51单片机定时器初值计算详解

 

前言：

       本文详细介绍了51单片机学习过程中定时器的初值计算问题以及相关概念，力求把每一个学习过程中的可能会遇到的难点说清楚，并举相关的例子加以说明。学习完毕，又顺手利用刚学到定时器的相关知识写了一个“定时器初值计算”控制台程序，能够实现：51定时器三种不同工作方式下的初值计算输出，既实用，又能加深对所学知识的理解。

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   软件使用VS2012编写，实现效果如下，仅仅是控制台程序，没有界面，有兴趣的话可以自己用C#或者QT写个界面，或者做一些功能上拓展，跟我们平常学习51资料中附带的定时器初值计算小工具一样哦！

      

 

   附51系列单片机控制台程序定时器初值核心计算函数源码（完整VS2012工程源码下载）

/*
 * 函数名：Timer_Initial_calculation
 * 描述  ：定时器初值计算函数
 * 输入  ：无
 * 输出  ：无
 */
void Timer_Initial_calculation()
{
	int N;	//计数值 
	int n;  //定时器位数 
	int TimeDigit;	//计数总值 

	N = (t*fosc*1000) / 12;     //计算计数值N 
	//定时器位数选择
	switch(y)
	{
		case 0: 
			n=13;
			TimeDigit = pow(2.0,n);      //定时器位数选择 
			TimingMax = TimeDigit*12/fosc/1000;		//计算定时最长时间 
			THX = (TimeDigit - N)/32;	//初值高八位 
			TLX = (TimeDigit - N)%32;	//初值低八位 
			break;
		case 1: 
			n=16;
			TimeDigit = pow(2.0,n);      //定时器位数选择 
			TimingMax = TimeDigit*12/fosc/1000;		//计算定时最长时间 
			THX = (TimeDigit - N)/256;	//初值高八位 
			TLX = (TimeDigit - N)%256;	//初值低八位 
			break;
		case 2: 
			n=8;
			TimeDigit = pow(2.0,n);      //定时器位数选择 
			TimingMax = TimeDigit*12/fosc/1000;		//计算定时最长时间  
			THX = TimeDigit - N;		//初值高八位 
			TLX = TimeDigit - N;		//初值低八位 
			break;
		default:
			break;
	}
	
}

   

下面开始正式介绍定时器初值计算相关内容：

 

一、系统周期：

时钟周期

时钟周期也称为振荡周期，定义为时钟脉冲的倒数（可以这样来理解，时钟周期就是单片机外接晶振的倒数，例如12M的晶振，它的时间周期就是1/12 us），是计算机中最基本的、最小的时间单位。在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。对于某种单片机，若采用了1MHZ的时钟频率，则时钟周期为1us；若采用4MHZ的时钟频率，则时钟周期为250ns。由于时钟脉冲是计算机的基本工作脉冲，它控制着计算机的工作节奏（使计算机的每一步都统一到它的步调上来）。显然，对同一种机型的计算机，时钟频率越高，计算机的工作速度就越快。但是，由于不同的计算机硬件电路和器件的不完全相同，所以其所需要的时钟周频率范围也不一定相同。我们学习的8051单片机的时钟范围是1.2MHz-12MHz。 在8051单片机中把一个时钟周期定义为一个节拍（用P表示），二个节拍定义为一个状态周期（用S表示）。

机器周期

 在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一阶段完成一项工作。例如，取指令、存储器读、存储器写等，这每一项工作称为一个基本操作。完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。一般情况下，一个机器周期由若干个S周期（状态周期）组成。8051系列单片机的一个机器周期同6个S周期（状态周期）组成。前面已说过一个时钟周期定义为一个节拍（用P表示），二个节拍定义为一个状态周期（用S表示），8051单片机的机器周期由6个状态周期组成，也就是说一个机器周期=6个状态周期=12个时钟周期。

指令周期

指令周期是执行一条指令所需要的时间，一般由若干个机器周期组成。指令不同，所需的机器周期数也不同。对于一些简单的的单字节指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即译码执行，不再需要其它的机器周期。对于一些比较复杂的指令，例如转移指令、乘法指令，则需要两个或者两个以上的机器周期。

通常含一个机器周期的指令称为单周期指令，包含两个机器周期的指令称为双周期指令

 

二、定时器初值的计算：

例：对12MHz  1个机器周期 1us  12/fosc = 1us

方式0  13位定时器最大时间间隔  = 2^13 = 8.192ms

方式1  16位定时器最大时间间隔  = 2^16 = 65.536ms

方式2  8位定时器最大时间间隔  = 2^8 = 0.256ms =256 us 

方式3 仅适用于T0，此时T0分成两个8位计数器，T1停止计数

当选用定时器的方式1时，设机器周期为Tcy，定时器产生一次中断的时间为t，那么需要计数的个数N=t/Tcy，装入THX和TLX中的数分别为：

THX = (2^16 - N)/256     TLX = (2^16 -N )%256（此处的X为定时器0或定时器1）

公式为：(2^y - X)*Tcy = t

        Tosc= 1/ fosc

一个机器周期 = 12个时钟周期 = 12/fosc

溢出速率 = 1 / 溢出时间        故：初值X = 2^y – t/Tcy

           THX = 高八位   TLX = 低八位

      注：

         X：定时器初值

         N：计数值

         y：定时器工作方式

         fosc：晶振频率

           Tcy：机器周期，Tosc：时钟周期  Tcy = 1/Tosc

 

例：50ms定时器初值计算：

1. 晶振12M

12MHz除12为1MHz，也就是说一秒=1000000次机器周期。50ms=50000次 机器周期。  

             65536-50000=15536(3cb0)

             TH0=0x3c，TL0=0xb0

2.晶振11.0592M

11.0592MHz除12为921600Hz，就是一秒921600次机器周期，50ms=46080次机器周期。

            65536-46080=19456(4c00)

                TH0=0x4c，TL0=0x00

 

以12M晶振为例：每秒钟可以执行1000000次机器周期个机器周期。而T 每次溢出 最多65536 个机器周期。我们尽量应该让溢出中断的次数最少(如50ms)，这样对主程序的干扰也就最小。

 

三、定时器不同工作方式下赋初值问题：

1）定时器方式0为13为计数器，由TL0低5位（高3位未用）和TH0的8为组成，因此定时器方式0最多能装载的数为2^19=8192个。当使用定时器方式0时，计数初值

THX=（8192-N）/32,TLX=(8192-N)%32.   N 为计数个数=t/Tcy.

2）定时器方式1为16为计数器，由TLX的8位和THX的8位组成的加1计数器。因此最多能装载2^16=65536个数。计数初值为：

THX=（65536-N）/256,TLX =(65536-N)%256

     在定时器的方式0和方式1中，当计数溢出后，计数器变为0，因此在循环定时或循环计数时，必须使用软件反复设置计数初值，这样会影响到定时精度，也会使程序设计比较麻烦，使用定时器方式2可解决反复装初值所带来的问题。

3）定时器方式2为8位初值自动重装的定时/计数器，THX被作为常数缓冲器，当TLX计数溢出时，在使溢出标志TFX置1的同时，还会自动地将THX中的常数重新装入TLX中。方式2适合用作较精确的脉冲信号发生器。计数初值为：

    THX=256-N，TLX=256-N

4）方式3只适用于定时/计数器T0。此时，T0被分成两个独立的计数器。需要注意：当T0工作在方式3时，T1一定不要有中断的场合，因为工作方式3时，T0会占用T1的中断标志位。

 

取模与取余问题：

高八位和低八位就像我们十进制的十位和个位，就比如整数89=8*10+9*1；十位上算的“8”当然就是要89对10求模，而个位上的9则是89对10求余了！至于为什么TH0和TL0赋初值要对256求模或求余，那是因为高八位和低八位都是8个byte的，也就是它最大只能是“11111111”，化成十进制就是255，再加最前面的“00000000”也就是256个位矢量，所以就要对256求模或求余。

因为高TH0和低TH0都是八位的 最多能装的数据是255,如果不对255取模取余的话 是装不下的。

       定时器方式0为13为计数器，由TL0低5位（高3位未用），所以应对2^5也就是32进行取余、取模。

 

       定时器模式2是自动重装模式， TH0和TL0都要用到，TL0是真正的定时／计数器，肯定要有一个初值，在此基础上向上计数，溢出时就将TH0的值装入TL0，不用再次人工写程序干预

 

四、计数器初值的计算：

计数器的初值计算要比定时器的相对简单，例如：定时器T1工作在方式2的计数器状态，计算T1的初值：

                 初值X = 2^8 – 计数值