單片機數(shù)字邏輯門電路和定時器

不管是數(shù)字電路，還是C語言，我們都會經(jīng)常遇到邏輯運算和邏輯電路，在這里我介紹一下，大家先簡單了解一下，知道有這么回事，回頭遇到了，再詳細研究。

首先，在“邏輯”這個概念范疇內(nèi)，存在真和假這兩個邏輯值，而將其對應到數(shù)字電路或C語言中，就變成了“非0值”和“0值”這兩個值，即邏輯上的“假”就是數(shù)字電路或C語言中的“0”這個值，而邏輯“真”就是其它一切“非0值”。

然后，我們來具體分析一下幾個主要的邏輯運算符。我們假定有2個字節(jié)變量：A和B，二者進行某種邏輯運算后的結果為F。

以下邏輯運算符都是按照變量整體值進行運算的，通常就叫做邏輯運算符：

：邏輯與，F(xiàn) = A B，當A、B的值都為真(即非0值，下同)時，其運算結果F為真(具體數(shù)值為1，下同);當A、B值任意一個為假(即0，下同)時，結果F為假(具體數(shù)值為0，下同)。

||：邏輯或，F(xiàn) = A || B，當A、B值任意一個為真時，其運算結果F為真;當A、B值都為假時，結果F為假。

! ：邏輯非，F(xiàn) = !A，當A值為假時，其運算結果F為真;當A值為真時，結果F為假。

以下邏輯運算符都是按照變量內(nèi)的每一個位來進行運算的，通常就叫做位運算符：

：按位與，F(xiàn) = A B，將A、B兩個字節(jié)中的每一位都進行與運算，再將得到的每一位結果組合為總結果F，例如A = 0b11001100，B = 0b11110000，則結果F就等于0b11000000。

| ：按位或，F(xiàn) = A | B，將A、B兩個字節(jié)中的每一位都進行或運算，再將得到的每一位結果組合為總結果F，例如A = 0b11001100，B = 0b11110000，則結果F就等于0b11111100。

~ ：按位取反，F(xiàn) = ~A，將A字節(jié)內(nèi)的每一位進行非運算(就是取反)，再將得到的每一位結果組合為總結果F，例如，A = 0b11001100，則結果F就等于0b00110011;這個運算符我們在前面的流水燈實驗里已經(jīng)用過了，現(xiàn)在再回頭看一眼，是不是清楚多了。

^ ：按位異或，異或的意思是，如果運算雙方的值不同(即相異)則結果為真，雙方值相同則結果為假。在C語言里沒有按變量整體值進行的異或運算，所以我們僅以按位異或為例，F(xiàn) = A ^ B，A = 0b11001100，B = 0b11110000，則結果F就等于0b00111100。

我們今后要看資料或芯片手冊的時候，會經(jīng)常遇到一些電路符號，表1就是數(shù)字電路中的常用符號，知道這些符號有利于我們理解器件的邏輯結構，尤其重點認識以下表中的“國外流行圖形符號”。在這里我們先簡單看一下，后邊遇到了知道到這里查閱就可以了。

表1 數(shù)字邏輯門電路

二、定時器的學習

定時器是單片機的重點中的重點，但不是難點，大家一定要完全理解并且熟練掌握定時器的應用。

定時器的初步認識

時鐘周期：時鐘周期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，如果大家用的晶振是11.0592M，那么對于這個單片機系統(tǒng)來說，時鐘周期=1/11059200秒。

機器周期：我們的單片機完成一個操作的最短時間。機器周期主要針對匯編語言而言，在匯編語言下程序的每一條語句執(zhí)行所使用的時間都是機器周期的整數(shù)倍，而且語句占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單片機系列，在其標準架構下一個機器周期是12個時鐘周期，也就是12/11059200秒?，F(xiàn)在有不少增強型的51單片機，其速度都比較塊，有的1個機器周期等于4個時鐘周期，有的1個機器周期就等于1個時鐘周期，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單片機，所以我們后邊的課程如果遇到這個概念，全部是指12個時鐘周期。

這兩個概念了解即可，下邊就來我們的重頭戲，定時器和計數(shù)器。定時器和計數(shù)器是單片機內(nèi)部的同一個模塊，通過配置SFR(特殊功能寄存器)可以實現(xiàn)兩種不同的功能，我們大多數(shù)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(shù)器功能大家自己了解下即可。

顧名思義，定時器就是用來進行定時的。定時器內(nèi)部有一個寄存器，我們讓它開始計數(shù)后，這個寄存器的值每經(jīng)過一個機器周期就會加1一次，因此，我們可以把機器周期理解為定時器的計數(shù)周期。我們的秒表，每經(jīng)過一秒，數(shù)字加1，而這個定時器就是每過一個機器周期的時間，也就是12/11059200秒，數(shù)字加1。還有一個特別注意的地方，就是秒表是加到60后，秒就自動變成0了，這種情況在單片機和計算機里我們稱之為溢出。那定時器加到多少才會溢出呢?定時器有幾種模式，假如是16位的定時器，也就是2個字節(jié)，最大值就是65535，那么加到65535后，再加1就算溢出，如果有其他位數(shù)的話，道理是一樣的，對于51單片機來說，溢出后，這個值會直接變成0。從某一個初值，經(jīng)過計算確定的時間后溢出，這個過程就是其定時的含義。

定時器的寄存器描述

標準的51里邊只有定時器0和定時器1這兩個定時器，現(xiàn)在很多單片機也有多個定時器的，在這里我們先講定時器0和1。那么我前邊提到過，對于單片機的每一個功能模塊，都是由他的SFR，也就是特殊功能寄存器來控制。而和定時器有關的特殊功能寄存器，有以下幾個，大家不需要去記憶這些寄存器的名字和作用，你只要大概知道就行，用的時候，隨時可以查手冊，找到每個寄存器的名字和每個寄存器所起到的作用。

表2 定時值存儲寄存器

表3 TCON--定時器/計數(shù)器控制寄存器的位分配(地址：88H)

可位尋址;復位值：0x00;復位源：任何復位

表4 TCON--定時器/計數(shù)器控制寄存器的位描述

大家注意在表4中的描述中，只要寫到硬件置1或者清0的，就是指一旦符合條件，單片機自動完成的動作，只要寫軟件置1或者清0的，是指我們用程序去完成這個動作，后邊課程中不再做說明。

表2中的寄存器，是存儲計數(shù)器的計數(shù)值的，兩個字節(jié)的用于定時器1,兩個字節(jié)用于定時器0。

表3中有TF1、TR1、TF0、TR0這4位需要我們理解清楚。兩位定時器1的，兩位定時器0的，我們只解釋定時器1的，定時器0的同理。先看TR1，當我們程序中寫TR1 = 1以后，定時器值就會每經(jīng)過一個機器周期加1，當我們程序中寫TR1 = 0以后，定時器值就會保持不變化。TF1，這個是一個標志位，他的作用是告訴我們定時器溢出了。比如我們的定時器設置成16位的定時器，那么每經(jīng)過一個機器周期，TL1加1一次，當TL1加到255后，再加1，TL1變成0，TH1會加1一次，如此一直加到TH1和TL1都是255(即TH1和TL1組成的16位整型數(shù)為65535)以后，再加1一次，那么就會溢出，TH1和TL1同時都變?yōu)?，只要一溢出，TF1馬上自動變成1，告訴我們定時器溢出了，僅僅是提供給我們一個信號，讓我們知道定時器溢出了，它不會對定時器是否繼續(xù)運行產(chǎn)生任何影響。

表5 TMOD--定時器方式控制寄存器的位分配(地址 89H)

不可位尋址;復位值：0x00;復位源：任何復位

細心的同學會發(fā)現(xiàn)，TCON那個地方標注的是“可位尋址”，TMOD這里標注的是“不可位尋址”。這個地方的意思就是比如TCON有一位TR1，我們可以在程序中直接進行TR1 = 1;這樣操作。但是(T1)M1 = 1;這樣的操作就是錯誤的。我們要操作就必須一次操作一個字節(jié)，就是必須一次性對TMOD所有位操作，不能對其中某一位單獨進行操作。

表6 TMOD--定時器/計數(shù)器方式控制寄存器的位描述

表7 TMOD--定時器方式控制寄存器M1/M0工作模式

以上這4種模式的配置，其中模式0是為了兼容老的8048單片機而設的，現(xiàn)在的51幾乎不會用到這種模式，而模式3根據(jù)我的應用經(jīng)驗，他的功能模式2完全可以取代，所以基本上也是不用，那么我們重點就學習模式1和模式2。

模式1就是THn和TLn組成了一個16位的定時器，取值范圍是0到65535，溢出后，只要不對THn和TLn重新賦值，則從0開始計數(shù)。模式2的功能是自動裝載，就是TLn溢出后，TFn就直接置1了，并且THn的值直接賦給TLn，然后TLn從新賦值的這個數(shù)字開始計數(shù)。這個功能可以用來產(chǎn)生串口的通信波特率，我們講串口的時候要用到，本章節(jié)我們重點來學習模式1。為了加深大家理解這個定時器原理，我們來看一下他的模式1的電路示意圖1。

圖1 定時器/計數(shù)器模式1示意圖

我?guī)е蠹襾矸治鲆幌逻@個示意圖，后邊如果手冊中遇到，大家也就會自己研究了。OSC框表示時鐘頻率，因為我們1個機器周期等于12個時鐘周期，所以那個d就等于12。下邊GATA右邊的那個門是一個非門電路，再右側是一個或門，再往右是一個與門電路。

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和下邊或門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，那或門出來的信號必須也得是1才行。在GATE位為1的情況下，經(jīng)過一個非門變成0，或門電路結果要想是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(jīng)過一個非門變成1，不管INT0引腳是什么電平，經(jīng)過或門電路后則肯定是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，一個機器周期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引腳來一個脈沖，TL就加1一次，這也就是計數(shù)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。

三、定時器程序應用

了解了定時器相關的寄存器，那么我們下面就來做一個定時器的程序，鞏固一下我們學到的內(nèi)容。我們這節(jié)課的程序先使用定時器0，在使用定時器的時候，需要以下幾個步驟：

第一步：設置特殊功能寄存器TMOD，配置好工作模式;

第二步：設置計數(shù)寄存器TH0和TL0的初值;

第三步：設置TCON，通過打開TR0位來讓定時器開始計數(shù)。

第四步：判斷TCON寄存器的TF0位，監(jiān)測定時器溢出情況。

寫程序之前，我們要先來學會計算如何用定時器定時時間。我們以晶振是11.0592M為例講解，時鐘周期就是1/11059200，機器周期就是12/11059200，我們假如要定時20ms，就是0.02秒，要經(jīng)過x個機器周期得到0.02秒，我們來算一下x*12/11059200=0.02，得到x= 18432。那么我們現(xiàn)在16位的定時器溢出值是65536，我們可以這樣，先給TH0和TL0一個初值，讓他們經(jīng)過18432個機器周期后剛好溢出，溢出后我們可以通過檢測TF0位得知，就剛好是0.02秒。這個初值y = 65536 - 18432 = 47104，轉(zhuǎn)成16進制就是0xB800，那么就是TH0 = 0xB8，TL0 = 0x00。

那0.02秒我們已經(jīng)定時出來了，細心的同學會發(fā)現(xiàn)，我們?nèi)绻踔抵苯咏o一個0x0000，一直到65536溢出，定時器定時值最大也就是71ms左右，那么我們想定時更長時間怎么辦呢?用你小學學過的邏輯，倍數(shù)關系就可以解決此問題。

那好了，我們下面就用程序來實現(xiàn)以下這個功能。

#include //包含寄存器的庫文件

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; //設置定時器0為模式1

TH0 = 0xB8;

TL0 = 0x00; //定時值初值

TR0 = 1; //打開定時器0

while(1)

{

if(1 == TF0) //判斷定時器0是否溢出

{

TF0 = 0;

TH0 = 0xB8; //一旦溢出后，重新賦值

TL0 = 0x00;

counter++;

if(50 == counter) //判斷定時器0溢出是否達到50次

{

counter = 0; //counter清0，重新計數(shù)

LED = !LED; //LED取反操作，0-->1，1-->0

}

}

}

}

程序都有注釋，不難理解，這里要解釋一個地方，就是兩次if判斷，細心的同學會發(fā)現(xiàn)，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’=’號后，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件，可能根本不會出任何錯誤或者警告提示，但是這樣產(chǎn)生的Hex文件下載到單片機里邊，程序就錯了，大家可以改改試試看。

本程序?qū)崿F(xiàn)的結果是小燈點亮持續(xù)一秒，熄滅持續(xù)一秒，也就是以0.5HZ的頻率進行閃爍。