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单片机的功能部件

第六章　单片机的功能部件

教学内容：

1、定时／计数器

2、单片机中断系统

3、单片机串行通信

本章重点：

1、单片机定时/计数器、中断系统、串行通信的结构与工作原理

2、单片机定时/计数器、中断、串行通信初始化设置

教学要求：

1、要求掌握单片机定时/计数器、中断、串行通信的结构与工作原理

2、能熟练进行单片机定时/计数器、中断、串行通信初始化设置

3、能应用单片机定时/计数器、中断、串行通信解决实际问题

教案：

第一节定时／计数器

1、结构

80C51单片机内部设有两个16位定时/计数器，简称为定时器0（T0）和定时器1（T1）。

定时器／计数器的结构如图1所示：

图1　80C51单片机内部定时／计数器的结构

TMOD---方式控制寄存器,用于设定定时／计数器的工作方式

TCON---定时器控制寄存器,用于启动定时／计数器

IE---中断允许控制寄存器：

定时／计数器是微机的中断源

2、工作原理

80C51系列单片机内部定时／计数器的工作原理可用图2来说明。

定时/计数功能选择：

当C／T＝0时，为定时器功能，此时，C与A相连（计数脉冲为机器周期）；当C／T＝1时，为计数功能，此时，C与B相连（计数脉冲从P3.4或P3.5口输入）。

定时/计数器设置：

定时／计数器设置由工作方式控制寄存器（TMOD）、定时控制寄存器（TCON）以及中断允许寄存器（IE）共同完成。

3、控制寄存器

1）、方式控制寄存器TMOD

方式控制寄存器（TMOD）是一个SFR寄存器，字节地址为89H，CPU可以通过字节传送指令来设定TMOD中各位的状态，但不能位寻址。

GATE----门控制位

当GATE=0时，定时／计数器由定时控制寄存器中的TR0（或TR1）启动。

当GATE=1时，定时／计数器由外部中断请求信号INT0（或INT1）与TRX共同启动。

C/T----定时、计数功能选择位

当C/T=0时，定时／计数器工作在定时工作方式

当C/T=1时，定时／计数器工作在计数方式

M1M2-----方式控制位，如图3所示。

图3方式控制寄存器

当M1M0＝00时，定时／计数器工作在方式0

当M1M0＝01时，定时／计数器工作在方式1

当M1M0＝10时，定时／计数器工作在方式2

当M1M0＝11时，定时／计数器工作在方式3

例：

设定时／计数器T0用作定时器使用，且工作在方式3，与外部INT0无关，定时／计数器T1用作计数器且工作在方式2，与外部INT1有关，试写出控制寄存器TMOD的值。

解：

依题意知，TMOD＝11100011B=E3H

　　　　　MOV　TMOD，＃0E3H

----------------

2）、定时器控制寄存器TCON　

定时器控制寄存器TCON的格式如图4所示，

定时控制寄存器TCON也是SFR，字节地址为88H，可位寻址，位地址为88H－－8FH,用于控制定时器的操作与中断。

TR0．TR1用于启停定时／计数器：

当TRX＝1时，启动定时／计数器，用SETB　TRX　实现；

当TRX＝0时，停止定时／计数器，用CLR　TRX　实现；

TF0．TF1为定时／计数器中断标志：

当TFX＝1，表示定时／计数有溢出，可用查询或中断来处理；

当TFX＝0，表示定时／计数无溢出，可用查询或中断来处理；

IE0．IE1为外中断标志：

图4　定时器控制寄存器TCON

当IEX＝1，表示外部有中断发生（与ITX配合使用）；

当IEX＝0，表示外部无中断发生（与ITX配合使用）；

IT0．IT1为外中断触发方式选择位：

　　置ITX＝1，则外中断在脉冲下降沿触发，

置1T1=0，则外中断在低电平触发方式，

例：

定时器／计数器T0作定时器使用，工作在方式1，T1作计数器使用，工作在方式2，当T0定时到，先关闭定时，后开启计数器T1，计数到，先关闭计数，后开启定时器T0，如些往复，试编写实现上述过程的程序。

分析：

先确定方式寄存器的值：

由题意知：

TMOD＝01100001B＝A1H

判别定时／计数溢出：

用LP:

JNB　TFX，LP语句；采用查询方式

程序设计：

　　　ORG　　1000H

　　　　START：

MOV　TMOD，＃0A1H；设置TMOD工作方式

　　　　　　　SETB　TR0　　　　　；开启定时器T0

　　　　　LP：

JNB　TF0，LP　　　　；定时器无溢出等待

　　　　　　CLR　TR0　　　　　　；定时溢出关定时器T0

　　　　　　　SETB　TR1　　　　　；开计数器T1

　　　　　LJ：

JNB　TF1，LJ　　　　；计数器无溢出等待

　　　　　　　CLR　TR1

　　　　　　　LJMP　START

　　　　　　　END

3）、中断允许寄存器IE

中断允许寄存器也是一个SFR，地址为A8H，可以位寻址,如图5所示：

图5中断允许控制寄存器IE

通过向IE写入中断控制字，实现CPU对中断的开放和屏蔽。

4、工作方式

80C51单片机共有四种工作方式，定时器／计数器的功能与其工作方式有关：

1）、方式0

工作在方式0时，内部定时/计数器控制逻辑图如图6所示，计数值由THX（8位）和TLX（低5位）组成13位计数器。

定时／计数值的确定：

①最大定时／计数值

最大定时／计数值＝213*机器周期；

此时，TH＝00H．TL＝00H

②定时／计数值的确定

定时值／计数值＝（213-X）*机器周期；

式中X为TH．TL的设置值

注意：

在实际运算过程中，由于TL的高3位未用，一般应填写O，因此对实际的计算结果要进行调整。

如：

实际计算定时值X＝1111100000110B，调整后X＝1111100000000110B

图6　内部定时／计数器控制逻辑

例：

选择T1工作在方式0用于定时，晶振fosc＝6MHZ,要求在P1.1输出1ms方波。

分析：

由题意得定时器T1的定时时间为：

1ms／2＝500us

机器同期：

T=12／fosc＝12／6＊106＝2us

设定时器的初始值为X，则：

　　　　（213－X）＊2＝500

　　　　　　　X＝7942D＝1111100000110B＝1F06H

考虑到TL的高三位未用，用0或1来补上，则调整后的X值为：

　　　　　　　　　X=1111100000000110B＝F806H

结果：

TH1＝F8H；　TL1＝06H

程序设计：

　　　　ORG　2000H

　　　　START：

MOV　TMOD，　＃00H

MOV　TL1，＃06H

　　　　　　　　MOV　　TH1，＃0F8H

　　　　　　　　SETB　TR1

LP1：

JBC　TF1，LP2

AJMP　　LP1

LP2：

MOV　TL1，　＃06H

　　　　　　　MOV　TH1，　＃0F8H

　　　　　　　CPL　P1.1

　　　　　　　AJMPLP1

　　　　　　　END

2）、方式1

方式1在结构与操作上几乎与方式0相同，不同点有二：

一是工作方式设置，二是方式1是一个由高THX（8位）和低TLX（8位）共同组成的16位定时计数器。

定时／计数值＝（216－X）＊机器周期

3）、方式2

方式2是能重置初值的8位定时器／计数器，其结构如图7所示：

图7定时／计数器工作在方式2的结构

THX中放复置值，TLX放定时／计数值，通常将两者取同样大的数值

用定时器T1作计数器，工作在方式2，要求每计满100次，将P1.0端取反,试编制应用程序。

分析：

外部计数脉冲从P3.5输入,每跳变一次计数器加1

程序采用查询方式

确定工作方式值：

TMOD=60H

确定计数器初值：

X=28-100=156D=9CH

TH1=9CH；TL1=9CH

程序设计：

ORG1000H

START：

MOVTMOD,#60H

MOVTH1,#9CH

MOVTL1,#9CH

SETBTR1

DEL：

JBCTF1,REP

AJMPDEL

REP：

CPLP1.0

AJMPDEL

END

4）、方式3

方式3只适用于定时器T0。

定时器在方式3下被拆成两个独立的8位计数器TL0和TH0，如图8所示。

TL0占居了T0口的所有资源，TH0只能作简单的内部定时器使用，它占用T1口的TR1和TF1。

图8T0方式3结构

在定时器T0用做方式3时，T1仍可设置为方式0∽2，如图9所示：

（1）T0口在方式3下的控制

①TL0的控制

开启／停止：

TR0

溢出：

TF0

②TH0的控制

开启／停止：

TR1

溢出：

TF1

图9TO在方式3下T1口结构

（2）T0在方式3下的T1口控制

①T1工作在方式0或方式1下：

启动：

只要设置好工作方式，T1自动启动

停止：

送入一个设置定时器T1为方式3的方式字

输出：

定时／计数器输出送串行口

②T1工作在方式2下：

启动／停止方法与T1工作在方式0或方式1下相同。

它的输出也直接送串行口，通常把定时器T1设置为方式2作波特率发生器。

5、初始化

由于定时器／计数器的功能是由软件编程确定的，因此在使用定时／计数器前要对其进行初始化，使其按设定的功能工作。

1）、定时器／计数器初始化内容

①定时／计数器的工作方式：

依据要求定出TMOD的值

②预置定时／计数器初值：

给TH1．TL1或TH0．TL0赋值

③根据要求开放定时／计数器的中断：

对IE赋值

④启动定时／计数器

2）、实战训练

例：

晶振频率为6MHZ，使用T0作定时器，试编写在P1.3口输出秒脉冲方波程序。

分析:

A、确定TMOD的值：

TMOD=01H

B．求TH0和TL0的值：

取定时时间为125000μS，则8个定时时间等于1秒，计算定时器初值：

机器周期T=12×1/6×10-6=2μS

（216-X）×T=25000

X=6070=17B6H

TH0＝17H　　TL＝B6H

C．确定IE的值：

由题意知IE＝00H

D．启动定时／计数器：

用SETB　TR0来启动定时器。

E．程序设计：

程序流程图如右所示，程序如下：

　ORG4100H

START：

MOVTMOD，#01H

　MOVTH0，#17H

MOVTL0，#0B6H

SETBTR0

MOVR0，#08H

LOOP1：

JNBTF0，LOOP1

MOVTH0，#17H

MOVTL0，#0B6H

DJNZR0，LOOP1

CPLP1.3

LJMPLOOP0

END

6、应用

定时器是单片机应用系统中的重要部件,是实时控制系统中不可缺少的部分,灵活应用其不同的工作方式可提高编程技巧,减轻CPU负担,简化外围电路,下面介绍定时/计数器的应用:

1）、在多任务应用系统中用来定时／计数

单片机定时／计数器常用来作定时器或计数器使用，对于一个采用单片机作为控制核心的系统来说，采用定时器来定时／计数，既不要增加硬件投入，又具有定时准确等特点，同时不占用CPU资源。

2）、用来测量脉冲宽度

利用方式控制寄存器TMOD门控位GATE＝1时，允许外部输入电平控制启．停定时器这个特性，用定时器来测量外部输入脉冲的宽度。

实战训练：

分析如何测量图10所示的方波频率。

分析：

A．外部方波从单片机P3.2脚输入

B．单片机复位时，P3.2＝1，当检　　　图10　外部脉冲

测到P3.2＝0时，开启TR0，等一个P3.2＝1到来时开启定时器T0，P3.2＝0时关闭定时器T0。

C．根据定时器的定时值，计算方波的频率。

3）、在串行通信中作波特率发生器

当T0工作在方式3时，T1口工作在方式0．1．2下，T1定时／计数溢出直接送串行口的特点，定时器T1可以用来作串行通信的波特率发生器。

第二节单片机中断系统

1、中断

1）、与中断相关的几个概念

中断——程序在运行过程中，由于外界的原因，CPU暂停当前的处理转去执行紧急事件，待紧急事件执行完毕后再转回执行原程序。

中断源——引起中断的原因或触发中断请求的来源。

中断服务——中断之后执行的处理叫中断服务，对应的处理程序叫中断服务程序，原程序叫主程序。

中断系统——实现中断功能而设置的各种硬件和软件。

注意：

正确区分中断服务和调用子程序。

2）、引进中断技术的优点

①、分时操作

　　有了中断功能就能解决快速CPU与慢速外设之间的矛盾，可以使CPU和外设同时工作。

②、实时处理

　　在实时控制中，现场的各个参数．信息是随时间和现场情况不断变化的。

有了中断功能，外界的这些变化量可根据要求随时向CPU发出中断请求，要求CPU及时处理，CPU可以马上响应加以处理。

③、故障处理

计算机在运行过程中，出现一些事先无法预料的故障是难免的，例如电源突变．存储出错．运算溢出等，有了中断功能，计算机就能自行处理，而不必停机处理。

3）、中断源

①、外部中断：

INT0、INT1

单片机外部中断源有INT0、INT1，每个中断源有两种触发方式，一种是电平触发，另一种是脉冲触发方式。

具体的触发过程如下：

电平方式：

当INT0、INT1对应管脚出现低电平时有效。

脉冲方式：

在两个相邻机器周期中，检测到引脚由高电平到低电平时，表示有中断发生。

特别注意：

电平方式与脉冲方式的区别：

在电平触发方式，单片机在每个机器周期都将INT0（或INT1）的信号读入IE0（或IE1）中，如果送入8051的中断信号，未能及时检测到，就会漏掉中断要求。

脉冲方式不存在这个问题，但脉冲方式必须采用软件清除IE0（或IE1）。

②、定时／计数器中断：

T1，T2

单片机内部有两个定时计数器，当启用中断时，如果计数器有溢出，溢出信号去置位TF0（或TF1）标志位，作为单片机接受中断请求的标志。

③、串行中断：

当串行口发送和接收一组串行数据时，就产生一个中断请求。

④、中断优先权：

按中断的级别将中断分成不同的等级，并按优先权原则执行中断处理，CPU响应中断的顺序：

a、不同级别的中断源同时申请时按中断优先权执行；b、同级别的中断源同时申请时按事先安排的程序执行；c、在处理中断过程中，又有中断申请时，视其级别的高低，如果申请的级别高程序转向申请的中断，如果申请的级别低程序继续执行，直到结束再转向中断。

对80C51单片机来说，同一级别的中断按下顺序执行：

外部中断0定时/计数器T0T1外部中断1定时/计数器串行口

2、单片机中断系统

1）、单片机中断系统

单片机中断系统如图11所示：

2）、单片机中断入口地址

当有中断发生并且系统开放中断时，单片机将自动转入固定的入口地址，单片机的中断入口地址如表1所示：

表180C51单片机中断入口地址

中断源

入口地址

中断源

入口地址

外部中断0

0003H

T1溢出

001BH

T0溢出中断

000BH

串行口接收

0023H

外部中断1

0013H

串行口发送

0023H

3）、单片机中断控制

单片机的中断设置由下面的四个控制寄存器确定。

①中断充许寄存器IE

中断允许寄存器是一个SFR，地址为A8H，可以位寻址。

通过向IE写入中断控制字，实现CPU对中断的开放和屏蔽。

如图12所示：

EA：

中断允话控制位；

ES：

串行口中断；

ET1：

定时／计数器T1；

EX1：

外部中断1

ET0：

定时／计数器0；

图12中断允许数寄存器

EX0：

外部中断0；

②定时控制寄存器TCON

定时控制寄存器TCON也是SFR，字节地址为88H，可位寻址，位地址为88H－－8FH,用于控制定时器的操作与中断。

如图13所示：

图13定时控制寄存器

注意：

IT1．1T0：

是专门用来设置外部中断1和0的触发方式的，对于外部中断INT1．INT0来说，用不同的触发方式，中断过程是不一样的：

1T1＝0：

为低电平触发方式。

处于这种触发方式时，CPU响应中断后不能自动清除IE1标志，也不能由软件清除，因此在中断返回前发须撤消INT1引脚上的低电平，否则将再次响应中断。

IT0＝1：

为脉冲触发方式。

处于这种触发方式时，CPU响应中断后自动清除IE1。

对于IE0来说触发方式与IE1的触发方式一样。

③串行控制寄存器SCON

SCON是一个可位寻址的专用寄存器，用于串行数据通信的控制，单元地址为：

98H，位地址与位功能如表2所示：

表2位地址与位功能表

④中断优级控制寄存器IP

***PSPT1PX1PT0PX0

IP：

PX0------------外部中断0中断优先级控制位　　　

PT0-----------定时/计数器T0中断优先级控制位

PX1----------外部中断1中断优先级控制位

PT1----------定时/计数器T1中断优先级控制位

PS-----------串行口中断优先级控制位

3、中断处理过程

单片机在每一指令的S5P2期间，CPU采样各中断源，并设置相应的中断标志位。

CPU在下一个周期S6期间按优先级顺序查询各中断标志，如查询到某个中断标志为1，将在下一个机器周期S1期间按优先级进行中断处理。

中断处理过程分成三个阶段，即中断响应．中断处理和中断返回，如图14所示：

1）、中断响应

（1）、中断请求标志

IE0（外部中断0）——中断处理时，由硬件复位。

TF0（T0）——中断处理时，由硬件复位

IE1（外部中断0）——中断处理时，由硬件复位

TF1（T1）——中断处理时，由硬件复位

T1（发送标志）——中断处理时，由软件复位

R1（接收标志）——中断处理时，由软件复位　

（2）、中断响应

CPU响应中断的条件

①有中断源发出中断申请

②对应的中断开放图14中断处理

③CPU不是运行在中断服务程序；也不是处于执行RET1或者读写IE或IP指令期间，正在执行的指令要执行完成。

（3）、中断响应过程

CPU响应中断请求后，自动将当前的PC值压入椎栈然后程序转入约定的入口地址，开始执行中断服务程序。

2）、中断处理

中断处理又叫中断服务，程序从入口地址开始执行，直到返回指令RETI为止，这个过程称之为中断处理。

中断服务过程包含两部分内容：

一是保护现场，二是处理中断源的请求。

中断处理过程如图15所示：

①保护现场

将中断处理程序所用到的如累加器、通用寄存器等参数；入栈保护。

注意在入栈时应关中断，入栈完成后再开中断。

图15中断处理

②中断服务

处理中断事件，它是事先按中断要求编制的服务程序。

③恢复现场；

中断服务结束后，应立即关中断，恢复现场；恢复现

场结束后应立即开中断。

注意：

中断请求的撤除：

CPU响应中断请求后，在中断返回前，应撤消中断请求，否则会引起另一次中断对于定时器T0．T1．以及外部中断0或1工作在脉冲触发方式时，CPU响应中断后，会自动清除中断标志位；对于串行通信中断请求只能用软件清除；外部中断0或外部中断1工作在低电平触发方式时，只有改变触发电平，再配以软件才能清除中断请求。

中断响应的时间：

CPU不是在任何时候都能响应中断的，因此CPU响应中断的时间也不一样。

3）、中断返回

在中断处理完成后用RETI返回主程序指令。

4、中断系统扩展

1）、利用定时器扩展外部中断

让定时／计数器作计数器用，工作在方式2，定时器的定时值为＃0FFH当外部来一个脉冲，定时／计数器产生溢出，用定时／计数器的溢出作为中断请求标志，这样就可以增加两个外部中断源。

例如：

将定时器T0作为外部中断源的程序如下：

　　　　　MOV　TMOD，＃06H

　　　　　MOV　TL0，＃0FFH

　　　　　MOV　TH0，＃0FFH

　　　　　SETB　TR0

　　　　　SETB　EA

　　　　　SETB　ET0

　　　　　……………

2）、利用中断和查询结合法扩展外部中断

如图16所示，有多个外部中断，只用一个外部中断源，采用中断和查询相结合的方法解决外部多中断请求的问题：

解决问题的思路：

将外部信号通过非门后接在一起，作为外部中断信号，当CPU响应外部中断后，查询外部中断信号，根据外部中断信号转到相应服务程序，这样就实现了用一个外部中断源解决多个外部中断的问题。

中断服务程序设计：

中断服务程序：

CLR　EA

JB　P1.0,X10

JBP1.1,X11

JBP1.2,X12

JBP1.3,X13

ZDFH：

RETI

图16中断扩展

X10：

……………

　　　　　AJMP　ZDFH

　　　X11：

………………

　　　　　AJMP　ZDFH

　　　X12：

………………

　　　　　AJMP　ZDFH

　　　X13：

……………

　　　　　AJMP　ZDFH

5、中断系统应用实例

例1：

利用定时器T0定时，在P1.0端输出一方波，方波周期为20ms。

已知晶振频率为12MHZ。

解：

定时器T0工作在方式1，经计算定时器的初值为：

D8F0H

程序设计：

　　　　　　　　　　　　ORG　　0000H

　　　　　　　　　　　　LJMP　1000H

　　　　　　　　　　　　ORG　000BH

　　　　　　　　　　　　LJMP　2000H

　　　　　　　　　　　　ORG　1000H

　　　　　　　　1000H：

MOV　TMOD，＃01H

　　　　　　　　　　　MOV　TL0，＃0F0H

　　　　　　　　　　　MOV　TH0，＃0D8H

　　　　　　　　　　　MOV　IE，＃82H

　　　　　　　　　　　SETB　TR0

　　　　　　　　LOOP：

SJMP　LOOP

----------------------------------

ORG　2000H

MOV　TL0，＃0F0H

MOV　TH0，＃0D8H

CPL　　P1.0

RETI

END

例2：

单片机P1口的输出通过与非门接发光二极管，正常情况发光二极管从左到右点亮，现系统开发中断INT0，当有中断发生时，灯间隙闪烁16次。

试编制相关程序。

解：

系统采用软件定时，定时时间为1S，开发外部中断INT0。

程序设计：

主程序：

　　　　　　　　　　　　ORG　0000H

　　　　　　　　　　　　LJMP　1000H

　　　　　　　　　　　　ORG　0003H

　　　　　　　　　　　　LJMP　2000H

　　　　　　　　　　　　ORG　1000H

1000H：

SETB　EA

　　　　SETB　EX0

　　　　SETB　IT0

　　　　MOV　A，＃80H

LOOP：

MOV　P1，A

　　　　LCALL　1SMIN

　　　　RL　A

　　　　LJMP　　LOOP

子程序：

1SMIN：

MOV　R0，＃0FA

LOOP1：

MOV　R1，＃88H

LOOP2：

DJNZ　R1，LOOP2

　　　　DJNZ　R0，LOOP1

　　　　RET

中断服务程序：

　　　　ORG　2000H

　　　　MOV　R2，＃10H

LOOP3：

MOV　P1，＃55H

　　　　LCALL　1SMIN

　　　　MOV　P1，＃0AAH

　　　　LCALL　1SMIN

　　　　DJNZ　R2，LOOP3

　　　　RETI

　　　　END

第三节单