51單片機-實現定時器模塊教程

本章概述思維導圖：

51單片機驅動定時器模塊

CPU時序簡介

CPU時序定義了CPU內部操作的時間節奏，以下從四個時序周期進行逐步解析；

1、振蕩周期

????????振蕩周期：CPU內部時鐘源產生的最小時間單位，由晶振或內部振蕩器決定；

????????公式為：Tosc?=1 / ?fosc??；?fosc?為時鐘頻率

????????作用為：所有操作的基礎時間單位，CPU所有動作均同步于此信號。

2、狀態周期

????????狀態周期：部分CPU（如8051）將振蕩周期分為兩個狀態（高電平與低電平），每個狀態周期包含兩個振蕩周期

????????公式為：Tstate?=2×Tosc?；

3、機器周期

????????機器周期：完成一個基本操作（如取指、讀寫內存）所需的時間，由多個狀態周期或振蕩周期組成；1個機器周期=6個狀態周期=12個振蕩周期（以8051為列）；? ? ?

????????公式為：Tmachin=6×Tstate?=12×Tosc?

????????作用：CPU執行指令的階段性時間單位，所有指令均由若干機器周期組成。

4、指令周期

?????????指令周期：執行一條完整指令所需要的全部時間，包含取指、解碼、執行等階段。

????????公式為：指令周期=N個機器周期（1<= N <=4）

????????簡單指令（如NOP）：1個機器周期

????????復雜指令（如乘法）：4個機器周期（8051為例）

例如：外接晶振為12MHZ時，51單片機相關周期的具體值為：

? ? ? ? 振蕩周期：1/12us;

? ? ? ? 狀態周期：1/6us;

? ? ? ? 機器周期：1us;

? ? ? ? 指令周期：1us-4us;

定時器簡介

51單片機定時器原理

定時原理的核心：機器周期與計數頻率；

機器周期：51單片機執行一條單周期指令所需的時間（如12個振蕩周期，假設時鐘頻率為12MHZ時，機器周期為1us）;

定時器計數頻率：定時器的計數頻率為機器周期的倒數，即每過一個機器周期，定時器計數值加1；公式為：ftimer??=1 / Tmachin；若Tmachin=1us,則ftimer?=1MHZ(即每秒計數1000000次)

51單片機定時器工作模式

????????STC89C51RC/RD+系列單片機內部設置的兩個16位定時器/計數器T0和T1都具有計數方式和定時方式兩種工作方式。對每個定時器/計數器(TO和T1)，在特殊功能寄存器TMOD中都有一控制位一C/T來選擇T0或T1為定時器還是計數器。定時器/計數器的核心部件是一個加法(也有減法)的計數器，其本質是對脈沖進行計數。只是計數脈沖來源不同:如果計數脈沖來自系統時鐘，則為定時方式，此時定時器/計數器每12個時鐘或者每6個時鐘得到一個計數脈沖，計數值加1;如果計數脈沖來自單片機外部引腳(T0為P3.4,T1為P3.5)，則為計數方式，每來一個脈沖加1。

????????51單片機通常有4種工作模式（通過TMOD寄存器配置），常用模式為模式1（16位定時器）和模式2（8位自動重裝）。

????????模式	位數	特點
????????模式0	13位	定時器使用THx的高5位和TLx的低8位（最大計數值8192）
????????模式1	16位	定時器使用THx和TLx組成的16位計數器（最大計數值65536）
????????模式2	8位自動	TLx為8位計數器，溢出后自動將THx的值重裝到TLx（適合固定周期定時）????????
????????模式3	分裂模式	定時器0為8位自動重裝，定時器1停止（僅52系列支持）

1、模式0（13位定時器/計數器）

結構特點：

????????位數：13位（THX的高5位+TLX的低8位）

????????最大計數值：2的13次方=8192

????????寄存器組合：

????????????????THX的高5位（D3~D7）參與計數，TLX的8位全部參與計數

????????????????計數范圍：0x0000-0x1FFF(十六進制)

應用場景：適用于需要較短定時時間（<8192個機器周期）且對精度要求不高的場景。

代碼示例：測量外部脈沖寬度（需結合GATE=1和INTx引腳）。

TMOD = 0x00; // T0模式0（M1=0, M0=0） 
TH0 = 0xF0; // 高5位初值（假設計數16個機器周期） 
TL0 = 0x00; // 低8位初值 
TR0 = 1; // 啟動T0

2、模式1（16位定時器/計數器）

結構特點：

????????位數：16位（THX和TLX各8位）

????????最大計數值：2的16次方=65536

????????寄存器組合：

????????????????THX和TLX共組成16位計數器

????????????????計數范圍：0x0000-0xFFFF

應用場景：最常用模式，適用于需要較長定時時間（如毫秒級、秒級定時）。

代碼示例：LED閃爍（50ms中斷一次）、PWM信號生成（需結合中斷服務程序）。

TMOD = 0x01; // T0模式1（M1=0, M0=1） 
TH0 = 0x3C; // 初值高8位（50ms定時，機器周期1μs） 
TL0 = 0xB0; // 初值低8位 
TR0 = 1; // 啟動T0

3、模式2（8位自動重載定時器 / 計數器）

結構特點：

? ? ? ??位數：8位（僅TLX參與計數，THX為重載值寄存器）

????????最大計數值：2的8次方=256

????????自動重載：

????????????????TLX溢出后，硬件自動將THX的值重裝到TLX，無需軟件干預。

????????????????計數范圍：0x00-0xFF(TLX),重載值由THX設定。

應用場景：適用于需要固定周期中斷的場景（如串口波特率生成、LED呼吸燈）。

代碼示例：生成1kHz PWM信號（周期1ms，需250個機器周期）。

TMOD = 0x02; // T0模式2（M1=1, M0=0） 
TH0 = 0x9C; // 重載值（250個機器周期，對應1ms） 
TL0 = 0x9C; // 初始值（首次計數從0x9C開始） 
TR0 = 1; // 啟動T0

4、模式3（定時器0的分裂模式）

????????結構特點：

????????????????僅支持T0，T1不支持此模式

????????????????分裂為兩個8為計數器：

????????????????TL0：獨立的8位計數器，由TR0控制啟動，使用T0的溢出標志TF0。

????????????????TL1：獨立的8為計數器，由TR1控制啟動（需占用T1的TR1位），使用T1的溢出標志TF1。

應用場景：適用于需要同時控制兩個獨立定時器的場景（如雙通道PWM輸出）。

代碼示例：TL0生成PWM1，TH0生成PWM2（需配合T1的中斷標志）。

TMOD = 0x03; // T0模式3（M1=1, M0=1）
TH0 = 0x3C; // TH0初值（獨立計數器） 
TL0 = 0xB0; // TL0初值（獨立計數器） 
TR0 = 1; // 啟動TL0 
TR1 = 1; // 啟動TH0（需注意：T1的TR1被占用）

定時器模式總結

? ? ? ? 模式	位數	最大計數值	特點	適用場景
????????模式0	13位	8192	結構簡單，計數范圍小	短時間定時、外部信號測量
????????模式1	16位	65536	計數范圍大，精度高	長時間定時、PWM信號生成
????????模式2	8位	256	自動重載，無需軟件干預	固定周期中斷、波特率生成
????????模式3	分裂	2×8位	T0分裂為兩個獨立計數器	多通道定時、雙PWM輸出

定時器寄存器介紹

TMOD（定時器/計數器模式控制寄存器）

功能：控制定時器/計數器的工作模式，分為高四位（控制T1）和低四位（控制T0）

????????位	名稱	功能描述
????????D7	GATE	門控位（T1）。GATE=1時，T1啟動需同時滿足TR1=1且INT1引腳為高電平；GATE=0時，僅TR1控制啟動。
????????D6	C/T	功能選擇位（T1）。C/T=0為定時器模式（對內部時鐘計數），C/T=1為計數器模式（對外部脈沖計數）。
??D5-D4	M1/M0	工作方式選擇位（T1）： -?方式0（00）：13位定時器/計數器。 -?方式1（01）：16位定時器/計數器。 -?方式2（10）：8位自動重載定時器/計數器。 -?方式3（11）：僅T0支持，分為兩個8位計數器；T1不支持。
????????D3	GATE	門控位（T0），功能同T1的GATE位。
????????D2	C/T	功能選擇位（T0），功能同T1的C/T位。
? D1-D0	M1/M0	工作方式選擇位（T0），功能同T1的M1/M0位。

TCON（定時器/計數器控制寄存器）

功能：控制定時器/計數器的啟動、停止及溢出標志

位	名稱	功能描述
D7	TF1	T1溢出標志位。計數溢出時硬件置1，需軟件清零（中斷方式下自動清零）。
D6	TR1	T1運行控制位。TR1=1時啟動T1，TR1=0時停止T1。
D5	TF0	T0溢出標志位，功能同TF1。
D4	TR0	T0運行控制位，功能同TR1。
D3-D0	外部中斷相關位	用于控制外部中斷，與定時器無關。

THx/TLx（定時器高/低8位寄存器）

功能：存儲定時器/計數器的計數值，分為：TH0/TL0對應T0的高8位和低8位。TH1/TL1對應T1的高8位和低8位。

定時器配置

定時器配置步驟：

1、對TMOD寄存器賦值，以確定T0或T1的工作方式（模式）

2、根據所要定時的時間計算初值，并將其寫入TH0、TL0或TH1、TL1

3、如果使用中斷，則對EA開啟總中斷，開啟定時器對應中斷允許位

4、使TR0或TR1置位，啟動定時/計數器定時或計數；

示例：定時50毫秒配置

TMOD=0x01;    //設置定時器TO工作模式為1
/*計算初值步驟為：
第一步、    根據時鐘源頻率計算振蕩周期    1/11.0592us；
第二步、    根際振蕩周期計算出機器周期    12*(1/11.0592)us
第三步、    根據延時時間50ms除以機器周期時間得出要計時為46080次
第四步、    根據定時器模式1計數的最高定時次數65536減去要計時的次數為19456；
第五步、    得到初值為19456轉換為16進制，分別分配給TH0和TL0寄存器上
*/
TH0=0x4c；    
TL0=0x00；
EA=1；        //開啟總中斷
TR0=1；       //開啟TR0寄存器啟動定時器

定時器硬件電路原理圖分析

定時器是MCU內置的功能，在開發板中并沒有電路連接。這里用LED燈模塊電路實現500毫秒閃爍；

可分析出有8個LED燈分別為D1~D8；LED燈左側連接高電平VCC，LED燈右側連接排阻在連接51單片機的P20~P27編號引腳；51單片機P20~P27編號引腳分別對應51芯片P2.0引腳~P2.7引腳；所以要得LED燈點亮電路中51單片機P2.0引腳~P2.7引腳輸出低電平形成電勢差；

定時器模塊軟件編程設計

實現定時器定時500毫秒LED燈實現閃爍

第一步：首先進行定時器配置，并且封裝成函數；

第二步：在主函數中實現定時器的判斷并且進行對應的操作

代碼示例：

#include "reg52.h"
typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;
#define LED P2		//LED燈宏定義
void TIM0_Init(void)//函數封裝：定時器0初始化，定時時間為50毫秒
{TMOD=0x01;		//開啟定時器0的模式1：16位定時TH0=0x4C;		//初值高八位存放0x4cTL0=0x00;		//初值第八位存放0x00TR0=1;			//開啟定時器0
}
int main()
{u16 i=0;		//記錄延時次數TIM0_Init();	//定時50毫秒定時器0配置LED=0x00;		//LED燈初始化為點亮while(1){if(TF0)		//定時器時間到{TF0=0;		//軟件清0TH0=0x4C;	//高八位存放0x4cTL0=0x00;	//第八位存放0x00i++;	  	}if(i==10){i=0;		//次數到，清零重新計數LED=~LED;	//LED燈翻轉實現閃爍}}
}

實現定時器定時500毫秒LED燈閃爍（要求：中斷方式實現）

第一步：首先進行定時器配置，并且封裝成函數；

第二步：創建定時器中斷服務函數

第三步：在主函數中進行定時器配置函數等申明

代碼示例：

#include "reg52.h"
typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;
#define LED P2		//LED燈宏定義
void TIM0_Init(void)//函數封裝：定時器0初始化，定時時間為50毫秒
{TMOD=0x01;		//開啟定時器0的模式1：16位定時TH0=0x4C;		//初值高八位存放0x4cTL0=0x00;		//初值第八位存放0x00ET0=1;			//開啟定時器0中斷EA=1;			//開啟總中斷TR0=1;			//開啟定時器0
}
void TIM0_ET0()	interrupt 1
{static u8 i=0;TF0=0;			//軟件清零TH0=0x4C;		//初值高八位存放0x4cTL0=0x00;		//初值第八位存放0x00i++;if(i==10){LED=~LED;i=0;}	}	
int main()
{TIM0_Init();while(1){}
}

定時器定時500毫秒LED燈實現閃爍效果展示
?

定時器模塊實現定時500毫秒LED燈閃爍

制作不易！喜歡的小伙伴給個小贊贊！喜歡我的小伙伴點個關注！有不懂的地方和需要的資源隨時問我喲！