11、单片机定时器

• 项目目标

  • 通过定时器/计数器实现流水灯控制。

• 知识要点

  • 定时器的结构。
  • TMOD和TCON；
  • 定时/计数器工作方式；
  • 定时/计数器编程步骤；

1、项目分析

• 前面的流水灯的时间控制通过空循环语句来实现，定时不是很精确。本章通过用定时器来控制流水灯任务可以实现精确的时间控制。这就需要了解定时器的使用。定时器和计数器实质功能相同，本章利用LED灯二进制计数任务来掌握计数器的使用。

2、技术准备

1 背景

• 从软件延时的缺点说起

  • 前面讲过的“用若干次空循环实现延时”的例子

  • 软件延时的缺点：

    • 延时过程中，CPU时间被占用，无法进行其他任务，导致系统效率降低。延时时间越长，该缺点便越明显，因此软件延时只适用于短暂延时，或简单项目。

  • 定时/计数器

    • 单片机中有多个小闹钟，可以实现延时，这些小闹钟就是“定时器”。

2 工作原理

• 背景

  • LED闪烁使用【演示法】实现，一般情况下不会采用延时的方式实现，CPU在程序执行到delay函数过程中需要不断执行循环空语句，会占用的CPU资源；若单边机外设较多，导致无法监控到其他的外设的中断事件。

  • 常用方法是采用：中断法。
    

• 概念

  • 定时/计数器具有定时与计时的功能

    • 计数：指对外部脉冲信号进行技术，每来一个脉冲计数值加1；当产生的信号脉冲很有规律，则多少个脉冲就能知晓是过了多少秒，从而计数功能就可以演化为定时功能。

    • 定时：根据某个基准时钟，通过对基准时钟的计数来完成定时功能。

• 作用

  • 产生所需频率的脉冲。如产生频率1000Hz，占空比为1:1的脉冲波。

  • 累加计数的功能，计数可在一段时间内记录信号A经整形后的脉冲个数。

    

  • 频率测量的功能，测量脉冲宽度或在一定时间内测量脉冲的个数，从而推算出脉冲的频率。

  • 定时/计数器的功能，对时钟信号进行计数，也可用来倒计时，秒表，循环计数等。

• 工作原理

  • 在定时方式1下，定时/计数器0的核心是一个16位宽的

  • 由计数脉冲触发的按递增规律（即累加方式）工作的循环累加计数器（TH0+TL0）。从预先设定的初始值开始，每来一个计数脉冲就加1，当加到计数器为全1时，再输入一个脉冲，就会发生溢出现象，计数器回零，同时产生溢出中断请求信号（TF0置1）。如果定时/计数器工作于定时模式，则表示定时时间已到。

• 工作模式

  • 定时器可以工作在不同的模式下，常见的模式包括定时模式、计数模式和PWM模式。
    • 定时模式：定时器按照预设值进行计数，当计数器达到预设值时触发中断或产生脉冲信号。
    • 计数模式：定时器根据外部输入的脉冲信号进行计数，可以用于计数外部事件的频率或脉冲数量。
    • PWM模式：定时器可以生成脉冲宽度调制（PWM）信号，用于控制电机速度、LED亮度等。

• 定时器与计数器
  

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• 单片机晶振：12M
  • 时钟周期：1 / 12000000，机器周期：12 / 12000000
  • 定时20ms：次数 * 12 / 12000000 = 0.02，次数：20000.
    • 因为采用的定时模式1，将45536（65536 - 20000）化为十六进制装载到寄存器TH0和TL0中，45536 / 256=177，45536 % 256=244，将177转化为十六进制0XB1装载到TH0，将244转化为十六进制0XF4装载到TL0。

3 定时/计数器

• 实现定时功能，比较方便的办法是利用单片机内部的定时/计数器。也可以采用下面三种方法：
  • 软件定时：软件定时不占用硬件资源，但占用了CPU时间，降低了CPU的利用率。
  • 采用时基电路定时：例如采用555电路，外接必要的元器件（电阻和电容），即可构成硬件定时电路。但在硬件连接好以后，定时值与定时范围不能由软件进行控制和修改，即不可编程。
  • 采用可编程芯片定时：这种定时芯片的定时值及定时范围很容易用软件来确定和修改，此种芯片定时功能强，使用灵活。在单片机的定时/计数器不够用时，可以考虑进行扩展。

4 定时器溢出

• 什么是溢出？
  任何一个计数范围有限的系统，均存在溢出现象。系统的可表达数的个数，称为模。定时器溢出时会导致定时器溢出中断请求，和该中断是否使能无关。