关于51单片机“定时器”的理解与应用

2022-12-12  

在 cpu 的一步步按照指令运行的过程中(主程序),可能会有其它的更紧急的需要做的事情(中断服务程序), 需要 cpu 暂时停止当前的程序(主程序),做完了(中断服务程序)之后,又可以继续去运行先前的程序(主程序)。


就像你正在吃饭,一边又在给水桶里放水,吃着吃着,水满了,你就得赶快去把水龙头关掉或者换一个空的水桶,再回来吃饭。


单片机的定时器就像是一个水桶

你让它启动了,也就是水龙头打开放水

定时器在每个机器周期自动加 1

水桶的水不断增加,最后就满出来了

定时器溢出时,你就要去做处理了

水桶的水满了,你应该处理一下了

处理完后,单片机又回到刚停止地方继续运行

水桶处理完,你也可以去做原来的事了


单片机的主程序是从 0x0000 开始运行的,

单片机服务程序从哪里开始运行呢?

在 51里,有多个中断服务程序入口,

0号入口是外中断 0,地址在 0x0003;

1号入口是定时器 0,地址在 0x000B;

2号入口是外中断 1,地址在 0x0013,

3号入口是定时器 2,地址在 0x001B。


当中断发生时,程序就记下当前运行的位置,跳到对应的中断入口去运行中断服务程序,运行完之后,又跳回到原来的位置继续运行。

在 C51 中,你不用理会中断服务程序放在哪里,会怎么跳转。你只要把某个函数标识为几号中断服务函数就可以了。在发生了对应的中断时,就会自动的运行这个函数。

我们将学习如何精确定时 1 秒钟闪灯。这里我们使用 T2 定时器,让它工作在 16bit 自动装载方式,这时,有另一个位置专门装着 16 位预装载值, T2 溢出时,预装载值立即被置入。这就保证了精确定时。

但是,即使是 16 位定时器,最长的溢出时间也就几十毫秒,要定时一秒,就需要一个变量来保存溢出的次数,积累到了多少次之后,才执行一次操作。这样就可以累加到 1 秒或者更长的时间才做一次操作了。T2 定时器有个特殊的地方,它进入中断后,需要自己清除溢出标记,而 51 的其他定时器是自动清除的。请参考 51 单片机相关书籍。


如果使用 T2 定时器实现 1 秒精确定时?


仿真器的晶振是 22118400 Hz,

每秒钟可以执行 1843200 个机器周期。

T2 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,

这样对主程序的干扰也就最小。

选择每秒中断24次

每次溢出1843200/24=76800个周期

(超出 65536,无效)

选择每秒中断30次

每次溢出1843200/30=61440个周期

选择每秒中断32次

每次溢出1843200/32=57600个周期

选择每秒中断36次

每次溢出1843200/36=51200个周期

选择每秒中断40次

每次溢出1843200/40=46080个周期


从上面可以看到我们可以选择方式有很多,

但是最佳的是每秒中断 30 次,

每次溢出 61440 个机器周期。

也就是赋定时器T2初值

65536-61440=4096

换成十六进制就是 0x1000


从上面的计算也可以看出晶振 2118400Hz 的好处,它可以整除的倍数多,要准确定时非常方便。更常见的应用是在串口波特率上,使用 22118400HZ 可以输出最多准确的标准波特率。



我们在定时器服务函数里,设置了一个静态变量t,静态变量的值在进入函数时是不会被初始化的,而是保持上次的值。它用来计数定时器的溢出次数,也就是 T2 中断函数进入的次数,每溢出 30 次,就控制一次 LED 的反转显示。这时的时间就正好是 1 秒,而且是精确的 1 秒!只与晶振的精度有关。

一个编程经验是,

所有的中断都要尽快的运行和退出,

中断服务程序越短越好,

这样才不至于干扰主程序的工作,

以及其他中断的运行

也就是,我们应该尽量把程序代码从中断服务函数里搬出来。对于定时器的中断的工作方式,我们可以建立一个全局的标记,在中断里置这个标记,然后就退出。在主程序里检查到这个标记之后,就运行相关的程序。


对于 CPU 任务比较多的项目来说,这种工作方式可以获得最佳的工作效率。当然,对于非常实时的应用要求,比如时钟,还是建议在中断里做完,因为使用标记的方式时,主程序可能太忙而造成错过标记信号,就是这个标记还没有开始处理呢,下一个又来了。熟练的程序员还是可以避开这些异常的情况的。


在我们的这个例程中,前面的 1 秒钟输出信号,被换成了一个全局标记。在主程序中去检查这个标记,再清 0 标记和处理相应的工作。这一课的跑马灯输出方式也改变了,我们采用查表的方式,将要点亮的灯预先设置好,到了时间,就一起送到 P1 口。这样,程序的执行效率会更高。


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