51单片机 定时器详解


51单片机定时器详解

在 51 单片机中,定时器/计数器(Timer/Counter)是一个非常重要的功能模块,用于处理定时、计数和事件触发等任务。定时器可以在应用程序中产生周期性中断,常用于精确的时间延迟、事件计数等场合。本文将详细介绍51单片机中定时器的工作原理、模式及其应用场景。


1. 定时器/计数器简介

在 51 单片机中,定时器/计数器可以被配置为计时计数模式:

  • 定时模式:单片机内部的振荡器(通常由外部晶振提供时钟信号)驱动定时器按固定频率计数。
  • 计数模式:定时器由外部输入信号触发,每检测到一个上升或下降沿时,计数器的值会增加1。

标准的 8051 单片机通常具有两个定时器:定时器 0定时器 1 ,它们各自都有独立的寄存器和控制方式。在部分改进版 51 单片机中(如 8052),还增加了 定时器 2,功能更为丰富。


2. 定时器/计数器的寄存器结构

51 单片机的定时器由以下几个主要寄存器控制:

  • TMOD(Timer Mode)寄存器:用于选择定时器/计数器的工作模式和功能。
  • TCON(Timer Control)寄存器:用于控制定时器的启动和中断标志。
  • TH0、TL0 和 TH1、TL1:用于存储定时器 0 和定时器 1 的高 8 位和低 8 位数据。

TMOD 寄存器

TMOD 是一个 8 位寄存器,其结构如下:

7 6 5 4 3 2 1 0
说明 GATE1 C/T1 M1 M0 GATE0 C/T0 M1 M0
  • GATE:控制定时器是否受外部中断(INT0、INT1)控制。
  • C/T:控制定时器/计数器模式,0 为定时器模式,1 为计数器模式。
  • M1、M0:用于设置定时器的工作模式。

TCON 寄存器

TCON 是 8 位寄存器,定时器相关的主要控制位如下:

7 6 5 4 3 2 1 0
说明 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0
  • TF1、TF0:定时器1、0的溢出标志。
  • TR1、TR0:定时器1、0的启动控制位。

3. 定时器的工作模式

51单片机的定时器有 4 种工作模式,通过 TMOD 寄存器的 M1 和 M0 位来设置。

模式 0:13 位计数器模式

  • 使用 8 位 THx 和 5 位 TLx,共计 13 位计数。
  • 计数范围:0 到 8191。
  • 适用于对精度要求不高的情况,因为计数范围相对较小。

模式 1:16 位计数器模式

  • 使用 8 位的 THx 和 TLx,共 16 位计数。
  • 计数范围:0 到 65535。
  • 是最常用的模式,提供更大的计数范围和良好的精度。

模式 2:8 位自动重装模式

  • 仅使用 TLx,THx 用于存储重装值。
  • 当 TLx 溢出时,自动加载 THx 中的重装值。
  • 适用于产生固定周期的中断。
模式 3:定时器 0 双 8 位定时模式
  • 将定时器 0 分为两个独立的 8 位定时器 TL0 和 TH0。
  • 适用于需要两个8位计数器的应用场景。

4. 定时器中断的原理

在定时器计数达到最大值并溢出时,会触发溢出中断,将对应的 TCON 中断标志(TF0、TF1)置位,同时触发相应的中断服务函数(ISR)。以下是实现一个定时器中断的基本步骤:

  1. 设置定时器模式:通过 TMOD 寄存器选择工作模式。
  2. 加载初始值:向 THx 和 TLx 寄存器写入初始值。
  3. 启动定时器:将 TRx 位设为 1。
  4. 开启中断:设置定时器中断允许位。
  5. 编写中断服务程序:在中断服务程序中处理溢出事件。

5. 定时器的常见应用场景

5.1 定时中断

定时器的最常见应用是生成固定周期的中断。例如,1ms 的定时中断可以通过以下公式确定初值:

[

初值 = 65536 - \frac{定时时间}{机器周期时间}

]

在 12MHz 的时钟频率下,机器周期时间为 1µs,若需 1ms 中断,则初值为:

[

初值 = 65536 - 1000 = 64536

]

代码实现如下:

c 复制代码
#include <reg51.h>

void Timer0_Init() {
    TMOD |= 0x01;       // 选择定时器0的模式1(16位模式)
    TH0 = 0xFC;         // 加载初值高字节
    TL0 = 0x18;         // 加载初值低字节
    TR0 = 1;            // 启动定时器0
    ET0 = 1;            // 使能定时器0中断
    EA = 1;             // 使能总中断
}

void Timer0_ISR() interrupt 1 {
    TH0 = 0xFC;         // 重新加载初值
    TL0 = 0x18;
    // 处理代码,例如:翻转 LED 状态
    P1 = ~P1;
}

void main() {
    Timer0_Init();
    while(1);
}

5.2 计数事件

在外部计数模式下,定时器可以用来计数外部事件,比如脉冲计数器。配置 C/T 位为 1,即可将定时器转换为计数器模式。


6. 注意事项

  • 定时精度:由于51单片机的机器周期固定,因此定时精度取决于晶振频率,需选择合适的晶振。
  • 溢出问题:在加载初始值时需注意避免溢出。
  • 中断响应:中断服务程序尽量简单,避免长时间占用 CPU。

7. 总结

51 单片机的定时器功能强大且灵活,支持多种模式和应用场景。合理配置定时器,不仅可以实现精准的定时操作,还可以用于事件计数和外部触发事件。熟练掌握定时器的应用,能够大幅提升 51 单片机的开发效率和功能实现能力。


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