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。
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:
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