单片技术实践 4

工作模块7---单片机的定时/中断系统的应用

情境导入

无论是普通人的生活，还是工厂的生产，甚至是高精尖设备，都需要定时/计数器的支持。我们每天都可能被自己的闹钟吵醒，每天都可能会用洗衣机、微波炉进行定时操作，使用微信来计步。所有的这些功能，都和控制器的定时/计数功能息息相关的。市场上可以接触到的CPU或者控制器都具有中断系统，越高级的控制器，中断系统就越复杂。学会了单片机的定时器和中断，才可以认为自己迈入了单片机设计的多姿多彩的世界。内容图谱任务实施

任务描述执行思路

实施过程

程序解读

任务小结扩展任务任务7-1秒表功能的实现任务描述

使用单片机内部定时器实现2位秒表的功能，能够精确计时，时间范围0~60。使用proteus软件绘制并仿真电路。

初级任务：用单片机任意一个端口控制数码管的静态显示，完成简易秒表。

高级任务：能够使用一块开发板，点亮两位数码管，完成“秒”的精确计时，时间范围0~99。任务7-1秒表功能的实现单片机MCU数码管静态显示模块电源电路时钟电路复位电路执行思路7-1-1秒表功能的实现

任务实施

实施过程7-1-1秒表功能的实现7-1-1ProteusISIS设计电路原理图7-1-1ProteusISIS设计电路原理图序号元件名称元件型号元件参数1单片机AT89C52

2共阳极数码管7SEG-MPX1-CA

3电阻16个Res470

单片机的P0口和P2口分别和两个共阳极数码管连接，根据数码管静态显示的原理，直接从P0口和P2口输出相应的字形码即可。仿真电路需要的元件上表所示，同样最小系统所需元件不再重复展示。7-1-1秒表功能的实现7-1-1秒表功能的实现知识链接

7.1

单片机定时器/计数器认识

7.2单片机定时器/计数器的内部结构7.3工作方式寄存器TMOD7.4控制寄存器TCON7.5定时器/计数器的查询方式

设定加热一只鸡的时间为15min（900s），启动微波炉后开始倒计时，并在显示屏上显示剩余时间，如图所示，当前剩余时间为05:45（345s）。单片机每过1s更新一次时间显示，更新显示900次（900s）后（微波炉会发出“嘀嘀”声提示）停止微波炉加热。定时过程可视为单片机计算单位时间（如1s、1ms、1µs）的个数，计时完成后，将单位时间乘以个数，即可得到定时的时间长度。7.1单片机定时器/计数器认知7.1单片机定时器/计数器认知

下面再来看一个生活中的计数器的例子——自行车的测速码表。在自行车辐条上安装一个永久磁铁，在车架上安装一个霍尔开关，磁铁经过霍尔开关时会发出一个脉冲信号，即表示车轮转动一圈，由于自行车车轮的周长是固定的，因此统计60s（时间）内车轮转动的圈数（距离），就可以算出骑行速度。这个实例中，码表通过霍尔传感器进行脉冲计数，每两个脉冲之间的时间是不固定的，而微波炉的时间间隔是固定的1s。7.1单片机定时器/计数器认知7.2定时器/计数器的内部结构

单片机有两个16位的定时/计数器——T0和T1。当定时/计数器工作于定时功能时，模拟开关拨到T位置，定时/计数器计数电路计算的是单位时间脉冲。如果模拟开关拨到C位置，定时/计数器计数电路计算的是外部事件脉冲，此时，定时/计数器计数电路的计数值就是外部事件脉冲的个数。这就是单片机定时/计数器的计数功能。

单片机内部有两个16位的定时器，分别是T0和T1,每个16位定时器又可以分成两个8位的寄存器，分别是THX和TLX，高8位和低8位。7.2定时器/计数器的内部结构

定时器的工作方式

定时器的初值

定时器的启动

定时的结束7.2定时器/计数器的内部结构定时器/计数器的控制操作具体包括：7.3

工作方式寄存器TMOD（0x89）TMOD（0x89）

C/T：计数器/定时器选择位：如果这一位设置为1，则工作方式为对外部的事件的计数器；如果这一位设置为0，则对单片机内部脉冲进行计数，就是定时功能，每个单片机的机器周期计数一次。7.3

工作方式寄存器TMOD（0x89）

GATE门控位:定时器可由软件与硬件两者控制：如果这位设置为0，则使用软件编程的方式启动定时器，即相应TRx位写入1即可；如果这位设置为1，则定时器的启动，除了受TRx软件控制以外，还需要被INTX外部信号的同时控制，所以这是一个软硬件同时控制的启动机制。7.3

工作方式寄存器TMOD（0x89）方式0：13位定时器/计数器7.3.1定时/计数器的工作方式方式1：16位定时器/计数器当M1M0=01时，定时器/计数器工作于方式1，方式1和方式0的差别仅仅在于计数器的位数不同，方式1为16位计数器，由THx高8位和TLx低8位构成。7.3.1定时/计数器的工作方式方式1：16位定时器/计数器

如果控制端闭合，则从设定的初值，每经过一个机器周期，进行加1计数，直到最大值，此时如果还要加一，会产生什么后果呢，保存的值会溢出，此时触发TCON寄存器的TF1位自动置1，表示此次定时间隔完成。同时向CPU申请中断。定时器的溢出值：M=216=655367.3.1定时/计数器的工作方式【小例子】：

定时器工作在方式1，晶振频率是12MHz，最大的定时间隔是多少？

由于单片机的晶振频率是12MHz，因此单片机的机器周期是1us;定时器工作在方式1，因此定时器每隔一个机器周期，计数值加1,因此从0开始到65536溢出值，需要经过65536个机器周期，所以最大的定时间隔是65536x1us=65.536ms。7.3.1定时/计数器的工作方式方式2：8位自动重装初值的定时器/计数器工作方式2是一个自动重装初值的工作方式，如果定时/计数器工作于方式2下，将会一个是8位的定时器，定时初值同时被装入到TL1和TH1中，然后TL1开始加1计数；关键在于产生溢出申请中断以后，从TH1自动装入初值，可以自动重复进行定时操作。7.3.1定时/计数器的工作方式方式2：8位自动重装初值的定时器/计数器如果需要重复得到一系列的脉冲波形的时候，使用方式1会重复的装入定时器的初值，此时方式2的自动重复定时功能就很合适了。7.3.1定时/计数器的工作方式方式3-很少使用

方式3是将16位计数器分成两个独立的8位分别使用。T0：组织成TL0和TH0两个8位定时/计数器；T1：不再是定时/计数器了，T1的TR1和TF1出借给TH0当控制位使用,剩下的TH1/TL1寄存器只能当作普通寄存器用。方式3在实际设计中很少使用，只做简单了解即可。7.3.1定时/计数器的工作方式

MCS-51的两个定时器均为加1计数器，当加到溢出值时产生溢出，将TF位置l，可产生溢出中断，因此，如果定时计数器的溢出值为M,计数器初值X的计算式为：

X=M-计数值（通式）

模式0：M=213=8192模式1：M=216=65536模式2：M=28=256模式3：M=28=2567.3.2定时/计数器初值的计算【小例子】：

如果我们需要定时间隔为50ms，单片机的晶振频率为12MHz，单片机工作在方式1。

则可以得出：定时器工作在方式1，因此M=65536;单片机的晶振频率为12MHz，则一个机器周期为1us,定时间隔50ms可以推导出

计数间隔=50ms/1us=50000次所以从初值X加1计数，加到65536,中间间隔为50000次，则计数初值为

X=65536-50000=15536=0x3CB0；

7.3.2定时/计数器初值的计算

方法1：其中0x3CB0是十六进制数据，得到了计数初值，就可以将此初值X添加到定时器的THx和TLx两个寄存器中。

THx=0x3C；TLx=0xB0;

方法2：由于THx和TLx均为8位寄存器，两个寄存器组合在一起为16位寄存器，低8位从0开始加1计数，加到255最大值，向高8位寄存器进一，因此两个8位寄存器可以看做是256进制的数据，如下图。所以定时初值也可以由以下算式得出

THx=(M-50000)/256;

TLx=(M-50000)%256；

7.3.2定时/计数器初值的计算工作方式方式0方式1方式2定时/计数器位数13位16位8位计数寄存器THx高8位，TLx低5位THx高8位，TLx低8位TLx8位最大计数值819265536256初值设置THx=(M-X)/32;TLx=(M-X)%32；THx=(M-X)/256;TLx=(M-X)%256；THx=(M-X);TLx=(M-X)初值举例定时间隔5ms，循环10次THx=(8192-5000)/32;TLx=(8192-5000)%32；直接定时50msTHx=(65536-50000)/256;TLx=(65536-50000)%256；定时间隔50us，循环100次THx=(256-50);TLx=(256-50)工作特点初值不自动重装初值不自动重装自动重装初值7.3.2定时/计数器初值的计算TCON（0x88）

TFX：当计数器计数溢出时，该位置“1”。使用查询方式时，此位作为状态位供CPU查询，但应注意查询有效后，应使用软件及时将该位清“0”。使用中断方式时，此位作为中断请求标志位，进入中断服务程序后由硬件自动清“0”。这个功能位要特别注意其清零方式。7.4控制寄存器TCON（0x88）TCON

TRx:如果TRx=

1，启动定时器/计数器工作的必要条件；如果TRx=0，停止定时器/计数器工作。编程中经常用这位启动和停止启动定时器/计数器.TCON寄存器的低四位在中断章节再了解。7.4控制寄存器TCON（0x88）

定时器的停止有两种方式：查询式和中断式。

可以把定时/计数器想象成水桶，定时器的初值就是原来水桶里的水量，然后按照一定的时间节奏向水桶注水，比如每秒10ml，这样当水桶满溢的时候，通过注入的水量就可以计算出注水的总时间，实现了定时，也可以推算出一共进入了多少水量，同时也是计数的过程，因此单片机里的定时器和计数器其实是一套系统。7.5定时/计数器的查询方式

在单片机中，可以使用一个标志位TFx来标志定时/计数器已经计满结束。有了这个定时计数满的标志，理论上称之为溢出中断标志。当定时/计数满的时候，自动被单片机置1，所以可以查询该位的标志来获取定时器的工作状态，进而判断本次定时或者计数是否结束。7.5定时/计数器的查询方式因此可以总结出定时/计数器的使用步骤为:1.设置工作方式TMOD2.计算计数初值3.启动定时器TRX4.查询方式判断计数是否溢出。While(!TFX);TFx=0;7.5定时/计数器的查询方式7-1-2秒表软件程序设计#include<reg52.h>unsignedcharled[]= //共阳极字形码 {0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};voiddelay1s(); //函数声明voiddisplay(unsignedchart);voidmain(){ unsignedchartime=1; TMOD=0x10; //定时器工作模式 TH1=0x3c; //定时器初值 TL1=0xb0; TR1=1;while(1) { display(time); //调用显示函数 delay1s(); time++; if(time==60)time=1; }} 7-1-1秒表功能的实现参考程序7-1-2秒表软件程序设计voiddelay1s() //查询方式使用定时器{unsignedchari;for(i=0;i<20;i++) //50ms循环20次{

TH1=0x3c;TL1=0xb0;TR1=1;

while(!TF1);TF}}voiddisplay(unsignedchart) //显示函数定义{

unsignedcharge,shi;

ge=t%10;

P2=led[ge];

shi=t/10;

P2=led[shi];} 7-1-1秒表功能的实现参考程序任务小结7-2

声光报警器的实现

任务实施任务描述

使用单片机的中断功能实现声光报警器，电路图如下图，使用proteus软件绘制并仿真电路。按键接入单片机的P3.2口，是单片机外部中断0的输入端口。当按键被按下的时候，外部中断被触发，进而使P1.1口的灯管报警开启，同时连接到P1.0口上的蜂鸣器发出警报声音，进而实现按键实现声光报警的功能。再次按下按键的时候，声音和灯光报警同时被清除。初级任务：用单片机实现声光报警，灯光常亮，声音始终不停高级任务：用单片机实现声光报警，灯光闪烁，声音按照设定间隔鸣响。更加接近实际报警器的设定。7-2声光报警器的实现执行思路51单片机最小系统按键输入声光报警模块7-2-2ProteusISIS设计电路原理图7-2声光报警器的实现实施过程

声光报警模块中，发光二极管部分与前面章节一致。蜂鸣器与单片机的P1.0端口连接，蜂鸣器的是声光报警的重要部分。可以看到无源蜂鸣器的驱动部分，由两个NPN的三极管构成的达林顿放大电路构成。当P1.0口输出高电平时，两个三极管导通;P1.0口输出低电平的时候，两三极管截止。如此反复，可以用单片机的延时功能，从P1.0口输出不同频率的脉冲，从而控制蜂鸣器发生，进而可以控制蜂鸣器的声音频率。这也是单片机控制无源蜂鸣器的基本方式。7-2声光报警器的实现实施过程序号元件名称元件型号元件参数1单片机AT89C52

2BUTTON按键

3BUZZER蜂鸣器

4MPS6514NPN三极管

5LED-RED发光二极管红色6RES按键上拉电阻1K7RESLED限流电阻4708单片机AT89C52

7-2声光报警器的实现7-2-2软件程序设计思路——程序设计思路

声光报警在程序中是依靠外部中断的函数实现的。如果外部中断触发，自动进入中断处理函数，首先将LED状态取反点亮，同时将beep的状态从0变成1，蜂鸣器不断鸣响。如果再次按下按键，则LED状态取反熄灭，蜂鸣器状态取反停止鸣叫。使用外部中断的处理函数，就实现了声光报警的功能。7-2声光报警器的实现7-2声光报警器的实现知识链接7.6中断的概念7.7单片机中断系统的结构7.8中断系统的寄存器7.9中断的响应流程7.10中断系统的程序设计7.11中断标志的撤销7.6中断的概念

声光报警器是生活中的常见设备，利用的是单片机系统中重要的中断机制。

所谓中断机制是现代计算机系统中的基础设施之一，它在系统中起着通信网络作用，以协调系统对各种外部事件的响应和处理。中断是实现多道程序设计的必要条件。中断是CPU对系统发生的某个事件作出的一种反应。

小林正在看报纸，宠物狗需要每隔4小时喂一次，烧的开水15分钟煮开。在小林看报纸的时候，电话铃响了，小林需要中断看报纸的工作，转而去接电话，在接电话的时候，水开了，小林就要中断打电话的工作，转向处理开水的事务，处理完开水，继续接完这个电话，然后回到自己喜欢的看报纸的活动。7.6中断的概念

小林看报纸是他正在执行的主要活动，狗叫，水开，电话铃响，都可以打断看报纸的主要活动，这三个称为中断，而且这个三个中断发生在小林的家里，叫做内部中断。

也有可能有朋友来拜访，或者快递员来送快递，这两个是在小林家的室外，可以把他们称作外部中断。7.6中断的概念

1.中断：单片机中的中断是指通过硬件来改变CPU的运行方向，外部设备或者单片机内部向CPU发出中断请求信号，要求CPU暂时中断当前程序的执行，转而去执行相应的中断处理程序，待中断处理程序被执行完毕以后，再继续执行原来被中断的程序。7.6中断的概念

中断源：引起中断的原因，或能发出中断申请的来源，称为中断源。

中断请求：中断源要求服务的请求称为中断请求.

主程序：原来正常运行的程序称为主程序。7.6中断的概念

中断服务程序：CPU响应中断后，转去执行相应的处理程序，该处理程序通常称之为中断服务程序。

断点：主程序被断开的位置（或地址）称为断点。7.6中断的概念

分时操作：CPU可以使多个外设同时工作，并分时为各外设提供服务，从而大大提高了CPU的利用率和输入/输出的速度。

实时处理：当计算机用于实时控制时，请求CPU提供服务是随机发生的。有了中断系统，CPU就可以立即响应并加以处理。

故障处理：当计算机运行中出现如电源断电、存储器校验出错、运算溢出等错误时，CPU可及时转去执行故障处理程序，减小或消除故障产生的影响。3.中断的优势和作用：7.6中断的概念7.7单片机中断系统的结构中断的几个重要寄存器：

1.中断相关的寄存器：TCON:控制寄存器，IE:中断允许寄存器，IP中断优先级寄存器,SCON：串口控制寄存器；

2.五个中断源：上图的最左端是5个中断源，INT0,T0，INT1,T1,和串口中断中断名称中断号中断入口地址INT0外部中断000003HT0定时器01000BHINT1外部中断120013HT1定时器03001BHRI/TI串口中断40023H7.7单片机中断系统的结构

3.外部中断的输入方式选择：INT0和INT1的输入端有ITx的选择控制位，这一位控制外部中断的输入是电平触发方式还是边沿触发方式。

4.五个中断源从上到下的排列，也是五个中断源的优先级顺序，从上到下由高到低，此优先级称为自然优先级。7.7单片机中断系统的结构1.TCON寄存器

TCON(中断控制寄存器)，字节地址0x88H,因此这个寄存器可以进行位寻址。特殊功能寄存器TCON的格式如图所示。7.8中断系统的寄存器1.TCON寄存器标志位功能TF1TF1—定时器/计数器T1的溢出中断请求标志位。当T1计数产生溢出时，由硬件使TF1置“1”，向CPU申请中断。CPU响应TF1中断时，TF1标志由硬件自动清“0”，TF1也可由软件清“0”。TR1定时器1启动，见定时器部分TF0定时器/计数器T0的溢出中断请求标志位，功能与TF1类似。TR0定时器0启动，见定时器部分IE1外部中断请求1的中断请求标志位。IT1IT1—选择外部中断请求1为跳沿触发还是电平触发。IT1=0，电平触发方式，引脚上低电平有效，并把IE1置“1”。转向中断服务程序时，由硬件和软件把IE1清“0”。IT1=1，跳沿触发方式，加到引脚上的外部中断请求输入信号电平从高到低的负跳变有效，并把IE1置“1”。转向中断服务程序时，由硬件自动把IE1清“0”。IE0外部中断请求0中断请求标志位，功能与IE1类似。IT1IT0—选择外部中断请求0为跳沿触发方式还是电平触发方式，其意义与IT1类似。7.8中断系统的寄存器2.SCON寄存器

SCON串行口控制寄存器，字节地址为98H，可位寻址。此寄存器只使用最低两位，7.8中断系统的寄存器2.SCON寄存器

（1）TI—串行口的发送中断请求标志位。每发送完一帧串行数据后，TI自动置“1”。TI标志必须由软件清“0”。

（2）RI—串行口接收中断请求标志位。串行口接收完一个串行数据帧，硬件自动使RI中断请求标志置“1”。必须在中断服务程序中用指令对RI清“0”。7.8中断系统的寄存器

IE中断允许寄存器，51单片机的对各中断源的开放或屏蔽，是由中断允许寄存器IE控制的。IE字节地址为A8H，可位寻址。7.8中断系统的寄存器3.IE寄存器标志位功能EAEA—中断允许总开关控制位。EA=0，所有的中断请求被屏蔽。EA=1，所有的中断请求被开放。ESES——串行口中断允许位。ES=0，禁止串行口中断。 ES=1，允许串行口中断。ET1ET1—定时器/计数器T1的溢出中断允许位。ET1=0，禁止T1溢出中断。ET1=1，允许T1溢出中断。EX1EX1——外部中断1中断允许位。EX1=0，禁止外部中断1中断。 EX1=1，允许外部中断1中断。ET0ET0——定时器/计数器T0的溢出中断允许位。功能与ET1相同。EX0EX0——外部中断0中断允许位。功能与EX1相同。7.8中断系统的寄存器3.IE寄存器使用定时器0的中断，如何打开相应的中断标志位，IE该如何设置呢？方法1：使用位寻址:

ET0=1;EA=1;方法2：按照寄存器整体赋值：IE=0x20如何禁止中断呢？如果想关闭总中断：EA=0；如果想关闭某个中断，比如关闭外部中断0：EX0=0;AT89S51复位以后，IE被清“0”，所有中断请求被禁止。7.8中断系统的寄存器【小例子】

打开片内2个定时器/计数器中断，并禁止其他中断源的中断请求，请编写设置IE的相应程序段。方法1：使用位操作指令

EA=1;//开总中断

ET0=1://开定时器0中断

ET1=1://开定时器1中断方法2：使用字节指令 IE=0x8A;7.8中断系统的寄存器4.IP寄存器

中断优先级寄存器IP，其字节地址为B8H，可位寻址。

51单片机的优先级从高到低为：

外部中断0>定时器0>外部中断1>定时器1>串口中断7.8中断系统的寄存器4.IP寄存器中断优先级寄存器IP各位的含义如下：（1）PS—串行口中断优先级控制位 （2）PT1—定时器T1中断优先级控制位（3）PX1—外部中断1中断优先级控制位 （4）PT0—定时器T0中断优先级控制位（5）PX0—外部中断0中断优先级控制位7.8中断系统的寄存器【小例子】

IP寄存器初始化，AT89S51的两个外中断请求为高优先级，其他中断请求为低优先级。（1）用位操作指令

PX0=1；//外中断0设置为高优先级

PX1=1; //外中断1设置为高优先级

PS=0; //串行口设置为低优先级

PT0=0; //定时器/计数器T0为低优先级

PT1=0; //定时器/计数器T1为低优先级（2）用字节操作指令

IP=0x05;7.8中断系统的寄存器1.中断请求2.中断响应3.中断返回4.中断请求的阻塞7.9中断的响应流程

中断响应过程就是自动调用并执行中断函数的过程。C51编译器支持在C源程序中直接以函数形式编写中断服务程序。常用的中断函数定义语法如下：

void函数名（）interruptn7.10中断系统的程序设计7-2-2软件程序设计7-2声光报警器的实现—参考程序扩展任务：声光报警器的改进

1.任务描述：根据贴近实际生活的实际场景，按下按键的时候，用单片机控制声光报警，灯光闪烁，声音按照设定间隔鸣响。更加接近实际报警器的设定。7-2声光报警器的实现

扩展任务-声光报警器原理图7-2声光报警器的实现7-2声光报警器的实现7-2声光报警器的实现如右图7-26所示为具有简单控制功能的秒表的原理图，该秒表使用定时器中断，使用两位共阳极数码管，两个按键分别接在两个外部中断的管脚上，实现启动/暂停和清零功能。仿真电路元器件明细表见下表。7.10中断系统的程序设计序号元件名称元件型号元件参数1单片机AT89C52

2BUTTON按键2个3RP18位阻排10k47SEG-MPX2_CA两位数码管共阳极5RES按键上拉电阻1K6RES数码管限流电阻5108个软件程序设计7.10中断系统的程序设计软件程序设计7.10中断系统的程序设计软件程序设计7.10中断系统的程序设计7.11中断标志的撤销

1．定时器／计数器中断请求的撤销

定时器／计数器中断的中断请求被响应后，硬件会自动把中断请求标志位（TFO或TF1）清零，因此定时器／计数器中断请求是自动撤销的。

2．外部中断请求的撤销

（1）.边沿方式外部中断请求的撤销包括两项内容：中断标志位清零和外中断信号的撤销。其中，中断标志位（IEO或IE1）清零是在中断响应后由硬件自动完成的。对于外中断信号的撤销，由于跳沿信号过后即消失，所以边沿方式的外部中断也是自动撤销的