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【51单片机】中断定时器原理解析 + 使用

article 2024/11/1 2:19:55

学习使用的开发板：STC89C52RC/LE52RC
编程软件：Keil5
烧录软件：stc-isp

开发板实图：
在这里插入图片描述

文章目录

  • 中断
  • 定时器
    • 定时器工作模式
    • 定时器相关寄存器
  • 编码
    • 初始化定时器
    • 独立按键改变LED流水灯方向

在介绍定时器前，需要先对中断有所了解，定时器的核心机制之一就是使用了中断

中断

中断是为使CPU具有对外界紧急事件的实时处理能力而设置的
当CPU正在处理某件事时，外界发生了紧急事件请求，要求CPU暂停当前的工作，转而去处理这个紧急事件，处理完后，再回到原来被中断的地方，继续原来的工作，这个过程被称为中断

中断程序流程

在这里插入图片描述

左侧图：在主程序执行期间，发现有中断请求到来，会先打个断点，然后进行中断响应，执行中断处理程序，完成后返回断点，继续执行主程序
右侧图：以程序地址空间的形式展示处理中断的过程，发生中断时，会跳转到中断处理程序的地址空间，执行完再跳转回主程序的地址空间

中断资源
中断源个数：8个(外部中断0、定时器0中断、外部中断1、定时器1中断、串口中断、定时器2中断、外部中断2、外部中断3)

中断优先级个数：4个

如果使用C语言编程，中断查询次序号就是中断号
在这里插入图片描述

其中 Timer0_Routine(void) 为定时器T0的中断处理函数，中断号为1，Timer1_Routine(void)为定时器T1的中断处理函数，中断号为3，以此类推

注意：中断资源和单片机型号是关联在一起的，不同型号可能会有不同的中断资源，例如中断资源个数不同，中断优先级个数不同等

如下是一个较为简单的中断结构图，只有两个优先级
在这里插入图片描述

左侧的INT0 和 INT1 为外部中断0和1，T0 和 T1 为定时器中断0 和 1
可以看到，要想让中断启用，还需要连通电路。例如想让定时器中断0启动，还需要将ET0 = 1， EA = 1，PT0选择一个优先级，0或1都可

定时器

我们对中断已经有了一些了解，接下来我们介绍定时器

定时器介绍：51单片机的定时器属于单片机的内部资源，其电路的连接和运转均在单片机内部完成。
引入如下场景：独立按键控制LED流水灯的方向

  • 对于LED流水灯，我们可以控制每隔1秒改变亮灯
  • 对于独立按键，我们不光要循环检测是否有按键按下，还需要等待按下的按键松开

LED灯的操作是周期性的，独立按键的检测则是时刻不停的，我们无法将两个任务线性组合在一起。
例如检测到按键按下，还需要等待按键松开，那么此时线性的执行会被卡在等待独立按键松开，而无法让LED灯呈现流水状。此时就可以使用 定时器 完成该需求

定时器作用：

  • 用于计时系统，可实现软件计时，或者使程序每隔一固定时间完成一项操作
  • 替代长时间的Delay，提高CPU的运行效率和处理速度

定时器的资源和单片机的型号是关联在一起的，不同的型号可能会有不同的定时器个数和操作方式，但一般来说，T0 和 T1 是所有51单片机所共有的。
STC89C52 共有 3 个定时器(T0、T1、T2)，T0和T1与传统的51单片机兼容，T2 是此型号增加的资源

定时器框图

定时器在单片机内部就像一个小闹钟，根据时钟输出信号，每隔"一定时间"，计算单元的数值就增加1，当计数单元数值增加到"设定的闹钟提醒时间时"，计算单元就会向中断系统发出中断请求，产生"响铃提醒"，使程序跳转到对应的中断处理函数中

在这里插入图片描述

定时器工作模式

STC89C52的 T0 和 T1均有四种工作模式

  • 模式0：13位定时器/计数器
  • 模式1：16位定时器/计数器(常用)
  • 模式2：8位自动重装模式
  • 模式3：两个8位计算器

工作模式1框图：
在这里插入图片描述
该框图由时钟系统、计数系统和中断系统三部分组成

计数系统

  • 中间的TH0(time high) 和 TL0(time low)是计数单元，TH0为高8位，TL0为低8位，所以总共能计数 0 ~ 65535。当时钟系统发出一个脉冲周期后，计数系统每收到一个脉冲周期，计数单位就会 + 1，当超出最大值后溢出，发出中断请求

时钟系统
时钟系统有两个来源，SYSclk和T0 Pin引脚

  • SYSclk：系统时钟，即晶振周期，本开发板上的晶振为12MHz。该时钟系统有两条线路，分别为12T分频和6T分频。如果为12T分频，则输出为1MHz，周期为1微秒，即每隔1微秒输出到计数系统一次，进行一次计数

控制部分

  • 当C/T=0，多路开关连接到系统时钟的分频输出，T0对时钟周期计数，T0工作在定时方式；C/T=1，多路开关连接到外部脉冲输入P3.4/T0，即工作在计数方式
  • 当GATE=0(TMOD.3)时，如TR0=1，则定时器计数。GATE = 1，允许由外部输入INT0控制定时器0，这样可以实现脉宽测量

定时器和中断系统工作方式如下

在这里插入图片描述

定时器相关寄存器

寄存器是连接软硬件的媒介

在单片机中寄存器就是一段特殊的RAM存储器，一方面，寄存器可以存储和读取数据，另一方面，每一个寄存器背后都连接了一根导线，控制着电路的连接方式

寄存器相当于一个复杂机器的“操作按钮”

在这里插入图片描述
因为TCON涉及到TMOD，我们先讲解TMOD
TMOD定时器/计数器工作模式寄存器
在这里插入图片描述

  1. TMOD高4位为控制定时器1，低四位为控制定时器0

  2. 定时和计数功能由特殊功能寄存器TMOD的控制位C/T进行选择；

  3. M1和M0组合决定定时器/计数器的工作模式，共4种模式，其中模式0、1、2两个定时器相同，模式3不同

后续操作使用定时器T0，所以着重讲解定时器T0，定时器T1配置基本相同

位符号功能
TMOD.3(第3位)GATETMOD.3控制定时器0，置1时只有在INT0脚为高及TR0控制位置1时才可打开定时器/计数器0
TMOD.2C/TTMOD.2控制定时器0用作定时器或计数器；清0用作定时器(从内部系统时钟输入)，置1用作计数器(从T0/P3.4脚输入)

GATE的逻辑可参看下图
在这里插入图片描述

  • 当GATE = 0时，经过非门取反为1，则或门一定为1，此时只要TR0 = 1即可开启定时器0
  • 当GATE = 1时，经过非门取反为0，需要INT0 = 1，或门才为1，还需要TR0 = 1才可开启定时器0

M1和M0用作选择工作模式
在这里插入图片描述

TCON
TCON为定时器/计数器T0、T1的控制寄存器，同时也锁存T0、T1溢出中断源和外部请求中断源等，TCON格式如下：
在这里插入图片描述

TF1，TR1和TF0，TR0作用相同，只是前者是控制定时器T1，后者是控制定时器T0。后续操作使用定时器T0，所以讲解TF0和TR0

  • TF0：定时器/计数器T0溢出中断标志。T0被允许计数后，从初值开始计数+1，当最高位产生溢出后，由硬件置“1”TF0，向CPU请求中断，一直保持CPU响应该中断时，才由硬件清零“0”TF0（也可由程序查询清“0”）
  • TR0：定时器T0的运行控制位。该位由软件置位和清零。当GATE(TMOD.3) = 0，TR0 = 1就允许T0开始计数，TR0 = 0禁止计数；GATE(TMOD.3) = 1，TR0 = 1且INT0输入高电频，才允许T0计数
  • IE0：外部中断0请求源(INT0P3.2)标志。IE0 = 1外部中断0向CPU请求中断，当CPU响应外部中断时，由硬件清“0”IE0（边沿触发方式）
  • IT0：外部中断0触发方式控制位。IT0 = 0时，外部中断0为低电平触发方式，当INT0(P3.2)输入低电频时，置位IE0。采用低电频触发方式时，外部中断源(输入到INT0)必须保持低电频有效，直到该中断被CPU响应，同时在该中断服务程序执行完之前，外部中断源必须被清除(P3.2要变高)，否则将产生另一次中断。当IT0 = 1时，则外部中断0(INT0)端口由“1” -> “0” 下降沿跳变，激活中断请求标志位IE0，向主机请求中断处理

编码

初始化定时器

初始化定时器主要分为三部分：定时器选择，中断系统，计数单元

定时器选择

  1. 首先我们要选择定时器，而非计数器。通过TMOD的C/T = 0。
  2. 接下来，选择定时器工作模式——16位定时器/计数器，即TH0和TL0全用。通过TMOD的M0 = 0， M1 = 1

因为TMOD是不可位寻址，只能8位一起赋值，不能向P2I/O口那样，可以使用P2_1 = 1，单独给第一位赋1

因为我们使用定时器T0，所以保持定时器T1部分配置不变

TMOD &= 0xF0; 	//高4位保持不变，低4位清零
TMOD |= 0x01; 	//高4位保持不变，低4位为0001

计数单元
系统频率为12MHz，我们选择12T模式，则到达计数单元的时钟为1MHz，即1us 计数加1
16位定时器范围为0 ~ 65535，我们想实现1ms的周期，可以设置初值为64535，距离溢出为1000us，即1ms

TH0 = 64535 / 256;		//高8位
TL0 = 64535 % 256;		//低8位

但其实定时器溢出是达到65536才会发出中断请求，上述设置会有1us的误差，追求准确的话，TL0再加1即可

TH0 = 64535 / 256;		//高8位
TL0 = 64535 % 256 + 1;		//低8位

中断系统

  • 首先要打开定时器的中断开关。通过TCON的TF0和TR0
TF0 = 0; 				//溢出标志位，初始化为0，硬件置1
TR0 = 1;				//允许中断
  • 其次打开中断系统开关
//中断开关
ET0 = 1;				//定时器0的中断开关
EA = 1;					//中断总开关
PT0 = 0;				//中断优先级为低

到此定时器的初始化就完成了，完整代码如下：

#include <REGX52.h>
/**
  * @brief  初始化定时器0
  * @parm	无
  * @retval	无
  */
void Timer0Init()
{
	//TMOD选择定制器0，不可位寻址，只能一起赋值
	//高4位是定时器1，低4位是定时器0
	//从高到底分别为GATE,C/T,M1,M0，详细看说明手册
	//M1, M0 为01，选择16位定时器
	TMOD &= 0xF0; 	//高4位保持不变，低4位清零
	TMOD |= 0x01; 	//高4位保持不变，低4位为0001
	//定时器初值，每当超过65535，会发生一次中断，1us + 1
	//设置初值为64535，距离超时有1000us，即1ms
	TH0 = 64535 / 256;		//高8位
	TL0 = 64535 % 256 + 1;		//低8位
	//定时器中断
	TF0 = 0; 				//溢出标志位，初始化为0，硬件置1
	TR0 = 1;				//允许中断
	//中断开关
	ET0 = 1;				//定时器0的中断开关
	EA = 1;					//中断总开关
	PT0 = 0;				//中断优先级为低
}

也可以使用STC-ISP直接生成定时器初始化方法

在这里插入图片描述
注意上述配置都要选择正确，不然无法达到预期效果
其中代码中的AUXR &= 0x7F是较高版本的51单片机的新配置，本型号不支持，需要将该行代码删除

定时器时钟只有1T和12T模式，要选择6T，可在左侧设置

在这里插入图片描述

中断处理函数
定时器0的中断号为1， 中断处理函数如下：

void Timer0_Rountine(void) interrupt 1
{
	
}

我们要实现每隔1s进行的任务，可使用额外的变量辅助

void Timer0_Rountine(void) interrupt 1
{
	static unsigned int timeCount = 0;
	timeCount++;
	if(timeCount >= 1000)
	{
		timeCount = 0;
	}
}

注意：每次发送中断，还需要对计数单元进行初始化，否则计数单元溢出就不是1us了

void Timer0_Rountine(void) interrupt 1
{
	TH0 = 64535 / 256;			//高8位
	TL0 = 64535 % 256 + 1;		//低8位
	static unsigned int timeCount = 0;
	timeCount++;
	if(timeCount >= 1000)
	{
		timeCount = 0;
	}
}

独立按键改变LED流水灯方向

使用模块化编程
延迟器模块——用于等待按键松开
Delay.h

#ifndef __DELAY_H__
#define __DELAT_H__

void Delayms(unsigned char xms);//等待指定毫秒

#endif

Delay,c

//等待指定时间，单位是毫秒
void Delayms(unsigned char xms)		//@12.000MHz
{
	while(xms--)
	{
		unsigned char i, j;
		i = 2;
		j = 239;
		do
		{
			while (--j);
		} while (--i);
	}	
}

独立按键模块——检测哪个按键按下
SoleKey.h

#ifndef __SOLEKEY_H__
#define __SOLEKEY_H__

unsigned char soleKey();

#endif

SoleKey.c

#include <REGX52.h>
#include "Delay.h"
/**
  * @brief  获取独立按键的键码(哪个被按下)
  * @parm	无
  * @retval	独立按键的键码
  */
unsigned char soleKey()
{
	unsigned char keyNum = 0;
	if(P3_1 == 0){Delayms(20);while(P3_1 == 0);Delayms(20);keyNum = 1;}
	if(P3_0 == 0){Delayms(20);while(P3_0 == 0);Delayms(20);keyNum = 2;}
	if(P3_2 == 0){Delayms(20);while(P3_2 == 0);Delayms(20);keyNum = 3;}
	if(P3_3 == 0){Delayms(20);while(P3_3 == 0);Delayms(20);keyNum = 4;}
	return keyNum;
}

定时器模块——初始化定时器，提供定时器中断处理函数模板
Timer.h

#ifndef __TIMER_H__
#define __TIMER_H__

void Timer0Init();

#endif

Timer.c

#include <REGX52.h>
/**
  * @brief  初始化定时器0
  * @parm	无
  * @retval	无
  */
void Timer0Init()
{
	//定时器模式
	//TMOD选择定制器0，不可位寻址，只能一起赋值
	//高4位是定时器1，低4位是定时器0
	//从高到底分别为GATE，C/T，M1，M0
	//GATE = 0，只要TR0为1就可以打开定时器
	//C/T = 0，选择定时器
	//M1, M0 为01，代表选择模式1——16位定时器
	//选择定时器T0
	//所以低四位为0001
	TMOD &= 0xF0; 	//高4位保持不变，低4位清零
	TMOD |= 0x01; 	//高4位保持不变，低4位为0001
	//计数单元中断
	TF0 = 0; 				//溢出标志位，初始化为0，硬件置1
	TR0 = 1;				//允许中断
	//中断开关
	ET0 = 1;				//定时器0的中断开关
	EA = 1;					//中断总开关
	PT0 = 0;				//中断优先级为低
	//定时器初值，每当超过65535，会发生一次中断，1us + 1
	//设置初值为64535，距离超时有1000us，即1ms
	TH0 = 64535 / 256;		//高8位
	TL0 = 64535 % 256 + 1;		//低8位
	
}

定时器0中断函数模板
//void Timer0_Rountine(void) interrupt 1
//{
//	TH0 = 64535 / 256;		//高8位
//	TL0 = 64535 % 256 + 1;		//低8位
//	static unsigned int timeCount = 0;
//	timeCount++;
//	if(timeCount >= 1000)
//	{
//		timeCount = 0;
//	}
//}

主程序
主函数循环检测按键按下，定时器0中断处理函数根据按键按下情况改变LED流水灯方向
main.c

#include <REGX52.h>
#include <INTRINS.h>
#include "Timer.h"
#include "SoleKey.h"

unsigned int timeCount = 0, mode = 0, keyNum = 0;
/**
  * @brief  根据独立按键改变LED流水灯的方向
  * @parm	无
  * @retval 无
  */
void Timer0_Routine(void) interrupt 1
{
	//注意每次中断都要初始化定时值
	TH0 = 64535 / 255;		//高8位
	TL0 = 64535 % 255;		//低8位
	timeCount++;
	if(timeCount >= 1000)
	{
		timeCount = 0;
		if(mode == 0)//模式一，LED向右
			P2 = _crol_(P2, 1);
		else//模式二，LED向左
			P2 = _cror_(P2, 1);
	}
}

  
void main()
{
	Timer0Init();
	P2 = 0xFE;//初始化LED灯为只有D1亮
    while(1)
    {
        keyNum = soleKey();
		if(keyNum == 1)
		{
			mode++;
			if(mode >= 2)	
				mode = 0;
		}
    }
}

补充：改变LED流水灯方向使用_cror_和_crol_这两个方法，其作用为循环右移和左移，不用考虑溢出导致的全0的情况，其函数声明在头文件<INTRINS.h>

以上就是本篇博客的所有内容，感谢你的阅读
如果觉得本篇文章对你有所帮助的话，不妨点个赞支持一下博主，拜托啦，这对我真的很重要。
在这里插入图片描述


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