

图3 TMOD
从图3中，我们可以看出，TMOD被分成两份，每份四位，高四位用于定时/计数器1的控制，低四位用于定时/计数器0的控制，结合图2 定时/计数器0的内部结构，我们可以看出，GATE参与了启动开关的选择，称为门控位。C/T是用来选择定时还是计数，M1,、M0是我们下面要介绍的4种工作方式的选择位。

图4是TCON寄存器的配置，也被分成了两份，前四位用于定时/计数器，后四位用于中断。
而TF0在工作原理中已提到了，当计数溢出后T0就由0变为1。TR0也参与了启动开关的选择。
称为运行控制位。
(4) 定时/计数器的四种工作方式
工作方式0：
定时器/计数器的工作方式0称之为13位定时/计数方式。它由TL（1/0）的低5位和TH（0/1）的8位构成13位的计数器，此时TL（1/0）的高3位未用。由于方式0和方式1使用起来差不多，方式1计数范围是16位，所以这里不介绍方式0的使用了。
工作方式1 ：
M1M0：定时/计数器一共有四种工作方式，就是用M1M0来控制的，2位正好是四种组合。工作在方式0的时候，M1M0=00。工作于方式1的时候，M1M0=01。
C/T：定时或者计数的选择位，C/T=0，信号源选择晶振的12分频，计时；C/T=1，信号源选择外接脉冲，计数。
GATE：从图2中我们可以看到，选择了定时或者计数工作方式后，还要闭合启动开关，这样计数脉冲才会送到后面的RAM中，而启动开关的闭合不仅由运行控制位TR0决定，还有门控位GATE决定。
GATE=0，分析一下逻辑，GATE非后是1，进入或门，或门总是输出1，和或门的另一个输入端INT1无关，在这种情况下，开关的打开、合上只取决于TR1，只要TR1是1，开关就合上，而如果TR1等于0则开关打开，计数脉冲无法通过，因此定时/计数是否工作，只取决于TR1。
GATE=1，在此种情况下，计数脉冲通路上的开关不仅要由TR1来控制，而且还要受到INT1引脚的控制，只有TR1为1，且INT1引脚也是高电平，开关才合上，计数脉冲才得以通过。这个特性可以用来测量一个信号的高电平的宽度。
工作方式2：
工作在方式2的时候，将M1M0设为10,。在介绍这种方式之前，我们先来看一下在方式1模式下如何连续地定时1ms：晶振选择12M，那么计数脉冲的周期是1us，1ms的定时就是要计1000个脉冲，所以我们要预先在计数器中装入（65536-100065436，然后来1000个脉冲，计数器计满溢出，第一个1ms就实现了，那么下一个1ms呢？如果我们不对计数器做设置，计数器在溢出之后会从0开始计数，也就是说下一次溢出，要计655536个脉冲，显然这样是不合理的。正确的做法，在溢出之后，要重新对计数器装初值65436。对计数器装初值是需要耗费一定的时间的，对于时间要求不是很严格的场合，这样做没有什么大问题，但是如果在要求严格的场合(我们本单元中的数字钟就对时间要求比较严格，1S中有小误差，日积月累，那么误差就大了)，方式1显示不可行了，所以我们应该采用方式2模式。
方式2是自动重装模式，预置数的重装不需要人工干预，由硬件自动完成。既然要自动重装，预置数应事先放在一个地方，那预置数放在什么地方呢？它放在T（0/1）的高8位，那么这样高8位不就不能参与计数了吗？是的，在工作方式2，只有低8位参与计数，而高8位不参与计数，用作预置数的存放。计数范围缩少了一半，但计数精度确增加了。
工作方式3
这种式作方式之下，定时/计数器0被拆成2个独立的定时/计数器来用。其中，TL0可以构成8位的定时器或计数器的工作方式，而TH0则只能作为定时器来用。我们知道作定时、计数器来用，需要控制，计满后溢出需要有溢出标记，T0被分成两个来用，那就要两套控制及、溢出标记了，从何而来呢？TL0还是用原来的T0的标记，而TH0则借用T1的标记。如此T1不是无标记、控制可用了吗？是的。
一般情况处，只有在T1以工作方式2运行（当波特率发生器用）时，才让T0工作于方式3的。
(5) 定时器/计数器的定时/计数范围
工作方式0：13位定时/计数方式，因此，最多可以计到2的13次方，也就是8192次。
工作方式1：16位定时/计数方式，因此，最多可以计到2的16次方，也就是65536次。
工作方式2和工作方式3，都是8位的定时/计数方式，因此，最多可以计到2的8次方，也说是256次。
预置值计算：用最大计数量减去需要的计数次数即可。
例：流水线上一个包装是12盒，要求每到12盒就产生一个动作，用单片机的工作方式0来控制，应当预置多大的值呢？对了，就是8192-12=8180。
以上是计数，明白了这个道理，定时也是一样。
(6)定时器/计数器的初始化和溢出标志位处理
在讲解定时器的应用实例之前，我们先来看看定时器的初始化和溢出标志位的处理。
（一）定时器/计数器初始化设置如下：
（1）设置工作方式，由TMOD的值确定定时器/计数器的工作方式；
（2）预置处置，根据定时/计数要求，给出TH1、TL1（或TH0,TL0）送初值；
（3）根据需要，确定是否需要开启中断，如果需要，设定EA和ET0（或者ET1）
（4）确定中断级别，通过IP的设置来确定优先级别
（5）启动定时器/计数器，定时器/计数器的启动由定时控制器TR0（TR1）来决定。
（二）溢出标志位处理
溢出标志位可采用查询和中断两种方式进行处理。
采用中断方式处理，当定时器/计数器值到位时，溢出位座位中断请求信号向CPU发出中断请求。CPU响应中断后，进行中断处理过程，在中断处理中要重新给定时器、计数器赋初值（方式2外）。
采用查询方式处理，当开启定时器/计数器后，在主程序中来查询TF0(TF1)的到来。
(二)定时、计数例程
应用1：计数的应用
要求：流水线上一个包装是12盒，要求每到12盒就一个动作。这里用按键来模拟盒数，每按一次按键，产生一次脉冲，表示生产线检测到一盒产品，按键接P3.4。用发光二极管的状态来模拟生产线的动作，发光二极管的的状态取反一次，表示动作一次,发光二极管接单片机的P0.0。用定时器0，方式0，计数，溢出分别采用查询方式和中断方式。

（a）查询方式程序
#include
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit led=P0^0;
void main(void)
{
TMOD=0x05; //GATE=0,C/T=1,M1M0=01;
TH0=0xff;
TL0=0xf4; //设置初值(65536-12)/256=0xff,(65536-12)%256=0xf4;
TR0=1; //开启定时器
while(1)
{
if(TF0==1) //查询定时器有没有溢出
{
TF0=0; //清空溢出标志位
led=!led; //发光二极管状态取反
TH0=0xff;
TL0=0xf4; //重新赋初值
}
}
}
程序说明：
（1）按键会在下节中详细介绍。这里只是做一下说明：按键内部是一个机械开关，按下，机械开关内部连通，松开，内部开关断开，图中的按键一端接单片机的P3.4引脚，两外一端接地。由于单片机的P3引脚已经内接上拉，所以，按键没有被按下的时候，P3.4引脚被置成高点平，按键按下的时候，P3.4引脚被置成低电平，这样按键每按一下次，相当于给P3.4引脚送了一个脉冲。
（2）我们在试验的时候发现，按键大约在5-10次内就可以使发光二极管的状态取反一次，这是由于按键按下时会产生抖动，有可能一次按键产生多个脉冲的缘故，若想稳定地观察试验现象，大家可以把P3.4口接到稳定的信号源上。
（3）定时器可以对外来脉冲计数，但并不是说对任意频率脉冲计数。脉冲应满足一定条件。当输入信号产生由1到0的负跳变时，计数器加1。单片机对外部输入引脚进行采样，如在第一个机器周期内采样值为0，下一个机器周期采样值为1，则紧跟着下一个机器周期，计数器加1。从这个过程我们可以看出，单片机确认一次负跳变，需要2个机器周期，所以外部输入脉冲的最高频率不应该超过振荡器频率的1/12。例如，12MHZ频率的晶振，允许外部输入脉冲的频率为500KHZ。对于外部脉冲的占空比（脉冲的高低电平宽度之比）也有一定限制，为了确保某一给定的电平在变化之前能被采样一次，则这一电平持续的时间，至少要保持一个机器周期以上。
（b）中断方式
#include
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit led=P0^0;
void main(void)
{
TMOD=0x05; //GATE=0,C/T=1,M1M0=01;
TH0=0xff;
TL0=0xf4; //设置初值(65536-12)/256=0xff,(65536-12)%256=0xf4;
TR0=1; //开启定时器
ET0=EA=1; //开定时器中断和总中断
while(1)；；
}
void timer0_intr(void) interrupt 1
{
TH0=0xff;
TL0=0xf4; //溢出后重新赋初值
led=!led; //中断每产生一次，发光二极管的状态取反一次
}
应用2：定时的应用
实例1：在单片机系统中，单片机经常需要给外围的器件提供脉冲信号，例如，在超声波测距模块中，需要提供40Khz的脉冲信号；在红外通信中，需要提供38Khz的脉冲信号；模数转换器件ADC0809无内接时钟源，需提供几十K到几百K的脉冲信号。在本例中，用定时器实现单片机I/O口输出10KHz的方波，I/O口为P0.0，定时器1，方式0。
#include
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit signal=P1^0;
void main(void)
{
TMOD=0x20; //GATE=0,C/T=0,M1M0=10;
TH1=206;
TL1=206; //设置初值,
TR1=1; //开启定时器
ET1=1;
EA=1; //开定时器中断和总中断
while(1);
}
void timer0_intr(void) interrupt 3

{
signal=!signal; //中断每产生一次，发光二极管的状态取反一次
}
实例2：PWM(Pulse Width Modulation)是脉冲宽度调制的英文单词的缩写，利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中，例如调光灯、电机调速和开关电源等等场合。上面的专业术语看起来比较晦涩，简单来讲，PWM就是通过在一个固定周期里调节占空比（高电平与低电平的比例），来调节输出的平均电压、电流或者功率等被控制量。我们可以用一个水龙头来类比，把1S时间分成50等份，即每一个等份20MS。在这20MS时间里如果我们把水龙头水阀一直打开，那么在这20MS里流过的水肯定是最多的，如果我们把水阀打开15MS，剩下的5MS关闭水阀，那么流出的水相比刚才20MS全开肯定要小的多。同样的道理，我们可以通过控制20MS时间里水阀开启的时间的长短来控制流过的水的多少。那么在1S内平均流出的水流量也就可以被控制了。下面是利用定时器完成的PWM控制程序。PWM的周期为10ms，P1.0输出PWM，占空比可以设定。
程序：
#include
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
#define pwm_limit 20
sbit pwm=P1^0;
uchar pwm_counter;

void main(void)
{
TMOD=0x20; //GATE=0,C/T=0,M1M0=10;
TH1=156;
TL1=156; //设置初值,
TR1=1; //开启定时器
ET1=1;
EA=1; //开定时器中断和总中断
while(1);
}
void timer0_intr(void) interrupt 3
{
if(++pwm_counter>=100) pwm_counter=0;
if(pwm_counter<=pwm_limit) pwm=1;
else pwm=0;
}
程序说明：
设计PWM，首先要确定PWM的周期，本程序中PWM的周期为10ms,在这10ms里分成100等份，那么每一份为100us，定时器每100us中断一次，pwm_counter加1，从0一直往上累加，直到100后清0。每一次中断， pwm_counter都要和定值pwm_limit（pwm_limint取值在0-100之间）比较，如果pwm_counter小于pwm_limit，PWM对应的I/O输出高电平，否则输出低电平。只要我们改变pwm_limit的值，就可以得到不通过占空比的波形。
实例3：SPWM是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛的用于支流交流逆变器等，比如高级一些的UPS就是一个例子。三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛的采用。
首先按照下面的公式建立一个正弦波的样本，样本表将一个正弦波周期分为16个点，每点按5位量化（1对应最低幅度，32对应最高幅度:f(x)=16+16*sin(2pix/16) i[0,15];由此公式求出样本的值分别为：{16,22,27,30,31,27,22,16,9,4,1,0,1,4,9}。
程序：
#include
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit pwm=P1^0;
uchar pwm_counter;
uchar i;
uchar pwm_limit;
uchar code table[]={16,22,27,30,31,30,27,22,16,9,4,1,0,1,4,9};
void main(void)
{
TMOD=0x20; //GATE=0,C/T=0,M1M0=10;
TH1=217;
TL1=217; //设置初值,
TR1=1; //开启定时器
ET1=1;
EA=1; //开定时器中断和总中断
while(1);
}
void timer0_intr(void) interrupt 3
{
if(++pwm_counter>=32)
{
pwm_counter=0;
if(++i>=16) i=0;
pwm_limit=table[i];

}
if(pwm_counter<=table[i]) pwm=1;
else pwm=0;

}
在程序中，最小时基单位为50us，每32个时基信号的到来改变一次PWM的占空比，这让I/O的脉冲输出经过滤波后就形成正弦波，在本设计中，正弦波的频率为：20k/32/16=39hz。

实例4：测脉冲高电平宽度
红外线遥控器广泛用于家电以及工业设备中，由发射和接收两大部分组成。如图1所示。发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器；接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。

遥控发射器专用芯片很多，现以日本NEC的uPD6121G组成发射电路为例说明编码原理。
     采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565ms间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”，其波形如图2所示。

上述“0”和“1”组成的32位二进制码经38kHz的载频进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。然后再通过红外发射二极管产生红外线向空间发射。当一个按键按下超过36s时，振荡器使芯片激活，将发射一组不超过108ms的编码脉冲,发射代码由一个引导码（9ms低电平，4.5ms高电平构成）,低8位系统码（9ms~18ms）,高8位系统码（9ms~18ms）,8位数据码（9ms~18ms）和这8位数据的反码（9ms~18ms）组成。系统码是用户识别码，用以区分不同的电器设备，数据码是按键编码。如果键按下超过108ms仍未松开，接下来发射的代码（连发码）将仅由引导码组成。
如图3所示。

18.2.3 遥控信号接收  
    接收电路可以使用一种集红外线接收和放大于一体的一体化红外线接收器，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，而体积和普通的塑封三极管大小一样，它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输。
    接收器对外只有3个引脚：Out、GND、VCC与单片机接口非常方便，如图7所示。

图 7 一体化红外接收器
  ① 脉冲信号输出接，直接接单片机的IO 口。
  ② GND接系统的地线（0V）；
  ③ VCC接系统的电源正极（+5V）；
程序：
红外遥控器解码方法比较多，我们先对红外一体化接收头接收到的代码进行分析。在接收到的代码中，“0”和“1”的的低电平脉宽是一样的，都是0.56ms，高电平脉宽不一样，“0”的高电平脉宽是0.565ms,“1”的高电平脉宽是1.69ms，所以我们可以用定时器测脉宽的方法配合外中断来识别遥控器按键编码。
#include>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
uint wave_length; //脉冲宽度
bit flag_guide; //引导位
bit flag_end; //红外接收结束标志位
long int red_decode; //解码后的32位码存放的变量
uchar intr_num;
void main()
{ uchar back_eight,forward_eight;
TMOD=0x09; //定时器0，GATE=1,C/T=0,M1M0=01;
TH0=TL0=0x00; //定时器初值为0
TR0=1; //开定时器
EX0=1; //开外中断
IT0=1; //中断下降沿触发
EA=1; //开总中断
while(1)
{
if(flag_guide==1&&flag_end) //判断引导码和32位数据码的标志位是否到来
{
flag_guide=0;
flag_end=0;
back_eight=red_decode&0xff; //按键码的后八位
forward_eight=(red_decode>>8)&0xff; //按键码地前八位
if(back_eight+forward_eight==255) //如果按键码地前八与后八是否相等，则执行按键功能
P0=forward_eight;
}
}
}
void intr0(void) interrupt 0
{
if(++intr_num==33) flag_end=1; //判断一次按键的红外编码是否接收结束
wave_length=(TH0<<8)+TL0; //测得脉宽的时间
if(wave_length>4000&&wave_length<5000) //如果脉宽在4000-5000，为引导码
{
flag guide=1; //引导码标志位置位
intr_num=0; //清空中断计数
red_decode=0; //清空解码变量
}
if(wave_length>450&&wave_length<800) //脉宽在450-800之间，则判定为0
red_decode=red_decode<<1;
if(wave_length>1500&&wave_length<2000) //脉宽在1500-2000之间，则判定为1
red_decode=(red_decode<<1)+1;
TH0=TL0=0x00; //每一次中断结束后，清空定时器的值
}

基于定时器的音乐播放器

在讲述定时器之前，我们先看看前面章节中讲过的两个例程：一个是发光二极管闪烁的例程，另外一个是动态数码管扫描的例子。这两个程序单独运行都没有问题，如果我们改变一下任务要求，将这两个程序合在一起呢，它们能正常执行么？我们先看例程1。
【例程1】八位数码管分别显示0-7；同时发光二极管以1HZ的频率闪烁（程序中略去了子函数，子函数参照前面的章节）
void main(void)
{
while(1)
{
display( ); //数码管占用时间为16ms
led_process( );//发光二极管占用时间1s
}
}
我们把上述例程烧写到开发板上，发现发光二极管闪烁还算正常，但是数码管显示有问题：数码管的最后一位一直显示，其他的七位一闪而过，这是为什么呢？
程序中的display( )函数一共扫描8位数码管，每位数码管扫描的时间为2ms，那么程序执行数码管扫描用去的时间为16ms，发光二极管是以1HZ的频率闪烁，时间为1000ms，那么在整个大循环中数码管扫描一遍真正的时间为16ms+1000ms =1016ms,数码管扫描一遍的频率远低于要求的40HZ所以才会出现上述的实验现象。发光二极管显示看起来没有多大的问题，严格起来也是有问题的，由于数码管扫描占用了16ms ,所以发光二极管点亮的时间为500ms,熄灭的时间为516ms,516ms与500ms相比较差别不大，所以感觉起来发光二极管显示正常。
从上述例程中可以看出，前面的章节中讲过的数码管扫描函数和发光二极管闪烁函数都存在着很大的弊端，只要程序中再运行别的函数，它们的时序都会产生不同程度的混乱。那么有没有方法可以改进它们呢？我们先来看看led_process()这个函数中的内容。
void led_process(void)//发光二极管闪烁函数
{
led=1;
delay_ms(500);
led=0;
delay_ms(500);
}
在led_proces()函数中, 整个程序除了控制led=1；led=0; 这两条语句外，其余的时间，全消耗在了delay_ms(500)这两个函数上。打个比喻：数码管点亮像老师开始上课，数码管熄灭像老师宣布下课；declaims(500)就像老师从开始上课起，一直看着表，数着时间的流逝，等待着下课铃声的到来，除此之外，老师什么也不做。在现实生活中这样肯定是不可行的。上课铃响了之后，老师并没有看表计时，而是开始讲述本节课的内容，直到下课铃声的到来，宣布下课，上课铃声与下课铃声是老师上课和下课的标志。那么在单片机中有没有像铃声这样的标志呢？其实，在单片机内部也存在这样的铃声，学习完了