定時器和數碼管
阿新 • • 發佈：2019-02-18
通過上節課的實驗，大家會發現，我們逐漸進入比較實質性的學習了，需要記住的內容也更多了，個別地方可能會感覺吃力。但是大家不要擔心，要有信心。這個跟小孩學走路一樣，剛開始走路不太穩，沒關係，多走幾步多練練。看視訊的時候要注意專心，一遍看不懂，思考一下，再回頭看第二遍和第三遍，沒準一下就明白了。如果三遍還看不明白，那就把不懂的問題放一放，繼續往下學兩課再回頭看一次，也可以到QQ群裡或微控制器論壇http://www.51hei.com/bbs/ 裡多諮詢一下其他的同學，討論一下，可能就會茅塞頓開。
1.1 基本數字邏輯閘電路 不管是數位電路，還是C語言，我們都會經常遇到邏輯運算和邏輯電路，在這裡我介紹一下，大家先簡單瞭解一下，知道有這麼回事，回頭遇到了，再詳細研究。
1.2 定時器的學習
定時器是微控制器的重點中的重點，但不是難點，大家一定要完全理解並且熟練掌握定時器的應用。
1.2.1 定時器的初步認識
時鐘週期：時鐘週期T是時序中最小的時間單位具體計算的方法就是1/時鐘源，我們KST-51微控制器開發板上用的晶振是11.0592M，那麼對於我們這個微控制器系統來說，時鐘週期=1/11059200秒。
機器週期：我們的微控制器完成一個操作的最短時間。機器週期主要針對組合語言而言，在組合語言下程式的每一條語句執行所使用的時間都是機器週期的整數倍，而且語句佔用的時間是可以計算出來的，而C語言一條語句的時間是不可計算的。51微控制器系列，在其標準架構下一個機器週期是12個時鐘週期，也就是12/11059200秒。現在有不少增強型的51微控制器，其速度都比較塊，有的1個機器週期等於4個時鐘週期，有的1個機器週期就等於1個時鐘週期，也就是說大體上其速度可以達到標準51架構的3倍或12倍。因為我們是講標準的51微控制器，所以我們後邊的課程如果遇到這個概念，全部是指12個時鐘週期。
這兩個概念瞭解即可，下邊就來我們的重頭戲，定時器和計數器。定時器和計數器是微控制器內部的同一個模組，通過配置SFR（特殊功能暫存器）可以實現兩種不同的功能，我們大多數情況下是使用定時器功能，因此我們的課程也是主要來講定時器功能，計數器功能大家自己瞭解下即可。
顧名思義，定時器就是用來進行定時的。定時器內部有一個暫存器，我們讓它開始計數後，這個暫存器的值每經過一個機器週期就會加1一次，因此，我們可以把機器週期理解為定時器的計數週期。我們的秒錶，每經過一秒，數字加1，而這個定時器就是每過一個機器週期的時間，也就是12/11059200秒，數字加1。還有一個特別注意的地方，就是秒錶是加到60後，秒就自動變成0了，這種情況在微控制器和計算機裡我們稱之為溢位。那定時器加到多少才會溢位呢？定時器有幾種模式，假如是16位的定時器，也就是2個位元組，最大值就是65535，那麼加到65535後，再加1就算溢位，如果有其他位數的話，道理是一樣的，對於51微控制器來說，溢位後，這個值會直接變成0。從某一個初值，經過計算確定的時間後溢位，這個過程就是其定時的含義。
1.2.2 定時器的暫存器描述
標準的51裡邊只有定時器0和定時器1這兩個定時器，現在很多微控制器也有多個定時器的，在這裡我們先講定時器0和1。那麼我前邊提到過，對於微控制器的每一個功能模組，都是由他的SFR，也就是特殊功能暫存器來控制。而和定時器有關的特殊功能暫存器，有以下幾個，大家不需要去記憶這些暫存器的名字和作用，你只要大概知道就行，用的時候，隨時可以查手冊，找到每個暫存器的名字和每個暫存器所起到的作用。
表5-2 定時值儲存暫存器
| 名稱 | 描述 | SFR地址 |
| TH0 | 定時器0高位元組 | 8CH |
| TL0 | 定時器0低位元組 | 8AH |
| TH1 | 定時器1高位元組 | 8DH |
| TL1 | 定時器1低位元組 | 8BH |
| 位 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
| 符號 | TF1 | TR1 | TF0 | TR0 | IE1 | IT1 | IE0 | IT0 |
| 位 | 符號 | 描述 |
| 7 | TF1 | 定時器1溢位標誌。一旦定時器1發生溢位時硬體置1。清零有兩種方式：軟體清零，或者進入定時器中斷時硬體清零。 |
| 6 | TR1 | 定時1執行控制位。軟體置位/清零來進行啟動/關閉定時器。 |
| 5 | TF0 | 定時器0溢位標誌。一旦定時器0發生溢位時硬體置1。清零有兩種方式：軟體清零，或者進入定時器中斷時硬體清零。 |
| 4 | TR0 | 定時0執行控制位。軟體置位/清零來進行啟動/關閉定時器。 |
| 3 | IE1 | 外部中斷部分，與定時器無關，暫且不看 |
| 2 | IT1 | |
| 1 | IE0 | |
| 0 | IT0 |
| 位 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
| 符號 | GATE (T1) | C/T (T1) | M1 (T1) | M0 (T1) | GATE (T0) | C/T (T0) | M1 (T0) | M0 (T0) |
| 符號 | 描述 |
| T1/T0 | 在表5-5中，標T1的表示控制定時器1的位，標T0的表示控制定時器0的位。 |
| GATE | 該位被置1時為門控位。僅當’INTx’腳為高並且’TRx’控制位被置1時使能定時器’x’，定時器開始計時，當該位被清0時，只要’TRx’位被置1，定時器x就使能開始計時，不受到微控制器引腳’INTx’外部訊號的干擾，常用來測量外部訊號脈衝寬度。這是定時器一個額外功能，本節課暫不介紹。 |
| C/T |
定時器或計數器選擇位。該位被清零時用作定時器功能(內部系統時鐘)，被置1用作計數器功能。 |
| M1 | M0 | 工作模式 | 描述 |
| 0 | 0 | 0 | 相容8048微控制器的13位定時器，THn的8位和TLn的5位組成一個13位定時器 |
| 0 | 1 | 1 | THn和TLn組成一個16位的定時器 |
| 1 | 0 | 2 | 8位自動重灌模式，定時器溢位後THn重灌到TLn中 |
| 1 | 1 | 3 | 禁用定時器1，定時器0變成2個8位定時器 |
圖5-1 定時器/計數器模式1示意圖 我帶著大家來分析一下這個示意圖，後邊如果手冊中遇到，大家也就會自己研究了。OSC框表示時鐘頻率，因為我們1個機器週期等於12個時鐘週期，所以那個d就等於12。下邊GATA右邊的那個門是一個非閘電路，再右側是一個或門，再往右是一個與閘電路，大家可以對照一下5-1節的內容。 圖上可以看出來，下邊部分電路是控制了上邊部分，那我們先來看下邊是如何控制的，我們以定時器0為例。 1、TR0和下邊或閘電路的結果要進行與門運算，TR0如果是0的話，與運算完了肯定是0，所以確定如果要讓定時器工作，TR0 = 1。 2、與門結果要想是1，那或門出來的訊號必須也得是1才行。在GATE位為1的情況下，經過一個非門變成0，或閘電路結果要想是1的話，那INT0即P3.2引腳必須是1的情況下，這個時候定時器才會工作，而INT0引腳是0的情況下，定時器不工作，這就是GATE位的作用。 3、當GATE位為0的時候，經過一個非門變成1，不管INT0引腳是什麼電平，經過或閘電路後則肯定是1，定時器就會工作。 4、要想讓定時器工作，就是加1，從圖上看有兩種方式，第一種方式是那個開關打到上邊的箭頭，就是C/T = 0的時候，一個機器週期TL就會加1一次，當開關打到下邊的箭頭，即C/T =1的時候，T0引腳即P3.4引腳來一個脈衝，TL就加1一次，這也就是計數器功能。 INT0引腳是P3.2，INT1引腳是P3.3，T0引腳是P3.4，T1引腳是P3.5，這個可以從我們KST-51開發板原理圖上看出來。 1.2.3 定時器程式應用 瞭解了定時器相關的暫存器，那麼我們下面就來做一個定時器的程式，鞏固一下我們學到的內容。我們這節課的程式先使用定時器0，在使用定時器的時候，需要以下幾個步驟： 第一步：設定特殊功能暫存器TMOD，配置好工作模式； 第二步：設定計數暫存器TH0和TL0的初值； 第三步：設定TCON，通過開啟TR0位來讓定時器開始計數。 第四步：判斷TCON暫存器的TF0位，監測定時器溢位情況。 寫程式之前，我們要先來學會計算如何用定時器定時時間。我們的晶振是11.0592M，時鐘週期就是1/11059200，機器週期就是12/11059200，我們假如要定時20ms，就是0.02秒，要經過x個機器週期得到0.02秒，我們來算一下x*12/11059200=0.02，得到x= 18432。那麼我們現在16位的定時器溢位值是65536，我們可以這樣，先給TH0和TL0一個初值，讓他們經過18432個機器週期後剛好溢位，溢位後我們可以通過檢測TF0位得知，就剛好是0.02秒。這個初值y = 65536 - 18432 = 47104，轉成16進位制就是0xB800，那麼就是TH0 = 0xB8，TL0 = 0x00。 那0.02秒我們已經定時出來了，細心的同學會發現，我們如果初值直接給一個0x0000，一直到65536溢位，定時器定時值最大也就是71ms左右，那麼我們想定時更長時間怎麼辦呢？用你小學學過的邏輯，倍數關係就可以解決此問題。 那好了，我們下面就用程式來實現以下這個功能。 #include<reg52.h> //包含暫存器的庫檔案 sbit LED = P0^0; sbit ADDR0 = P1^0; sbit ADDR1 = P1^1; sbit ADDR2 = P1^2; sbit ADDR3 = P1^3; sbit ENLED = P1^4; void main() { unsigned char counter = 0; ENLED = 0; ADDR0 = 0; ADDR1 = 1; ADDR2 = 1; ADDR3 = 1; LED = 1; //74HC138和LED燈初始化部分 TMOD = 0x01; //設定定時器0為模式1 TH0 = 0xB8; TL0 = 0x00; //定時值初值 TR0 = 1; //開啟定時器0 while(1) { if(1 == TF0) //判斷定時器0是否溢位 { TF0 = 0; TH0 = 0xB8; //一旦溢位後，重新賦值 TL0 = 0x00; counter++; if(50 == counter) //判斷定時器0溢位是否達到50次 { counter = 0; //counter清0，重新計數 LED = !LED; //LED取反操作，0-->1，1-->0 } } } } 程式都有註釋，不難理解，這裡要解釋一個地方，就是兩次if判斷，細心的同學會發現，if(1 == TF0)這句，我把1寫前邊，這個地方我推薦新手按照我這樣來寫，因為如果我們寫if(TF0 == 1)，作為新手來說，不小心丟掉一個’=’號後，寫成if(TF0 = 1)，這樣實際上在語法上是可以通過的，我們用的Keil4還會出一個警告說明一下，Keil以前的版本以及一些其他軟體，可能根本不會出任何錯誤或者警告提示，但是這樣產生的Hex檔案下載到微控制器裡邊，程式就錯了，大家可以改改試試看。 本程式實現的結果是我們板子上最右邊的小燈點亮持續一秒，熄滅持續一秒，也就是以0.5HZ的頻率進行閃爍。 1.3 數碼管學習 小燈是一種簡單的LED，給我們視覺效果只能通過亮和滅來表達簡單資訊。而這節課我們要來學習一種表達更加明確的器件，數碼管。 1.3.1 數碼管的基本介紹 先給大家提供一張原理圖看一下，如圖5-1所示。
圖5-2 數碼管原理圖
這是比較常見的數碼管的原理圖，我們板子上一共有6只數碼管。前邊有了LED小燈的學習，數碼管學習就會輕鬆的多了。從圖5-1能看出來，數碼管共有a,b,c,d,e,f,g,dp這8個段，而實際上，這8個段每一段都是一個LED小燈，所以數碼管就是由8個LED小燈所組成的。我們看一下數碼管內部結構圖5-2。
圖5-3 數碼管結構圖
數碼管分為共陽數碼管和共陰數碼管，所謂的共陰數碼管就是8只LED小燈的陰極是接在一起的，也就是陰極是公共端，由陽極來控制小燈是否亮滅。同理，共陽數碼管就是陽極是接到一起的，大家可以仔細研究下圖5-2。細心的同學也會發現，數碼管上邊有2個com，實際上就是我們數碼管的公共端。為什麼有2個，我個人認為，一方面有2個可以起到對稱的效果，剛好是10個引腳，另外一個方面，公共端通過的電流較大，我們初中就學過，並聯電路電流之和等於總電流，用2個com可以把公共電流平均到2個引腳上去，降低線路承受的電流。
從我們板子的電路圖上能看出來，我們所用的數碼管是共陽數碼管，如圖5-3所示。
圖5-4 共陽數碼管電路 他們的com是接到了正極上，當然了，和LED小燈電路類似，也是由74HC138控制了三極體的導通來控制整個數碼管的電流，我們先來看DS1這個數碼管。原理圖上可以看出來，控制DS1的三極體是Q17，控制Q17的引腳是LEDS0，對應到74HC138上邊就是Y0端的輸出。
圖5-5 74HC138控制圖 我們現在的目的是讓LEDS0這個引腳輸出低電平，相信大家現在可以獨立根據前邊學到的內容把ADDR0，ADDR1，ADDR2，ADDR3，ENLED這4個輸入狀態寫出來，現在大家不要偷懶，都去根據138的手冊去寫一下，不需要你記住這些結論，但是遇到就寫一次，鍛鍊過幾次後，遇到同類晶片自己就知道如何去解決問題了。 數碼管通常是用來顯示數字的，我們板子上的6個數碼管，習慣上我們稱之為6位，那控制位選擇的就是74HC138了。而數碼管內部的8個LED小燈我們稱之為數碼管的段，那麼數碼管的段選擇（即該段的亮滅）是通過P0口控制，經過74HC245驅動。 1.3.2 數碼管的真值表 數碼管的8個段，我們直接當成8個LED小燈來控制，那就是a、b、c、d、e、f、g、dp一共8個LED小燈。我們通過圖5-1可以輕而易舉的看出來，如果我們點亮b和c這兩個LED小燈，也就是數碼管的b段和c段，其他的所有的段都熄滅的話，就可以讓數碼管DS1顯示一個數字1，那麼這個時候實際上P0的值的二進位制就是0b11111001，十六進位制就是0xF9。也有可以自動生成數碼管段位碼的軟體可以從http://www.51hei.com/mcudown/ 下載檔名是"數碼管段位設碼程式.rar"，那麼我們寫一個程式進去，看看讓數碼管顯示一下看看。 #include<reg52.h> //包含暫存器的庫檔案 sbit ADDR0 = P1^0; sbit ADDR1 = P1^1; sbit ADDR2 = P1^2; sbit ADDR3 = P1^3; sbit ENLED = P1^4; void main() { unsigned char j = 0; unsigned int i = 0; ENLED = 0; ADDR0 = 0; ADDR1 = 0; ADDR2 = 0; ADDR3 = 1; //74HC138開啟三極體Q17 while(1) //程式死迴圈 { P0 = 0xF9; //開啟數碼管b和c段 } } 大家把這個程式編譯一下，下載到微控制器裡會發現，最右側的數碼管成功顯示1這個數字。 同樣的方法，我們可以把其他的數字都成功的在數碼管上顯示出來，而數碼管顯示的數字對應給P0的賦值，我們叫做數碼管的真值表。我們來列一下我們這個電路圖的數碼管真值表，注意，這個真值表裡顯示的數字都不帶小數點。 表5-1 數碼管真值表
| 數字 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 真值表 | 0xC0 | 0xF9 | 0xA4 | 0xB0 | 0x99 | 0x92 | 0x82 | 0xF8 |
| 數字 | 8 | 9 | A | B | C | D | E | F |
| 真值表 | 0x80 | 0x90 | 0x88 | 0x83 | 0xC6 | 0xA1 | 0x86 | 0x8E |