利用Keil C51實現T0精確定時

    利用89C51設計一個簡易日曆時鐘系統，時鐘系統硬體主要由單片機控制的計時電路、複位等輔助電路、按鍵電路、數碼管顯示電路、電源系統等組成。日曆時鐘可以顯示年、月、時、分、秒；可以設置年、月、時、分 其中計時控制電路由AT89C51單片機控制；按鍵電路包含時間設置；時間顯示屏電路由7個數碼管組成；電源系統由小功率整流濾波穩壓電路組成，輸出直流電壓5 V，向主電路及顯示電路供電。系統框圖如圖1所示。
 
圖1 日曆時鐘系統框圖
    在計時過程中，系統利用89C51自身的計時器T0作為時鐘基準，計時器中斷的準確度直接關係到整個系統的精度，因此獲取精確的定時時鐘信號成為該系統的關鍵。MCS-51單片機內有2個可編程的16位定時器/計數器，在本系統設計中採用AT89C51的定時器T0，並工作在方式1下，晶振頻率為12 MHz。

1 T0定時中斷
    定時器/計數器T0工作方式1的電路邏輯結構如圖2所示。T0定時特性功能寄存器由TL0(低8位)和TH0(高8位)構成。特殊功能寄存器TMOD控制定時寄存器的工作方式；TCON則用於控制定時器T0和T1的啟動和停止計數，同時管理定時器T0和T1的溢出標誌等。程序開始時需對TL0和TH0進行初始化編程，以定義它們的工作方式，並控制T0和T1的計數。在系統的設計中，計時單位以s為基準，並要求日誤差≤10 s，如果用循環去做，無法滿足精度要求。選用12 MHz的晶體可得到1 s的精度，經分析確定使用定時器0的方式1。這個方式下，定時器0是16位定時器，也就是最大定時值為FFFFH，12 MHz晶體的每個定時周期為1 s，最多可以定時FFFFH×1 s=65635 us，即使使用最大值也無法一次定時1 s，設計中使用1次定時20 ms，50次定時中斷得到1 s。20 ms定時中斷的定時值為：FFFFH-20 ms/1 s= B1DFH。
 
圖2 定時器/計數器工作方式1邏輯結構

2 程序測試與調整
在Keil uVision3平台下利用C語言實現如下代碼：
#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; //允許CPU中斷
ET0 = 1; //定時器0中斷打開
TMOD =0x1; //設定時器0為方式1
TH0= 0xB1;
TL0= 0xDF; //設定時值為20 000 us(20 ms)
TR0 = 1; //開始定時
while(1);
}
void Time0(void) interrupt 1 using 1
{
TH0=0xB1; //20 ms斷點 (1)
TL0=0xDF; //設定時值
MScond= MScond+ 1;
if(MScond == 50)
{MScond=0;
Scond= Scond+ 1;
if(Scond == 60)
{Scond=0;
Minute=Minute+1; //分斷點   (2)
if(Minute == 60)
{Minute=0;
Hour=Hour+1; //d,時斷點   (3)
if(Hour == 24)
{ Hour=0; }}}}
    首先調試每20 ms中斷時的精度，在選項中設定調試晶振為12 MHz，在(1)處設置一個斷點再運行，這時記錄下每次中斷時的時間，如圖3所示。在初始化中費時為551 s，每一次中斷時間應該考慮該項的影響。在實際處理中可以利用兩次中斷時間的差來作為定時器的中斷時
間間隔。
    通過測試，得到第一次為0.020 568 00 s，第二次為0.040 580 00 s，第三次為0．060 592 00 s。可以看出，每中斷一次會比定時值長了12 s。如果將斷點設定在(2)處，並通過Logic Analyzer tool，得到分鐘第一次中斷的時間為60.036 57 S，第二次中斷的時間為120.072 57 s，則每分鐘的實際時間為60.036 S。再將斷點設定在(3)處，得到小時第一次中斷的時間為3 602.160 576 S，第二次中斷的時間為7204.320 576 S，可以得到小時的實際時間為3602.16 S，如圖4所示。
    為什麼會產生這些誤差呢?通過對中斷程序的彙編源碼進行分析，實際上中斷程序入堆棧時使用了兩條語句：PUSH ACC和PUSH PSW。執行人棧指令花費了4個機器周期，加上重新對TH0和TL0的載入又用去2個機器周期，計數值加1花費了2個機器周期，中斷返回約4個機器周期共約12個機器周期。為了消除這些因素的影響，需要在對T0設置計數值時減去12個機器周期，將計算得到的初始值B1DFH加上12(0CH)得到：B1DFH+12=B1EBH作為新的定時器初值，修改後的程序為：
#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; //允許CPU 中斷
ET0= 1; //定時器0中斷打開
TMOD = 0x1; //設定時器0為方式1
TH0= 0xB1;
TL0=0xEB; //設定時值為20 000 (20 ms)減去12
TR0= 1; //開始定時
while(1);
}
void Time0(void) interrupt 1 using 1
{TH0=0xB1; //20 ms斷點 (1)
TL0=0xDF; //設定時值
MScond= MScond+ 1;
if(MScond == 50)
{MScond=0;
Scond= Scond+ 1;
if rScond == 60)
{Scond=0;
Minute=Minute+1; //分斷點 (2)
if(Minute == 60)
{Minute=0;
Hour=Hour+1; //時斷點 (3)
if(Hour == 24)
{ Hour=0；}}}}
    重新調試程序，仍然在選項中設定調試晶振為12 MHz，重新測試20 ms定時器的實際時間，在(1)處設置一個斷點后運行，重新記錄下每次中斷時的時間，如圖5所示。初始化時間為556 s，為消除其影響，使用兩次中斷時間間隔來作為定時器實際獲得的基準時鐘。得到一次中斷時的時間為0.020 556 00 S,第二次為0.040 556 000,第二次為0.060 556 00 s，可以看出每次中斷間隔剛好20 ms。如果將斷點設定在(2)處．並通過Logic Analyzer tool，得到第一次中斷時時間為60.000 57 s,第二次為120.000 57 s，間隔剛好60 s。將斷點設定在(3)處,得到第一次中斷的時間為3600.000 578 s，第二次中斷時間為7200.000 578 s，時間間隔為3 600 s，測試結果如圖6所示，完全可以滿足系統設計的需要。

3 總結
    通過對定時器的誤差分析和校正．可以提高系統的精確度。當然．上面的分析是在軟環境下理想晶振頻率下實現的，在現實中會因晶振偏差等因素而造成誤差。在該測試中，主程序沒有進行其他處理，而在日曆設計中還要涉及到計時器T1的中斷來完成對掃描顯示電路的處理，還包括外部中斷對時鐘進行了調整，加上一些鬧鐘功能，這必然會對T0的定時精確性產生影響。另外．當中斷程序中語句越多，佔用的機器周期也越多，因此在設計中應充分利用Keil uVision3的分析工具，通過多次調整計數初值以獲取精確的時鐘信號，這對於要求精確時鐘信號的應用具有重要的意義。