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51单片机——定时器时钟

article 2025/1/26 17:30:31

在单片机的世界里，定时器是一项极为重要的资源，它就像是单片机的 “时钟管家”，掌控着时间的节奏，让各种任务能够有条不紊地进行。今天，我们就一同深入探索 51 单片机定时器时钟的奥秘，了解它的功能、原理以及在实际应用中的精彩表现。

一、51 单片机定时器概述

51 单片机的定时器属于单片机的内部资源，其电路连接和运转都在单片机内部悄然完成，就如同一个精密的小宇宙，在单片机这个大环境里独立而高效地工作。

1.1 定时器的作用

计时系统：定时器能够实现软件计时，就像一个精准的电子时钟，使程序可以每隔一段时间就执行一项特定的操作。例如，在一个智能温度控制系统中，定时器可以每隔 10 秒采集一次温度数据，确保系统能够实时监控温度变化。

替代长时间的 delay：传统的 delay 函数会占用 CPU 大量的时间，导致 CPU 在这段时间内无法处理其他任务，就像一个人一直专注于一件小事，而忽略了其他重要的事情。而定时器的出现，极大地提高了 CPU 的运行速度和处理效率。它可以在不占用 CPU 过多时间的情况下，实现精确的定时功能，让 CPU 能够同时处理多个任务，大大提升了系统的性能。

1.2 定时器的个数

51 单片机通常拥有三个定时器，分别是 T0、T1 和 T2。其中，T0 和 T1 与传统的单片机兼容，它们就像是经验丰富的老将，在各种应用场景中都能发挥重要作用；而 T2 则是 89C52 增加的资源，为单片机的功能扩展提供了更多可能，犹如一位新兴的猛将，带来了新的活力。在大多数常见的应用中，T0 和 T1 的使用频率较高，它们的操作方式也是 51 单片机所共有的，因此我们在学习和应用中会重点关注这两个定时器。

1.3 定时器的工作原理

定时器的工作原理可以简单地理解为一个不断累加的计数器。时钟为其提供计数单位脉冲，就好比时钟的滴答声，每隔一定的时间（这个时间可以根据我们的需求自定义设定），计数单元的数值就会加 1。当计数单元增加到我们预先设定的闹钟提醒时间时，就像闹钟响了一样，计数单元会向中断发出中断申请，使程序跳转到中断服务函数中执行相应的操作。例如，在一个定时开关的应用中，我们可以设定定时器在 1 小时后触发中断，中断服务函数就会控制开关的状态，实现定时开关的功能。

二、定时器的工作模式

STC89C52 的 T0 和 T1 拥有四种工作模式，每种模式都有其独特的特点和适用场景，就像不同的工具，在不同的工作中发挥着最佳的作用。

2.1 模式 0：13 位定时器 / 计数器

模式 0 是一个 13 位的定时器 / 计数器，由 TL0 的低 5 位和 TH0 的 8 位共同组成一个 13 位的寄存器。这种模式在一些对定时精度要求不是特别高，且需要较大计数范围的简单应用中可能会用到。例如，在一些简单的工业控制场景中，对定时的精度要求在几十毫秒左右，就可以考虑使用模式 0。然而，由于其计数范围相对有限，在现代的应用中使用频率较低。

2.2 模式 1：16 位定时器 / 计数器（常用）

模式 1 是最为常用的工作模式，它由 TH0 和 TL0 共同构成一个 16 位的定时器 / 计数器。这种模式的计数范围更大，能够满足大多数应用场景对定时精度和计数范围的要求。在一个需要精确计时的电子时钟项目中，模式 1 就可以很好地实现秒、分、时的精确计时。因为 16 位的计数器最大可以计到 65535，结合适当的时钟频率和初值设置，可以实现较长时间的精确计时。

2.3 模式 2：8 位自动重装模式

模式 2 是一种 8 位自动重装模式，它特别适合于需要产生精确的脉冲信号的应用场景，比如在通信领域中产生特定频率的波特率信号。在这种模式下，当计数器溢出时，硬件会自动将预先设置好的初值重新装载到计数器中，无需软件干预，大大提高了定时的准确性和稳定性。这就好比一个自动上弦的时钟，每次走完一圈后都会自动重新上弦，继续准确地运行。

2.4 模式 3：两个 8 位计数器

模式 3 仅适用于定时器 T0，它将 T0 拆分为两个独立的 8 位计数器，分别是 TL0 和 TH0。TL0 可以作为一个独立的 8 位定时器 / 计数器，而 TH0 则只能作为定时器使用，并且会占用定时器 T1 的 TR1 和 TF1 资源。这种模式在一些特殊的应用中，如需要同时进行两个不同定时任务的场景下会发挥作用，但由于其资源的特殊性，使用场景相对较少。

三、中断系统与定时器的关系

3.1 中断系统概念

中断系统是 CPU 处理外部紧急事件的重要机制，它就像是 CPU 的 “紧急事务处理中心”。当 CPU 正在专注地处理某件事情时，如果外界发生了紧急事件并发出请求，CPU 会立即停下当前的工作，转而去处理这个紧急事件。处理完之后，再回到原来被中断的地方，继续原来的工作，这个过程就是中断。实现这种功能的部件就是中断系统。在 51 单片机中，中断系统可以响应来自定时器、外部设备等多个中断源的请求，确保系统能够及时处理各种紧急情况。

3.2 51 单片机的中断资源

STC89C52 拥有丰富的中断资源，包括 8 个中断源和 4 个中断优先级。8 个中断源分别是外部中断 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 和外部中断 3。每个中断源都有其特定的用途，例如定时器 0 中断可以用于实现定时任务，串口中断可以用于处理串口通信的数据。4 个中断优先级则可以让我们根据任务的紧急程度来安排中断的处理顺序，确保重要的任务能够优先得到处理。例如，在一个同时进行数据采集和通信的系统中，数据采集的任务可能更为紧急，我们就可以将其对应的中断优先级设置为较高，保证在有数据采集请求时，CPU 能够及时响应。

3.3 定时器与中断系统的协同工作

定时器与中断系统紧密配合，共同实现各种复杂的定时任务。当定时器的计数值达到设定值时，就会产生溢出，此时定时器会向中断系统发出中断请求。中断系统接收到请求后，会根据中断优先级来决定是否立即响应。如果该中断的优先级足够高，CPU 就会暂停当前正在执行的任务，转而执行定时器的中断服务函数。在中断服务函数中，我们可以编写相应的代码来处理定时事件，比如更新时间、控制设备的开关等。处理完中断后，CPU 会返回原来被中断的地方，继续执行原来的任务。这种协同工作的方式，使得 51 单片机能够高效地处理各种定时任务，为实现各种复杂的应用提供了有力的支持。

四、定时器相关寄存器

在 51 单片机中，定时器的工作离不开一些特殊功能寄存器的控制和配置，这些寄存器就像是定时器的 “控制中心”，通过对它们的操作，我们可以精确地控制定时器的工作模式、计数初值、启动和停止等。

4.1 TCON 定时器控制寄存器（可位寻址）

TCON 主要用于控制定时器的启动、停止以及锁存定时器的溢出中断源和外部请求中断源。其中，与定时器 T0 相关的参数有 TF0 和 TR0。

TF0：定时器 T0 溢出标志位。当定时器 T0 计数溢出时，硬件会自动将 TF0 置为 1，表示发生了溢出事件。我们可以在程序中通过查询 TF0 的值来判断定时器是否溢出，也可以将其作为中断请求标志，当 TF0 为 1 时，触发定时器 T0 的中断服务函数。

TR0：定时器 T0 运行控制位。当 TR0 置为 1 时，定时器 T0 开始计数；当 TR0 置为 0 时，定时器 T0 停止计数。通过对 TR0 的控制，我们可以灵活地启动和停止定时器 T0 的工作。

4.2 TMOD 定时器模式寄存器（不可位寻址）

TMOD 用于设置定时器的工作模式和功能选择。它是一个 8 位寄存器，分为高 4 位和低 4 位，分别控制定时器 T1 和 T0。

GATE：门控位。当 GATE = 0 时，定时器的启动和停止仅由 TRx（x = 0 或 1）控制；当 GATE = 1 时，定时器的启动不仅需要 TRx 为 1，还需要外部中断引脚 INTx 为高电平，这种方式可以用于测量外部信号的高电平宽度。

C/T：定时 / 计数功能选择位。当 C/T = 0 时，定时器用作定时器，计数信号来自单片机内部时钟；当 C/T = 1 时，定时器用作计数器，计数信号来自外部接入的晶振，通过 T0（P3.4）或 T1（P3.5）引脚输入。

M1 和 M0：工作模式选择位。通过对 M1 和 M0 的不同组合设置，可以选择定时器的四种工作模式，具体如下：

- M1M0 = 00 时，选择模式 0，13 位定时器 / 计数器；

- M1M0 = 01 时，选择模式 1，16 位定时器 / 计数器；

- M1M0 = 10 时，选择模式 2，8 位自动重装模式；

- M1M0 = 11 时，选择模式 3，仅适用于 T0，两个 8 位计数器。

五、定时器时钟的实际应用示例

为了更好地理解 51 单片机定时器时钟的功能和应用，我们来看一个实际的例子 —— 利用定时器实现一个简单的电子时钟。

5.1 硬件连接

假设我们使用 STC89C52 单片机，外接一个 1602 液晶显示屏用于显示时间，以及几个按键用于设置时间。1602 液晶显示屏的数据线连接到单片机的 P0 口，控制线连接到 P2 口的相应引脚；按键连接到 P3 口的某些引脚，通过检测按键的状态来实现时间的设置功能。

5.2 软件设计

初始化部分：

- 配置 TMOD 寄存器，选择定时器 T0 的工作模式 1，即设置 TMOD = 0x01。

- 计算并设置定时器 T0 的初值，以实现 1ms 的定时中断。假设系统时钟频率为 12MHz，一个机器周期为 12 个时钟周期，即 1us。要实现 1ms 的定时，需要计数 1000 个机器周期。因为模式 1 是 16 位定时器，最大计数值为 65535，所以初值为 65535 - 1000 = 64535，将其转换为十六进制为 0xFC18，即 TH0 = 0xFC，TL0 = 0x18。

- 使能定时器 T0 中断，设置 ET0 = 1；打开总中断，设置 EA = 1；启动定时器 T0，设置 TR0 = 1。

- 初始化 1602 液晶显示屏，设置显示模式、清屏等。

中断服务函数：在定时器 T0 的中断服务函数中，每当定时时间到（即 1ms），就会进入中断服务函数。在函数中，我们对一个静态变量进行累加，当累加达到 1000 次时，即表示 1 秒过去了，然后对秒数进行更新。如果秒数达到 60，则将秒数清零，分钟数加 1；如果分钟数达到 60，则将分钟数清零，小时数加 1；如果小时数达到 24，则将小时数清零。同时，将更新后的时间显示在 1602 液晶显示屏上。

主函数：在主函数中，主要进行初始化操作，然后进入一个无限循环。在循环中，不断检测按键的状态，如果有按键按下，则根据按键的功能进行相应的时间设置操作。

#include <REGX51.H>
sbit LCD_RS=P2^6;
sbit LCD_RW=P2^5;
sbit LCD_EN=P2^7;

void LCD_Delay()
{
	unsigned char i, j;

	i = 2;
	j = 239;
	do
	{
		while (--j);
	} while (--i);
}

void LCD_Init()
{
	LCD_WriteCommand(0x38);//八位数据接口，两行显示，5*7点阵
	LCD_WriteCommand(0x0c);//显示开，光标关，闪烁关
	LCD_WriteCommand(0x06);//数据读写操作后，光标自动加一，画面不动
	LCD_WriteCommand(0x01);//光标复位，清屏
}

void LCD_WriteCommand(unsigned char Command)
{
	LCD_RS=0;
	LCD_RW=0;
	LCD_DataPort=Command;
	LCD_EN=1;
	LCD_Delay();
	LCD_EN=0;
	LCD_Delay();
}

void LCD_ShowString(unsigned char Line,unsigned char Column,char *String)
{
	unsigned char i;
	LCD_SetCursor(Line,Column);
	for(i=0;String[i]!='\0';i++)
	{
		LCD_WriteData(String[i]);
	}
}

void LCD_ShowNum(unsigned char Line,unsigned char Column,unsigned int Number,unsigned char Length)
{
	unsigned char i;
	LCD_SetCursor(Line,Column);
	for(i=Length;i>0;i--)
	{
		LCD_WriteData(Number/LCD_Pow(10,i-1)%10+'0');
	}
}


void delay(unsigned int t)
{
	unsigned char i;
	while(t--)
	{
		for(i=0;i<120;i++);
	}
}


void Timer0Init(void)		//1??@12.000MHz
{
	TMOD &= 0xF0;		//???????
	TMOD |= 0x01;		//???????
	TL0 = 0x18;		//??????
	TH0 = 0xFC;		//??????
	TF0 = 0;		//??TF0??
	TR0 = 1;		//???0????
	EA=1;
	ET0=1;
}

unsigned char sec,min,hour;

void main()
{
	LCD_Init();
	Timer0Init();
	LCD_ShowString(1,1,"clock:");
	while(1)
	{
		LCD_ShowNum(2,1,hour,2);
		LCD_ShowNum(2,4,min,2);
		LCD_ShowNum(2,7,sec,2);
		LCD_ShowString(2,3,":");
		LCD_ShowString(2,6,":");
	}
}


void Timer0_Routine() interrupt 1
{
	static unsigned int T0count;
	TL0 = 0x18;		
	TH0 = 0xFC;		
	T0count++;
	if(T0count>=1000)
	{
		T0count=0;
		sec++;
		if(sec>=60)
		{
			sec=0;
			min++;
			if(min>=60)
			{
				min=0;
				hour++;
				if(hour>=24)
				{
					hour=0;
				}
			}
		}
	}
}

通过这个示例，我们可以清晰地看到 51 单片机定时器时钟在实际应用中的工作过程和实现方式。