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1、项目三 电子钟的设计能力目标1、能够使用单片机的定时/计数器实现定时、计 数等应用。2、能够完成电子钟硬件电路与控制程序的设计、 制作与调试。知识目标1、了解单片机定时器/计数器的内部结构。2、掌握单片机定时器的各种工作方式及特点、 应用场合。3、掌握定时器中断服务程序的编写。,任务一、认识单片机的定时器/计数器,一、定时器/计数器及其应用 在单片机应用系统中，定时或计数是必不可少的。例如：测量一个脉冲信号的频率、周期，或者统计一段时间里电机转动了多少圈等。常用的定时方法有：,1、软件定时 软件定时是依靠执行一段程序来实现的，这段程序本身没有具体的意义，通过选择恰当的指令及循环次数实现所需的定
2、时，由于执行每条指令都需一定的时间，执行这段程序所需总的时间就是定时时间。 软件定时的特点是无需硬件电路，但定时期间CPU被占用，增加了CPU的开销，因此定时时间不宜过长，而且定时期间如果发生中断，定时时间就会出现误差。,3、可编程定时器定时 这种定时方法是通过对系统时钟脉冲的计数来实现的。通过程序来设置计数初值，改变计数初值也就改变了定时时间，使用起来非常灵活。由于定时器可以与CPU并行工作，因此不影响CPU的效率，且定时时间精确。,2、硬件定时 硬件定时通常由小规模集成电路555外加电阻、电容构成，电路简单，不占CPU资源，但定时时间的调节不够灵活方便。,（一）定时器/计数器概述 在51系
3、列单片机中有两个16位的加法计数器，分别叫做T0和T1。在计数脉冲的作用下，其计数值不断加1，在此过程中，计数器可能产生溢出，产生溢出后，可以向CPU发出中断请求。,如果计数脉冲来自系统时钟，称之为“定时器”，每个机器周期计数器加1；,如果计数脉冲来自外部电路，称之为“计数器”,一旦计数器产生溢出，TF0变为1 ，向CPU发出中断请求,二、定时器/计数器的控制寄存器1、定时器控制寄存器TCON,TF0/TF1：定时器/计数器T1和T0的溢出中断标志。为1，表示定时器/计数器的计数值已由全1变为全0，正向CPU发中断请求。,TR0/TR1：定时器/计数器T0和T1的启停控制位：为0时，定时器/计
4、数器停止工作；为1时，启动定时器/计数器工作。,2、定时方式寄存器TMOD,选择定时/计数器的工作方式，M1M0=00，方式001，方式110，方式211，方式3,定时方式/计数方式的选择控制位。为0，选定时方式，计数脉冲来自系统时钟的12分频；为 1，选计数方式，计数脉冲来自外部电路,当GATE=0时，只要TR0=1，与门的输出就为1，计数开始。如果GATE为1，只有TR0=1，并且/INT0=1时，才允许计数。,C/T=0，选择定时方式,C/T=1，选择计数方式,GATE=0时，由TR0控制计数器启停GATE=1时，由TR0和INT0一同控制启停,TR0=1时，启动定时器,定时器溢出时，T
5、F0置1,三、T0、T1的工作方式,1、方式0 方式0的计数器由13位构成，其中高8位在TH中，低5位在TL中。当计数器产生溢出时，TF位被置1，向CPU发出中断请求。在方式0下，计数器产生溢出时，不能进行初始计数值的自动重装（有关自动重装的问题参见方式2），所以方式0不能用于精确定时。 方式0的所有功能都可以用方式1代替，方式0的存在，是因为兼容早期的MCS-48单片机的原因，所以一般不使用方式0。,2、方式1 方式1与方式0工作形态基本相同，只是方式1的计数器由16位构成，其中高8位在TH中，低8位在TL中，当计数器产生溢出时，TF位被置1，向CPU发出中断请求。在方式1下，计数器产生溢出
6、时，也不能进行初始计数值的自动重装所以方式1也不能用于精确定时。,3、方式2 方式2是可以自动重装的工作方式：初始化时一般将8位计数初值同时放入TH、TL中，其中，TH存放的是初值的备份，TL用来计数，当8位计数器TL产生溢出时，除了可以向CPU发中断请求外，单片机的硬件部分还立即把TH中的备份送入TL中。 由于重新赋值是硬件自动进行的，所以避免了重新赋值的时间不一，所以方式2可以用于精确定时。,4、方式3 T1经常用于串行口的波特率发生器,为了让系统中保持两个计数器，可以让T0工作在方式3，这时，T0被分成两个8位计数器，分别位于TH0和TL0中，其中TL0使用T0的中断、启动控制资源，而T
7、H0则借用T1的中断、启动控制资源，而且TH0只能工作在定时方式下，不能工作在计数方式下。,（四）时间常数的计算 如果单片机需要进行周期性的工作，就应该让定时器/计数器T0或T1工作在定时方式，并且给T0或T1赋以一个初始计数值，在T0或T1被启动后，每个机器周期使计数器中的计数值加1，计数器产生溢出后，将再次给计数器赋值（该值被称为时间常数）。 显然计数器溢出时间（又称定时时间）与时间常数直接相关：时间常数越大，定时时间就越短；时间常数越小，定时时间就越长。同时系统时钟的频率也直接影响定时时间的长短，时钟的频率越高，定时时间越短；时钟的频率越低，定时时间越长。,设系统时钟的频率为fosc，计
8、数器的初始值为N，定时器工作于方式1，则定时时间： T=（216-N）12/fosc (1) 如果定时器工作于方式2或方式3，定时时间为： T=（28-N）12/fosc (2),当初始值N=0时，如果fosc=12MHZ，最大定时时间为： 方式1为： Tmax=21612/fosc=65536us=65.536ms 方式2、方式3为：Tmax=2812/fosc=256us,根据定时时间T，及公式（1）、（2）分别可以求出初值N为： 方式1： N=216-Tfosc/12 （3） 方式2、方式3 ：N=28-Tfosc/12 （4） 如果fosc=12MHZ,以上公式可简化为 方式1： N=
9、216-T 方式2、方式3 ：N=28-T,例如：系统的时钟频率是12MHz，在方式1下，如果希望定时器/计数器T0的定时时间T为10ms，则初值N =216-T=65536-10000=55536 如何将55536给两个8位寄存器TH0、TL0赋值呢？可将十进制数55536转换成四位十六进制数，将高2位送TH0，低2位送TL0。 更简单的方法是：对于16位计数器来讲， 216等效为0，对于8位计数器，28等效为0，这样公式（3）、（4） 可简化为 N=-T，直接用下面两条语句就可以完成计数器初值的设置： TH0=-10000/256； /取-N的高8位 TL0=-10000%256； /取-
10、N的低8位 例如：设系统的时钟频率是12MHz，定时器工作于方式2，定时时间200us。 根据前面分析，N=-T=-200，可直接用以下语句实现： TH0=-200； TL0=-200；,任务二、定时器应用,案例1 设时钟频率fosc=12MHz，用定时器T0在P1.0脚产生频率为20Hz的方波。,设计思想：在使用定时器/计数器时，首先应根据要求对工作方式进行初始化，然后计算出初始值。初始化的步骤通常是：,（1）向TMOD寄存器写入工作方式控制字。,（2）将计数器的初值写入TH0、TL0/TH1、TL1。,（3）启动定时器/计数器：将TR0/TR1置1。,（4）如果采用中断方式，还应将ET0/
11、ET1、EA置1。,本题中，方波的频率为20HZ，对应的周期为50ms，如果将定时时间设置为25ms，每隔25ms将P1.0脚取反即可产生如图3-3所示的方波。因为定时时间为25ms，如果采用方式2或方式3，其定时的最大时间不超过256us，因此选方式1比较恰当，根据前面的分析，计数器初值N=-25000。本例题是定时而非计数，且无需脚参与启停控制，故C/ =0，GATE为0，这样TMOD取0 x01。,void main(void) TMOD=0 x01; TH0=-25000/256; TL0=-25000%256; TR0=1;ET0=1; EA=1; while(1); void ti
12、mer0(void) interrupt 1 TH0=-25000/256; TL0=-25000%256; P10=P10; ,T0工作于定时方式1,定时时间为25ms,启动定时器T0,允许定时器T0中断,单片机开中断,定时器T0中断服务程序,重新装入时间常数,P1.0求反,案例2 如图所示，P0口接8只发光二极管，编程使发光管轮流点亮，点亮时间为500ms，要求使用定时器T0来控制，设晶振为12MHz,设计思想 我们可将P0口的初值设置为0 xFE，对应于发光管D1亮，每隔500ms将P0的值循环左移一位，这一周期性的定时作业用T0来完成。 当时钟频率为12MHZ时，在定时器的4种工作方式
13、中，方式1的最大溢出时间最长，但即使在方式1，最大的溢出时间也只有65.536ms，所以我们不能在每次中断时都执行上述移位操作，可以这样处理：将定时器T0的溢出时间设定为50ms，累计满10次中断正好500ms，才允许程序执行1次移位动作，,主函数uchar count=0; /50ms定时中断次数计数器void main(void) led=0 xfe; TMOD=0 x01; /T0工作于方式1 TH0=-50000/256; /定时时间为50ms TL0=-50000%256; ET0=1; /允许T0中断 TR0=1; /启动T0定时 EA=1; /CPU开中断 while (1);
14、,void time0(void) interrupt 1 TH0=-50000/256; TL0=-50000%256; count+; if(count=10) count=0; led=_crol_(led,1); P0=led; ,定时器T0中断服务程序,重新装入时间常数,每中断一次，计数器加1,10次中断为0.5秒,满10次变量led左移1位送P0口,案例3 用定时器的计数方式实现外部中断。如图所示，P0口控制8只发光管轮流点亮，发光管点亮时间为500ms，单脉冲电路控制发光管的移动方向，按下单脉冲按钮，发光管左移，再按下发光管右移 。,设计思想： 当定时器/计数器工作于计数方式2时
15、，如果将计数器的初值设置为全1，只要在计数输入端（T0或T1）送入一个计数脉冲，就可使计数器产生溢出中断。 如果将外部中断请求作为计数脉冲输入，就可利用计数中断的名义去完成外部中断服务。 当应用中外部中断请求较多时，而单片机内部的定时器/计数器还有富余时，可采用这种方法来扩展外部断。因此本例的实质是将定时器的计数输入端T1扩展为外部中断请求输入，来控制发光管的移动方向。,具体方法：,1、初始化定时器/计数器T1计数工作方式2，即每 次溢出中断后能自动装入计数初值。,2、计数器TH1、TL1的初值预置为0FFH。,3、程序中设置一个位变量，每当计数器T1产生溢 出中断时求反，发光管左移还是右移取
16、决于该 变量是0还是1 。,void main(void) DIR=0; led=0 xfe; TMOD=0 x61; TH0=-50000/256; TL0=-50000%256; TH1=0 xff; TL1=0 xff; ET0=1; ET1=1; TR0=1; TR1=1; EA=1; while (1); ,T0为定时方式0,T1为计数方式2,定时时间为50ms,T1的初值为0 xff,允许T0、T1中断,启动T0定时,启动T1计数,CPU开中断,void time0(void) interrupt 1 TH0=-50000/256; TL0=-50000%256; count+;
17、if(count=10) count=0; if(DIR=1) led=_crol_(led,1); else led=_cror_(led,1); P0=led; ,重新装入时间常数,满10次为0.5秒,计数器清0,DIR为1左移,DIR为0右移,每中断一次，计数器加1,定时器T0中断服务程序,void time1(void) interrupt 3 DIR=DIR; ,每次按下按钮产生T1的溢出中断，将DIR求反,定时器T1中断服务程序,案例4 用定时器来控制数码管的动态显示 。 设计思想： 前面我们介绍LED动态显示程序时，每一位点亮后都需延时1ms左右，由于使用的是软件延时，大大降低了
18、CPU的效率，而且当CPU因处理某件事务在一段时间内无法调用显示程序时，LED显示器将会出现黑屏或产生闪烁现象。 用定时器控制数码管的动态显示的方法： 设定时器的定时时间为1ms，每次产生溢出中断，就根据位选变量bsel（主程序中将其初值设置为0 xfe）送位选口，点亮一位数码管，并将bsel左移一位，为下一位的显示做好准备，4次定时中断分别完成4位数码管的显示，之后将bsel的值再次初始化为0 xfe，准备下一轮显示。 因此这种显示方式由定时中断自动完成，无需在主程序中调用。,主程序uchar bsel , n;void main(void) n=0; bsel=0 xfe; /首先显示数码
19、管的最低位 TMOD=0 x01; /T0工作于定时方式2 TH0=-1000/256; /T0的定时时间为1000us TL0=-1000%256; ET0=1; /允许T0中断 TR0=1; /启动定时 EA=1; /开中断 while(1);,void time0(void) interrupt 1 TH0=-1000/256; TL0=-1000%256; P0=0 xff; P2=bsel; P0=segtabdbufn; bsel=_crol_(bsel,1); n+; if(n=4) n=0; bsel=0 xfe; ,重新装入时间常数,定时器T0中断服务程序,熄灭数码管，防止上
20、一位字符在当前位置显示出来。,点亮当前位,根据显示缓存查字段码,准备显示下一位,指向下一位要显示的数据,如果四位已显示完,重新从最低位开始,案例5 如图3-8所示，设计一个电子秒表，每隔一秒加1，用三位数码管显示秒表的当前值（0-255），单脉冲按键用于启动、停止、清0控制，第一次按下该按键时启动秒表，第二次按键将暂停秒表，第三次按键将秒表清0，设置晶振频率为12MHZ。,设计思想： 我们可用一个变量记录秒表的当前值，为了提高秒表精度，我们可令定时器T0工作于定时方式2，定时时间为250us，4000次溢出中断正好满1秒，让变量加1，同时将该变量转换为三位BCD码送到显示缓存，供显示程序显示。
21、 单脉冲直接和外部中断0的输入端INT0相连，每次按键产生中断请求，程序中设置一个变量，对按键动作进行计数，取值为1-3，分别对应于启动、停止和清0，程序根据该变量的值进行相应的控制。,主程序void main(void) count=0; sec=0; mode=0; IT0=1; /外部中断负跳变触发 EX0=1; /允许外部中断0中断 TMOD=0 x02; /T0工作于定时方式2 TH0=-250; /T0的定时时间为250us TL0=-250; ET0=1; /允许T0中断 TR0=0; /停止定时器 EA=1; /开中断 while(1) disp();,定时器T0中断服务程序v
22、oid time0(void) interrupt 1 count+; /中断次数加1 if(count=4000) count=0; sec+; dbuf2=sec/100; /将秒数计换成三位BCD码 dbuf1=(sec%100)/10; dbuf0=sec%10; ,void int0(void) interrupt 0 mode+; /每次产生中断，mode加1 if(mode=1) /mode为1，启动定时器工作 TR0=1; else if(mode=2) /如果mode等于2，停止定时器工作 TR0=0; else if(mode=3) /如果mode为3， mode=0; T
23、R0=0; sec=0; /将秒计数器清0 dbuf0=0; dbuf1=0; dbuf2=0; ,外部中断0中断服务程序,案例6 用单片机演奏歌曲兰花草,设计思想：单片机可以根据音符产生不同频率的脉冲信号，经驱动后来控制蜂鸣器，让蜂鸣器产生与音符相应的声音，再把它们有机地组合起来，就可以发出一段音乐。,1、要产生与某音符相应的脉冲信号，只要算出该音频的频率和周期，然后将该周期除2，即为半周期的时间。将定时器的定时时间设定为这半周期时间，一旦定时器溢出，就将P1.6脚求反，这样就能产生与音符频率对应的脉冲信号。设单片机定时器工作在定时方式1，改变时间常数TH0、TL0就可以产生与各种音符频率相
24、应的脉冲信号。 设要产生的频率为fr,单片机机器周期的频率为fi，则对应定时器时间常数为N。 N=65536-fi2fr,2、用单片机演奏音乐时，可以这样来表示乐谱: 乐谱由多个简谱码组成，以00结束，每个简谱码用一个字节来表示，字节的高4位为音符码，代表音符的高低，低4位为节拍码，表示音符的节拍，下表3-2为节拍与节拍码的对照。如果1拍为0.4秒，则1/4拍为0.1秒，2/4拍为0.2秒，所以只要根据节拍来设定延时时间。 设定时器T1的定时时间为50ms，二次溢出中断正好为1/4拍，将节拍码乘2即为该节拍所需溢出中断的次数。,程序中，定时器T0用于控制音调的高低，定时器T1用于控制节拍的长短
25、，各音符对应的时间常数放在数组tab1中，乐谱以简谱码的形式存储在数组tab3中，高四位为音符码，低四位为节拍码，0 x00表示乐谱结束。变量m指向tab3中当前需演奏的简谱码，从中分解出高四位的音符码，并从tab1中取出时间常数控制定时器T0产生与音符频率相应的方波；从简谱码的低四位分解出节拍码，控制定时器T1延时节拍所需的时间。,程序流程图,void main(void) uchar m; /用于指向音符的下标变量 uchar c; TMOD=0 x11; /定时器设定为方式1 ET0=1; /允许T0中断 ET1=1; /允许T1中断 TH1=-50000/256; /50ms定时，节拍
26、长短控制 TL1=-50000%256; TR1=1; EA=1;,while(1) m=0; /指向音符的下标变量 while(tab3m)/如果乐谱末结束 c=tab3m4;/取高四位的音符 if(c!=0) /音符不为0 th=tab1c-18; /根据音符取出时间常数 tl=tab1c-1 /指向下个音符 ,TR0=0; /暂停5S后，重新开始time=100;while(time!=0);,void timer0(void) interrupt 1 using 1 TH0=th; /装入时间常数 TL0=tl; SOUND=SOUND; /产生方波,void timer1(void)
27、 interrupt 3 TH1=-50000/256; /重新装入50ms的时间常数 TL1=-50000%256; time-; /溢出中断次数减1,定时器T0中断服务程序，用于产生产生与音符频率相应的方波,定时器T1中断服务程序，延时当前节拍所需的时间,案例7 调节发光二极管的亮度。亮度分为0-7共8级，亮度等级为0时，发光管熄灭；亮度等级为7时，发光管最亮。用KINC、KDEC两个按键调节当前的亮度。,设计思想：如图所示，如果在P0.0引脚产生一个周期为2ms的脉冲，如果每个周期内脉冲的低电平时间少，高电平时间长，发光管的亮度显然暗些，反之发光管要亮些，当P 0.0输出全为高，发光管就
28、熄灭了。因此只要调节脉冲低电平的时间就可改变发光管的亮度。,程序中变量light表示亮度等级，取值在0-7之间，用KINC、KDEC按键对其加减调整，当light为0时，P0.0始终输出高电平。定时器T0的定时时间为250us，变量count对定时中断进行计数，取值也在0-7之间，当countlight时，是发光管点亮时间，P0.0输出低电平；当countlight时，P0.0输出高电平，发光管熄灭。,发光管熄灭,发光管亮度最低,发光管亮度最高,void main(void) TMOD=0 x02; /T0工作于方式2 TH0=-250；TL0=-250; /定时时间为250us ET0=1;
29、 /允许T0中断 TR0=1; /启动定时 EA=1; /CPU开中断 while (1) while(P2 /去抖动 ,void time0(void) interrupt 1 count+; /定时中断计数器加1 count=count /否则，关闭发光管 ,定时器T0中断服务程序,任务四、电子钟的设计,设计一个电子钟，用四位LED显示器显示当前时、分，时、分之间用闪烁的分隔，按KSET键设置当前时间，长按KSET键设置闹铃时间，进入设置方式后，用KSET键来选择对时、分进行修改，当前修改的对象闪烁，KINC、KDEC分别对修改对象加/减1，长按KSET键结束设置。如果当前时间与闹铃时间一
30、致，蜂鸣器发出“嘟”、“嘟”的闹铃声，LED显示器闪烁，闹铃时按任意一键，关闭蜂鸣器。,设计思想 根据设计要求，我们可以将电子钟分为三种工作状态，用变量state表示：,正常走时状态 LED显示器显示当前时间，系统上电后自动进入该方式。,闹铃状态 如果当前时、分与闹铃时、分相同，进入闹铃状态，此时蜂鸣器发出“嘟”、“嘟”的闹铃声，LED显示器闪烁，闹铃时按任意一键，关闭蜂鸣器，LED显示器停止闪烁，返回正常走时状态。,设置状态 在走时状态用户按下kSET键则进入设置状态，用户通过KINC、KDEC键对当前时间或闹铃时间进行修改，最后长按KSET键退出设置状态，并返回到正常走时方式。在设置当前时
31、间时应将定时器关闭，否则LED显示器上的显示值将被定时中断服务程序刷新；在设置闹铃时间时，当前时间仍需被定时中断服务程序刷新，只是不在LED显示器上显示出来。,定时器T0用来产生时钟和方波，程序中每隔250uS就产生一次定时中断， 4000次中断正好满1秒。 定时器T0每两次中断（500us）就令计数变量n加1，n满2000正好是1S，当n500后，令P1.0保持高电平，鸣叫停止，这样在1秒钟内 “嘟”持续1/4秒，停顿3/4秒，整个闹铃状态将产生60次“嘟”，除非用户按键关闭蜂鸣器。,调试方法与步骤,1、仔细检查硬件电路，确认硬件连接无误后，开始软件调试。,2、在Keil下新建项目，选择硬件
32、仿真，设置好串口号及波特率，输入源程序，编译成功后进入调试状态。,3、全速运行程序，此时数码管应显示初始时间“12.25”，如果没有显示，应检查电路中的显示端口与程序中的定义是否一致，显示程序是否有问题。,4、按下（或长按）KSET键，显示器的高2位应该闪烁，如果按键后无反应，应重点检查键盘电路的连接以及键盘程序getkey（），直到按下各键时，能得到对应的键值返回。,5、如果按下（或长按）KSET键后，程序能够进入当前时间或闹铃时间设置方式，应仔细检查KSET、KINC、KDEC键的功能是否与设计要求一致，最后长按KSET键能否退出设置方式。如果有问题，应进入set_time（）仔细调试。,6、显示程序、键盘处理程序调试好后，全速运行程序，此时数码管显示的时间应每分 钟更新一次，如果时间始终不变，可检查程序是否能进入定时器中断服务程序，如果不能，说明定时器及中断的初始化可能有问题，否则可进一步观察当前时间time3及update标志是否相应变化。,7、如果能够正常走时，需进一步检测到了闹铃时间，数码管是否闪烁，蜂鸣器有无鸣叫，以及鸣叫时按键能否关闭声音。,
