第16章 定时器中断

第十六章 定时器中断

1. 导入

通过学习外部中断，这一章应该比较简单了。STC89C5X 含有 3 个定时器：定时器 0、 定时器 1、 定时器 2（ 注意： 51 系列单片机一定有基本的 2 个定时器（ 定时器 0 和定时器 1） 。 本章以定时器 0 为例进行讲解， 让大家学会 51 单片机定时器的使用， 定时器 1 的使用方法与定时器 0 一样。

本章要实现的功能是： 通过定时器 0 中断控制 D1 指示灯间隔 1 秒闪烁。

2. 定时器介绍

2.1 CPU 时序的有关知识

• 振荡周期：为单片机提供定时信号的振荡源的周期（ 晶振周期或外加振荡周期）。

• 状态周期：2 个振荡周期为 1 个状态周期， 用 S 表示。 振荡周期又称 S 周期或时钟周期。

• 机器周期：2 个振荡周期为 1 个状态周期， 用 S 表示。 振荡周期又称 S 周期或时钟周期。

• 指令周期：完成 1 条指令所占用的全部时间， 它以机器周期为单位。

更多可以参考：时钟周期、振荡周期、机器周期、CPU周期、状态周期、指令周期、总线周期、任务周期_一个时钟周期等于【 】 振荡周期。(2分)a1b2c3d4-CSDN博客

2.2 51单片机定时器原理

STC89C5X 单片机内有两个可编程的定时/计数器 T0、 T1 和一个特殊功能定时器 T2。 定时/计数器的实质是加 1 计数器（ 16 位） ， 由高 8 位和低 8 位两个寄存器 THx 和 TLx 组成。 它随着计数器的输入脉冲进行自加 1， 也就是每来一个脉冲， 计数器就自动加 1， 当加到计数器为全 1 时， 再输入一个脉冲就使计数器回零， 且计数器的溢出使相应的中断标志位置 1， 向 CPU 发出中断请求（ 定时/计数器中断允许时） 。

如果定时/计数器工作于定时模式， 则表示定时时间已到；如果工作于计数模式， 则表示计数值已满。 可见， 由溢出时计数器的值减去计数初值才是加 1 计数器的计数值。

更多可以参考：51单片机定时/计数器详解（工作原理及模式、应用）-电子发烧友网

还有51单片机定时/计数器结构参考：【51单片机系列】C51中的定时计数器 - Zoya23 - 博客园 (cnblogs.com)

51单片机入门 - 定时/计数器原理及结构（T0和T1）_51单片机定时器t0是什么-CSDN博客

2.3 51单片机定时/计数器的工作方式

• 方式0

方式 0 为 13 位计数， 由 TL0 的低 5 位（ 高 3 位未用） 和 TH0 的 8 位组成。TL0 的低 5 位溢出时向 TH0 进位， TH0 溢出时， 置位 TCON 中的 TF0 标志， 向 CPU发出中断请求。 其结构图如下所示：

门控位 GATE 具有特殊的作用。 当 GATE=0 时， 经反相后使或门输出为 1， 此时仅由 TR0 控制与门的开启， 与门输出 1 时， 控制开关接通， 计数开始； 当 GATE=1时， 由外中断引脚信号控制或门的输出， 此时控制与门的开启由外中断引脚信号和 TR0 共同控制。 当 TR0=1 时， 外中断引脚信号引脚的高电平启动计数， 外中断引脚信号引脚的低电平停止计数。

这种方式常用来测量外中断引脚上正脉冲的宽度。 计数模式时， 计数脉冲是 T0 引脚上的外部脉冲。 计数初值与计数个数的关系为： X=213-N。

• 方式1

方式1的技术位数是16位，由TL0作为低18位，TH0作为高8位，组成了16位加一计时器。其结构如下图所示：

计数初值与计数个数的关系为： X=216-N。

• 方式2

方式 2 为自动重装初值的 8 位计数方式。 工作方式 2 特别适合于用作较精确的脉冲信号发生器。 其结构图如下所示：

计数初值与计数个数的关系为： X=28-N。

• 方式3

方式 3 只适用于定时/计数器 T0， 定时器 T1 处于方式 3 时相当于 TR1=0，停止计数。 工作方式 3 将 T0 分成为两个独立的 8 位计数器 TL0 和 TH0。 其结构如下所示：

这几种工作方式中应用较多的是方式 1 和方式 2。 定时器中通常使用定时器方式 1， 串口通信中通常使用方式 2。

关于这几种工作方式详细可以参考：51单片机定时器/计数器T0|T1的四种工作方式_单片机的定时计数器t0的工作在方式2下计数寄存器是（）。-CSDN博客

3. 定时器配置

了解了一些关于定时器的基础知识后，在使用定时器时，应=应该如何配置使其工作，步骤如下：

• 对TMOD赋值，用来确定T0和T1的工作方式，如果使用定时器 0 即对 T0 配置， 如果使用定时器 1 即对 T1 配置。

• 根据所要定时的时间计算初值,并将其写入 TH0、 TL0 或 TH1、 TL1。

• 如果使用中断， 则对 EA 赋值， 开放定时器中断。

• 使 TR0 或 TR1 置位， 启动定时/计数器定时或计数。

3.1 时间初值计算

上述中有一个定时/计数器初值的计算， 下面我们来看下如何计算定时/计数器初值。

前面我们介绍过机器周期的概念， 它是 CPU 完成一个基本操作所需要的时间。其计算公式是： 机器周期=1/单片机的时钟频率。

51 单片机内部时钟频率是外部时钟的 12 分频， 也就是说当外部晶振的频率输入到单片机里面的时候要进行 12分频。

比如说你用的是 12MHZ 晶振， 那么单片机内部的时钟频率就是 12/12MHZ，当你使用 12MHZ 的外部晶振的时候， 机器周期=1/1M=1us。 如果我们想定时 1ms的初值是多少呢？ 1ms/1us=1000。 也就是要计数 1000 个， 初值=65535-1000+1 （ 因为实际上计数器计数到 65536（ 2 的 16 次方） 才溢出， 所以后面要加 1） =64536=FC18H， 所以初值即为 THx=0XFC， TLx=0X18。

知道了如何计算定时/计数器初值， 那么想定时多长时间都可以计算出， 当然由于定时计数器位数有限， 我们不可能直接通过初值定时很长时间， 如果要实现很长时间的定时， 比如定时 1 秒钟。 可以通过初值设置定时 1ms， 每当定时 1ms结束后又重新赋初值， 并且设定一个全局变量累计定时 1ms 的次数， 当累计到1000 次， 表示已经定时 1 秒了。 需要其他定时时间类似操作， 这样我们就可以使用定时器来实现精确延时来替代之前的 delay 函数。

这里以定时器 0 为例介绍配置定时器工作方式 1、 设定 1ms 初值， 开启定时器计数功能以及总中断， 如下：

void time0_init // 初始化定定时器0
{
    TMOD |= 0x01; // 选择为定时器 0 模式，工作方式 1
    THO = 0xFC; // 给定时器赋初值，定时1ms
    TL0 = 0x18;
    ETO = 1; // 打开定时器0中断允许
    EA = 1； // 打开总中断
    TR0 = 1; // 打开定时器    
}

4. 硬件设计

本实验使用到硬件资源如下：

• LED 模块（ D1）

• 定时器 0

本章硬件电路非常简单， 只使用到开发板上 LED 模块的 D1， 至于定时器 0 它属于 51 单片机内部资源， 只需通过软件配置即可使用。

5. 软件设计

本章我们要实现的是：通过定时器0中断控制D1指示灯间隔1秒闪烁

#include <REGX52.H>

// 定义LED1管脚
sbit LED1 = P2^0;

// 定时器0中断配置函数，通过设置TH和TL即可确定定时时间
void time0_init() // 定时器初始化函数
{
    TMOD |= 0X01; // 选择为定时器0模式，工作方式1
    TH0 = 0XFC; // 给定时器赋初值，定时1ms
    TL0 = 0X18;

    ET0 = 1; // 打开定时器0中断允许
    EA = 1; // 打开总中断
    TR0 = 1; // 打开定时器        
}

// 定时器0中断函数
void time0() interrupt 1 
{
    static unsigned int i; // 定义静态变量i

    TH0 = 0XFC; // 给定时器赋初值，定时1ms
    TL0 = 0X18;
    i++;

    if(i == 1000) // 计时1秒
    {
        i=0; // 重新开始计时
        LED1=!LED1; // LED状态翻转
    }                        
}

// 主函数
int main()
{    
    time0_init(); // 定时器0中断配置

    while(1)
    {            

    }        
}

这个程序还是很好理解的，主要是配置定时器和写定时器函数。下面简单解释一下怎么实现功能的：

• 选择定时器工作模式 0、 工作方式 1、 设置定时 1ms 初值、 打开定时器计数功能和开启总中断功能。

• 然后进入 while 循环， 在循环体内没有执行任何功能程序。当定时时间到达即会进入定时器 0 中断。

• 在中断服务函数内， 重新赋初值准备下次计数， 并且定义一个静态变量来累计定时 1ms 次数， 当变量等于 1000 时， 表示定时时间达 1 秒， 然后清零变量以及控制 LED 状态翻转。

• 执行完成后退出中断返回主函数， 当时间到达又进入中断， 如此循环。

6. 小结

为什么要使用关键字 static 将 i 定义为静态变量呢？ 我们希望每次进入中断函数时， i 保存的是上次累加值， 使用了 static 关键字， 就可以让变量 i 实现这种功能， 即不会每次进入中断函数后被初始化为 0。 假如去掉 static 关键字， 那么变量 i 就是一个局部变量， 每次进入中断函数后， 变量 i 初始值都是 0，也就是说它的值永远也不会递增到 1000， 从而实现不了 1s 定时。 可以这样理解，使用了 static 关键字就相当于将 i 变成了一个全局变量功能。

本质相比于马上要来的串口通信应该是简单的，主要是配置定时器还有中断函数，正确配置好定时器，然后在中断函数里面写我们想要的功能就行了。

代码中也出现几个新的寄存器，我们来好好分析一下：

void time0_init() // 定时器初始化函数
{
    TMOD |= 0X01; // 选择为定时器0模式，工作方式1
    TH0 = 0XFC; // 给定时器赋初值，定时1ms
    TL0 = 0X18;

    ET0 = 1; // 打开定时器0中断允许
    EA = 1; // 打开总中断
    TR0 = 1; // 打开定时器        
}

1. TMOD |= 0X01;

• TMOD寄存器配置定时器的模式。0x01 表示将定时器0配置为工作方式1（16位定时器）。这是16位定时器模式，计数范围从0到65535。

2. TH0 = 0XFC; TL0 = 0X18;

• TH0 和 TL0 是定时器0的高位和低位寄存器。0xFC18 是定时器的初值。定时器0的计数值从 0xFC18 开始计数，计数到 0xFFFF 后溢出，触发中断。

计算定时时间需要根据系统时钟频率。假设你的系统时钟频率是12 MHz（常见的51单片机时钟），定时器的计数周期是 1 / (12 MHz / 12 / 256) = 1 ms。

• 计算初值：定时器0的计数周期为1 ms，所以要设置的初值为 65536 - 1000（因为每秒1000次中断）。65536 - 1000 = 64536，对应的十六进制为 0xFC18。

3. ET0 = 1;

• 打开定时器0中断允许。

4. EA = 1;

• 打开全局中断，使能所有中断。

5. TR0 = 1;

• 启动定时器0开始计数。

---

void time0() interrupt 1 
{
    static unsigned int i; // 定义静态变量i

    TH0 = 0XFC; // 给定时器赋初值，定时1ms
    TL0 = 0X18;
    i++;

    if(i == 1000) // 计时1秒
    {
        i = 0; // 重新开始计时
        LED1 = !LED1; // LED状态翻转
    }                        
}

1. static unsigned int i;

• 使用 static 关键字声明 i 变量，使其在多次调用中保持其值。每次定时器中断触发时，i 不会被重新初始化，而是保留上次中断的值。

2. TH0 = 0XFC; TL0 = 0X18;

• 每次定时器中断时，重新设置定时器0的初值。这样做是为了确保定时器继续以1 ms为周期计时。注意，如果你希望中断周期完全一致，可以考虑是否有必要在中断中重新加载初值。

3. i++;

• 每次定时器中断触发时，i 的值增加1。

4. if(i == 1000)

• 当 i 达到1000时，说明已经经过了1000次中断，即1秒钟。此时，执行LED状态翻转操作，并将 i 重新设置为0，开始新的计时周期。

5. LED1 = !LED1;

• 翻转LED的状态。如果LED是通过引脚控制的，确保 LED1 正确配置为你用来控制LED的引脚。这个操作通常用来测试LED是否正常工作或者作为一种视觉反馈。

---

2024.7.25 第一次修订

2024.8.20 第二次修订，后期不再维护