利用Keil C51实现T0精确定时-百合电子工作室

利用89C51设计一个简易日历时钟系统，时钟系统硬件主要由单片机控制的计时电路、复位等辅助电路、按键电路、数码管显示电路、电源系统等组成。日历时钟可以显示年、月、时、分、秒；可以设置年、月、时、分其中计时控制电路由AT89C51单片机控制；按键电路包含时间设置；时间显示屏电路由7个数码管组成；电源系统由小功率整流滤波稳压电路组成，输出直流电压5 V，向主电路及显示电路供电。系统框图如图1所示。

图1 日历时钟系统框图
在计时过程中，系统利用89C51自身的计时器T0作为时钟基准，计时器中断的准确度直接关系到整个系统的精度，因此获取精确的定时时钟信号成为该系统的关键。MCS-51单片机内有2个可编程的16位定时器/计数器，在本系统设计中采用AT89C51的定时器T0，并工作在方式1下，晶振频率为12 MHz。

1 T0定时中断
定时器/计数器T0工作方式1的电路逻辑结构如图2所示。T0定时特性功能寄存器由TL0(低8位)和TH0(高8位)构成。特殊功能寄存器TMOD控制定时寄存器的工作方式；TCON则用于控制定时器T0和T1的启动和停止计数，同时管理定时器T0和T1的溢出标志等。程序开始时需对TL0和TH0进行初始化编程，以定义它们的工作方式，并控制T0和T1的计数。在系统的设计中，计时单位以s为基准，并要求日误差≤10 s，如果用循环去做，无法满足精度要求。选用12 MHz的晶体可得到1 s的精度，经分析确定使用定时器0的方式1。这个方式下，定时器0是16位定时器，也就是最大定时值为FFFFH，12 MHz晶体的每个定时周期为1 s，最多可以定时FFFFH×1 s=65635 us，即使使用最大值也无法一次定时1 s，设计中使用1次定时20 ms，50次定时中断得到1 s。20 ms定时中断的定时值为：FFFFH-20 ms/1 s= B1DFH。

图2 定时器/计数器工作方式1逻辑结构

2 程序测试与调整
在Keil uVision3平台下利用C语言实现如下代码：

#include<reg52.h>
#define uchar unsigned char
uchar data MScond= 0;//ms
uchar data Scond= 0; //s
uehar data M inute= 0;//min
uchar data Hour= 0;//h
void main(void)
{
EA =1; //允许CPU中断
ET0 = 1; //定时器0中断打开
TMOD =0x1; //设定时器0为方式1
TH0= 0xB1;
TL0= 0xDF; //设定时值为20 000 us(20 ms)
TR0 = 1; //开始定时
while(1);
}
void Time0(void) interrupt 1 using 1
{
TH0=0xB1; //20 ms断点 (1)
TL0=0xDF; //设定时值
MScond= MScond+ 1;
if(MScond == 50)
{
MScond=0;
Scond= Scond+ 1;
if(Scond == 60)
{
Scond=0;
Minute=Minute+1; //分断点 (2)
if(Minute == 60)
{
Minute=0;
Hour=Hour+1; //d,时断点 (3)
if(Hour == 24)
{
Hour=0;
}
}
}
}
}

    首先调试每20 ms中断时的精度，在选项中设定调试晶振为12 MHz，在(1)处设置一个断点再运行，这时记录下每次中断时的时间，如图3所示。在初始化中费时为551 s，每一次中断时间应该考虑该项的影响。在实际处理中可以利用两次中断时间的差来作为定时器的中断时
间间隔。
    通过测试，得到第一次为0.020 568 00 s，第二次为0.040 580 00 s，第三次为0．060 592 00 s。可以看出，每中断一次会比定时值长了12 s。如果将断点设定在(2)处，并通过Logic Analyzer tool，得到分钟第一次中断的时间为60.036 57 S，第二次中断的时间为120.072 57 s，则每分钟的实际时间为60.036 S。再将断点设定在(3)处，得到小时第一次中断的时间为3 602.160 576 S，第二次中断的时间为7204.320 576 S，可以得到小时的实际时间为3602.16 S，如图4所示。
    为什么会产生这些误差呢?通过对中断程序的汇编源码进行分析，实际上中断程序入堆栈时使用了两条语句：PUSH ACC和PUSH PSW。执行人栈指令花费了4个机器周期，加上重新对TH0和TL0的加载又用去2个机器周期，计数值加1花费了2个机器周期，中断返回约4个机器周期共约12个机器周期。为了消除这些因素的影响，需要在对T0设置计数值时减去12个机器周期，将计算得到的初始值B1DFH加上12(0CH)得到：B1DFH+12=B1EBH作为新的定时器初值，修改后的程序为：

#include<reg52.h>
#define uchar unsigned char
uchar data MScond=0; //ms
uchar data Scond=0; //s
uchar data Minute=0; //min
uchar data Hour=0; //h
void main(void)
{
EA = 1; //允许CPU 中断
ET0= 1; //定时器0中断打开
TMOD = 0x1; //设定时器0为方式1
TH0= 0xB1;
TL0=0xEB; //设定时值为20 000 (20 ms)减去12
TR0= 1; //开始定时
while(1);
}
void Time0(void) interrupt 1 using 1
{
TH0=0xB1; //20 ms断点 (1)
TL0=0xDF; //设定时值
MScond= MScond+ 1;
if(MScond == 50)
{
MScond=0;
Scond= Scond+ 1;
if rScond == 60)
{
Scond=0;
Minute=Minute+1; //分断点 (2)
if(Minute == 60)
{
Minute=0;
Hour=Hour+1; //时断点 (3)
if(Hour == 24)
{
Hour=0；
}
}
}
}
}

重新调试程序，仍然在选项中设定调试晶振为12 MHz，重新测试20 ms定时器的实际时间，在(1)处设置一个断点后运行，重新记录下每次中断时的时间，如图5所示。初始化时间为556 s，为消除其影响，使用两次中断时间间隔来作为定时器实际获得的基准时钟。得到一次中断时的时间为0.020 556 00 S,第二次为0.040 556 000,第二次为0.060 556 00 s，可以看出每次中断间隔刚好20 ms。如果将断点设定在(2)处．并通过Logic Analyzer tool，得到第一次中断时时间为60.000 57 s,第二次为120.000 57 s，间隔刚好60 s。将断点设定在(3)处,得到第一次中断的时间为3600.000 578 s，第二次中断时间为7200.000 578 s，时间间隔为3 600 s，测试结果如图6所示，完全可以满足系统设计的需要。

3 总结
通过对定时器的误差分析和校正．可以提高系统的精确度。当然．上面的分析是在软环境下理想晶振频率下实现的，在现实中会因晶振偏差等因素而造成误差。在该测试中，主程序没有进行其他处理，而在日历设计中还要涉及到计时器T1的中断来完成对扫描显示电路的处理，还包括外部中断对时钟进行了调整，加上一些闹钟功能，这必然会对T0的定时精确性产生影响。另外．当中断程序中语句越多，占用的机器周期也越多，因此在设计中应充分利用Keil uVision3的分析工具，通过多次调整计数初值以获取精确的时钟信号，这对于要求精确时钟信号的应用具有重要的意义。