單片機定時器的應用與誤差糾正

1 前言
　　
定時器是MCS-51單片機非常重要的組成部分，由于其應用與單片機的其他硬件相關(guān)，存在著一定的復雜性[1]。而定時器是單片機應用中解決某類復雜問題的最有為效的方法，應用非常廣泛。隨著定時要求的提高，在定時處理過程中所帶來的誤差需要校正[2]，本文就MCS-51單片機的使用方法與誤差校正方法進行了討論，并給出通用算法與程序。

2 定時器工作方式與方式設(shè)置
　　
MCS-51單片機有兩路獨立的定時器，每路定時器有4種工作方式（0～3），方式0是13位計數(shù)結(jié)構(gòu)，計數(shù)器由TH全部8位與TL的低5位構(gòu)成；方式1是16位計數(shù)結(jié)構(gòu)，計數(shù)器由TH與TL全部8位共16位組成；方式2是8位計數(shù)結(jié)構(gòu)方式，計數(shù)器由TL8位組成，與其他方式不同的是,當定時溢出時，硬件自動將TH的值裝入TL中，有自動加載功能。前三種工作方式，兩路定時器的設(shè)置與使用完全相同，但在工作方式3下，兩路定時器有很大差別，只有0路定時器可以工作在方式3下，1路定時器只能工作在方式0～2下，在工作方式3下，0路定時器被拆分成兩個獨立的8位計數(shù)器TL0與TH1，其中0路定時器的各控制位和引腳信號全歸TL0使用，因此TH0只能做簡單的定時器使用，其控制位占用了1路定時器的控制位，如果0路定時器工作在方式3下，1路定時器由于讓出了所屬控制位，通常作為串行口波特率發(fā)生器[3]。
　　
定時器的工作方式選擇主要依靠設(shè)置TMOD寄存器的值，其各位定義如下：

位序	B7	B6	B5	B4	B3	B2	B1	B0
位符號	GATE	C/T	M1	M0	GATE	C/T	M1	M0

其中，B0～B3用來控制0路定時器，B4～B7用來控制1路定時器。
　　
GATE位為門控位，主要確定定時器啟動的方式，如果GATE=0，則用TR0（TR1）位啟動/關(guān)閉定時器，如果GATE=1，則以外中斷請求信號（INT0或INT1）啟動定時器。
　　
C/T位為定時與計數(shù)選擇位，C/T=0為定時方式，C/T=1為計數(shù)方式。
　　M0、M1為工作方式選擇位
　　M1M0=00方式0M1M0=10方式2
　　M1M0=01方式1M1M0=11方式3
　　
選擇定時器工作方式，應根據(jù)上述規(guī)定向寄存器TMOD中寫入相應數(shù)，如設(shè)置0路定時器工作在定時方式0下，1路定時器工作在方式1下，則應用下列指令設(shè)置:
　　
MOVTMOD,＃10H

3 定時器的處理方式與計數(shù)初值的計算
　　
MCS-51單片機的定時器采用增值計數(shù)法，在定時工作方式下，啟動定時器后，每機器周期CPU硬件會自動給相應計數(shù)器加1，直至超出對應計數(shù)器所能表示的最大值，發(fā)生定時溢出，硬件自動將TF0（TF1）置位，用戶可以通過查詢TF0（TF1）位判斷定時是否溢出，如果此時定時中斷處于開放狀態(tài)，將引發(fā)相應定時中斷，MCS-51響應中斷，根據(jù)相應中斷地址（0路定時中斷的中斷入口地址為000B，1路為001B）執(zhí)行中斷處理程序。
　　
定時編程有兩種基本方式，一種方式為查詢方式，在啟動定時時關(guān)閉相應定時中斷，然后循環(huán)檢測TF0（TF1）進行相應處理；另一種方式為中斷方式，啟動定時時開放相應定時中斷，并將定時溢出處理程序編寫為中斷處理程序形式通過在相應中斷入口地址（000B，001B）放置跳轉(zhuǎn)指令轉(zhuǎn)入定時溢出處理程序。
　　
定時器工作方式選定后，定時溢出時間唯一取決于計數(shù)器的初值，如何根據(jù)應用需要確定計數(shù)器初值，也是定時器應用的一個重要問題。假定單片機機器周期為K0，所選定的定時方式計數(shù)器為n位，所實現(xiàn)的定時時間長度為T，則有：
　　
　　　?。?n－x）K0=T(1)
　　
　　其中x為計數(shù)器的初值，根據(jù)式1可以求出初值x為：

　　　　x=2n－(T/K0)(2)

4 定時器的編程步聚和各步聚的通用程序
　　
　　定時器應用編程主要分為以下幾個步聚。

4.1步驟1根據(jù)定時要求求計數(shù)初值x
　　
　　首先根據(jù)單片機時鐘頻率f確定單片機機器周期k0,即：

　　k0=12/f(3)
　　
在實際應用中，單片機時鐘頻率f一般為6mHz或12mHz，所以單片機機器周期k0=2μs或1μs，然后根據(jù)選定的工作方式確定計數(shù)器位數(shù)n，將所得k0與n代入式2，求出計數(shù)初值x,并根據(jù)所選擇的計數(shù)方式將x的值分入TH0（TH1）與TL0（TL1）。

4.2步驟2編寫初始化程序
　　
初始化程序與定時編程方式有關(guān)，中斷方式初始化程序如下（以0路定時器為例）：

　　movTMOD,＃n(規(guī)定定時工作方式)
　　movTH0,＃n1(設(shè)置計數(shù)器低位)
　　movTL1,＃n2(設(shè)置計數(shù)器高位)
　　setBEA（開放中斷）
　　setBET0（開放定時中斷0）
　　setBTR0(啟動定時)
　　
　　查詢方式初始化程序如下：
　　movTMOD,＃n(規(guī)定定時工作方式)
　　movTH0,＃n1(設(shè)置計數(shù)器低位)
　　movTL1,＃n2(設(shè)置計數(shù)器高位)
　　clrET0（開放定時中斷0）
　　setBTR0(啟動定時)

　　其中＃n1和＃n2與計數(shù)初值x有關(guān)，如果采用方式2，有＃n1=＃n2，所有初始化程序都以0路定時器為例，如果用1路定時器，則將程序中的寄存器和控制位的下標1改為0。

4.3步驟3編制定時處理程序
　　
　　中斷方式處理程序如下：
　　org000B
　　1jmpb1
　　b1:clrEA
　　movTH0,＃n1
　　movTH1,＃n2
　　定時處理語句段
　　reti
　　其中，0路定時器為000B，如果為1路定時器為001B，如果定時器工作在方式2，則不需要給TH0、TH1重新賦值。
　　查詢方式處理程序如下：
　　L1:jbcTF0,LO1
　　sjmpL1
　　LO1:movTH0,＃n1
　　movTH1,＃n2
　　定時處理語句段
　　sjmpL1

5 定時的誤差校準
　　
由于單片機的機器周期為1μs～2μs，定時誤差一般應在0μs～20μs之內(nèi)，對于一般應用，此誤差可以忽略，但是對于精確度要求比較高的應用場合，此誤差必須進行校正。定時誤差是定時溢出后轉(zhuǎn)入執(zhí)行定時處理語句段之間所耗費的時間，此時間主要由定時溢出轉(zhuǎn)入定時處理語句段所必須執(zhí)行的指令或硬件過程產(chǎn)生。
　　
定時誤差校準的簡單原理是：在定時溢出響應后，停止定時器計數(shù)，讀出當時計數(shù)值（它反映了定時響應的延遲時間），然后將完成這一任務(wù)的程序段執(zhí)行時間考慮進去，作為修正因子校正定時初值，以下程序段以中斷處理方式為例：
　　clrEA
　　clrTR1
　　clrc
　　movA,＃n0
　　clrTR0
　　subbA,TL0
　　subbA,＃08
　　movTL0,A
　　movA,＃n1
　　subbA,TH0
　　movTH0,A
　　setbTR0
　　定時處理語句段
　　reti
　　
由于執(zhí)行從指令clrTR0（停止計數(shù)）到指令setbTR0（重新開啟計數(shù)）之間的指令需8個機器周期，應將此消耗考慮進去。上述程序?qū)⒍〞r誤差縮小在1個機器周期內(nèi)。