《單片機系統(tǒng)設計仿真與應用》課件第4章

4.1中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理4.2定時/計數(shù)器的結(jié)構(gòu)及工作4.3中斷與定時器應用設計4.4小結(jié)

習題

4.1.1MCS-51中斷系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

圖4-1所示為MCS-51中斷系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，圖中包括5個中斷請求源，4個用于中斷控制和管理的可編程和可位尋址的特殊功能寄存器：中斷請求源標志寄存器(TCON及SCON)、中斷允許控制寄存器(IE)和中斷優(yōu)先級控制寄存器(IP)。4.1中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理圖4-1中斷系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)4.1.2中斷請求

中斷源是引起中斷的原因或發(fā)出中斷請求的中斷來源。在MCS-51單片機中有五個中斷源，分為三類：外部中斷、定時器/計數(shù)器中斷、串行口中斷。

1)外部中斷

2)定時器/計數(shù)器中斷

3)串行口中斷4.1.3中斷控制

8051單片機中，中斷請求信號的鎖存、中斷源的屏蔽、中斷優(yōu)先級控制等都是由相關(guān)專用寄存器實現(xiàn)的。

1．定時器/計數(shù)器控制寄存器TCON

TCON字節(jié)地址為88H，是可位尋址的特殊功能寄存器，其位地址為88H～8FH。寄存器的位地址及格式如下：2．串行口控制寄存器SCON

SCON字節(jié)地址為98H，是可位尋址的特殊功能寄存器，其位地址為98H～9FH。寄存器的位地址及格式如下：

3．中斷允許寄存器IE

IE字節(jié)地址為A8H，是可位尋址的特殊功能寄存器，其位地址為A8H～AFH。MCS-51單片機對中斷的開放或屏蔽，均是由片內(nèi)的中斷允許寄存器IE控制的。

寄存器的位地址及格式如下：

4．中斷優(yōu)先級寄存器IP

IP字節(jié)地址為B8H，是可位尋址的特殊功能寄存器，其位地址為B8H～BFH。

寄存器的位地址及格式如下：

5．中斷約定

MCS-51單片機中斷系統(tǒng)規(guī)定：

(1)若CPU正在對某一個中斷服務，則級別低的或同級中斷申請不能打斷正在進行的服務；而級別高的中斷申請則能中止正在進行的服務，使CPU轉(zhuǎn)去更高級的中斷服務，待服務處理完畢后，CPU再返回原中斷服務程序繼續(xù)執(zhí)行。

(2)若多個中斷源同時申請中斷，則級別高的優(yōu)先級先服務。

(3)若同時收到幾個同一級別的中斷請求時，中斷服務取決于系統(tǒng)內(nèi)部輔助優(yōu)先順序。在每個優(yōu)先級內(nèi)，存在著一個輔助優(yōu)先級，其優(yōu)先順序如圖4-2所示。圖4-28051內(nèi)部中斷優(yōu)先級4.1.4中斷響應

1．CPU響應中斷的條件及過程

MCS-51單片機在每個機器周期順序采樣各中斷請求標志位，如有置位，且下列三種情況都不存在，那么在下一周期響應中斷；否則，CPU不能立即響應中斷。

各中斷源所對應的中斷服務程序的入口地址如表4-1所示。表4-1中斷服務程序入口地址

2．中斷請求的撤除

3．外部中斷的響應時間

如果中斷請求遇到了上面所列三種情況之一，使CPU不能立即響應中斷時，則中斷響應的時間將更長。如果正在執(zhí)行的指令沒有執(zhí)行到該指令的機器周期，所需的額外的等待時間不會多于3個機器周期(乘法指令和除法指令是最長的指令，需4個機器周期)。如果正在處理的指令為RETI或訪問IE、IP的指令，額外的等待時間不會多于5個機器周期(執(zhí)行這些指令最多需一個機器周期，再執(zhí)行一條指令最多為4個機器周期)。由此看來，外部中斷響應時間總是3～8個機器周期(不包括等待中斷服務程序處理情況在內(nèi))。4.2.1定時/計數(shù)器的結(jié)構(gòu)

MCS-51單片機內(nèi)部有兩個16位的可編程定時器/計數(shù)器，稱為定時器0(T0)和定時器1(T1)，可編程選擇其作為定時器用或作為計數(shù)器用。此外，工作方式、定時時間、計數(shù)值、啟動、中斷請求等都可以由程序設定，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。4.2定時/計數(shù)器的結(jié)構(gòu)及工作原理圖4-38051定時器/計數(shù)器邏輯結(jié)構(gòu)圖4.2.2定時器/計數(shù)器的工作方式

1．工作方式寄存器TMOD

TMOD字節(jié)地址為89H，是不可位尋址的特殊功能寄存器。寄存器的位地址及格式如下：

?M1和M0：方式選擇位。其定義如表4-2所示。表4-2定時器工作方式選擇

2．控制寄存器TCON

TCON前面已經(jīng)介紹過，該寄存器可位尋址，它的作用是控制定時器的啟動、停止，標志定時器的溢出和中斷情況。其格式如下：

3．工作方式

通過對TMOD寄存器中M0、M1位進行設置，可選擇下述四種工作方式。

1)方式0

方式0構(gòu)成一個13位定時器/計數(shù)器。圖4-4是定時器0在方式0時的邏輯電路結(jié)構(gòu)，定時器1的結(jié)構(gòu)和操作與定時器0完全相同。圖4-4T0(或T1)方式0時的邏輯電路結(jié)構(gòu)圖

【例4-1】

用定時器1方式0實現(xiàn)1?s的延時。

2)方式1

定時器工作于方式1時，其邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖4-5所示。

【例4-2】

用定時器1方式1實現(xiàn)1?s的延時。圖4-5T0(或T1)方式1時的邏輯結(jié)構(gòu)圖圖4-6T0(或T1)方式2時的邏輯結(jié)構(gòu)圖

【例4-3】

試用定時器1方式2實現(xiàn)1?s的延時。

4)方式3

定時器/計數(shù)器工作于方式3時，其邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖4-7所示。圖4-7T0(或T1)方式3時的邏輯結(jié)構(gòu)圖

【例4-4】

用定時器T0方式3實現(xiàn)1?s的延時。

4．定時器應用步驟

(1)向TMOD寫工作方式控制字；

(2)向計數(shù)器TLx、THx裝入初值；

(3)置TRx=1，啟動計數(shù)；

(4)置ETx=1，允許定時/計數(shù)器中斷(也可采用查詢方式)；

(5)置EA=1，CPU開中斷。4.3.1原理圖設計與說明

本章使用的電路原理圖如圖4-8所示。4.3中斷與定時器應用設計(a)頂層原理圖(b)?LED_KEY子圖圖4-8電路原理圖4.3.2秒表設計

1．設計要求

(1)結(jié)果在數(shù)碼管的后4位顯示。

(2)可通過1個按鍵控制秒表的啟動、暫停、清零，即按一次啟動、再按一次暫停、按第3次清零，按第4次再從啟動開始，從而進行啟動、暫停、清零的循環(huán)。

程序設計流程圖如圖4-9所示。圖4-9秒表設計程序流程圖

2．設計說明

定時器/計數(shù)器既可用作定時亦可用作計數(shù)，而且其應用方式非常靈活。

3．設計源碼

秒表設計的完整源程序包括兩個文件：main.c文件和timer_int.c文件，如例4-5和例4-6所示。

【例4-5】main.c文件。#include<reg51.h>

#defineucharunsignedchar

//全局變量聲明

externucharclock[2]; //秒表計時值

//以下為函數(shù)聲明

voidled_7s(uchar,uchar);

ucharkeyscan(void);

voidinit_8255(void);

voidinit_timer(void);voidmain(void)

{

uchartmp,cnt=-1,disp=0xff;

init_8255(); //8255初始化

init_timer(); //定時器初始化

//按0號對秒表進行控制

while(1)

{ if((tmp=keyscan())!=0xff)disp=tmp //如果有按鍵按下,則保存該鍵值

if(disp!=0xff)led_7s(0x08,disp);

if(tmp==0)

{

cnt=(cnt+1)%3; //cnt取值為0,1,2

if(cnt==0) //計時 {

TR0=1;

}

elseif(cnt==1) //暫停

{

TR0=0;

//定時器0初值設定 }

elseif(cnt==2) //清0

{

clock[0]=0;clock[1]=0;

}

} led_7s(0xc,clock[1]/10);

led_7s(0xd,clock[1]%10);

led_7s(0xe,clock[0]/10);

led_7s(0xf,clock[0]%10);

}

}【例4-6】timer_int.c文件。

#include<reg51.h>

#include<absacc.h>

#include<intrins.h>

#defineucharunsignedchar

//定義全局變量

ucharclock[2]={0,0};

//以下為函數(shù)聲明

voiddelay(ucharx);//下面地址定義中包含使能138芯片的信息

#definePA8255XBYTE[0x80fc]//8255端口A的地址

#definePB8255XBYTE[0x80fd]//8255端口B的地址

#definePC8255XBYTE[0x80fe]

//8255端口C的地址

#defineCOM8255XBYTE[0x80ff]//8255命令字的地址

/************8255初始化代碼************************/

voidinit_8255(void)

{

COM8255=0x81;//8255命令字，PA/PB均為輸出,PC低4位輸入,高4位輸出/************定時器初始化代碼************************/

voidinit_timer(void)

{

MOD=0x01; //T0為16位定時器

E=0x82; //開中斷,T0中斷

TH0=-10000/256;TL0=-10000%256; //定時器0初值設定

}/************七段數(shù)碼管項目代碼***********************/

//該函數(shù)帶2個參數(shù),?x為位控,?y為段控

voidled_7s(ucharx,uchary)

{

ucharled_table[16]={0x3f,0x6,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x7,0x7f,0x6f,

0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};//0～F共16個數(shù),用于段控 PB8255=(PB8255&0xf0)|x; //在驅(qū)動位選時不影響PB高4位的狀態(tài)

PA8255=led_table[y];

delay(1);

}

/*********************按鍵處理函數(shù)********************/

//鍵盤從左到右從上到下的鍵值依次為://0,1,2,3

//4,5,6,7

//8,9,10,11

//12,13,14,15

ucharkeyscan(void)

{

ucharscode,rcode,keyvalue,keycode;PB8255=PB8255&0xf7;

//關(guān)閉所有數(shù)碼管,第4個管腳控制138不使能端

PC8255=0x0f; //使PC高4位為低電平,低4位為高電平

keyvalue=0; //無鍵按下時,鍵值為0

if((PC8255&0x0f)!=0x0f)

{

delay(2); //延時2ms消抖

PC8255=0x0f;

if((PC8255&0x0f)!=0x0f)

{scode=0xef;

while((scode&0x01)!=0)

//此while語句使PC高4位依次為低電平

{

PC8255=scode;

if((PC8255&0x0f)!=0x0f)

{

rcode=(PC8255&0x0f)|0xf0;

keyvalue=~rcode|~scode; //有鍵按下時,取得鍵值

}else

scode=_crol_(scode,1); //sccode左移1位

}

}

}

//下面swithc語句對鍵值進行編碼

switch(keyvalue)

{ case0:keycode=0xff;break;

case0x11:keycode=0;break;

case0x12:keycode=1;break;

case0x14:keycode=2;break;

case0x18:keycode=3;break;

case0x21:keycode=4;break;

case0x22:keycode=5;break;

case0x24:keycode=6;break;

case0x28:keycode=7;break; case0x41:keycode=8;break;

case0x42:keycode=9;break;

case0x44:keycode=10;break;

case0x48:keycode=11;break;

case0x81:keycode=12;break;

case0x82:keycode=13;break;

case0x84:keycode=14;break;

case0x88:keycode=15;break;

}

//下面這兩句作用：等待按鍵釋放PC8255=0x0f;

//使PC高4位為低電平,低4位為高電平

while((PC8255&0x0f)!=0x0f);

returnkeycode;

}

/***********定時器中斷服務程序***************/

//T0：一次定時0.1?ms

voidTimer0_Int(void)interrupt1using1

{ TH0=-10000/256;TL0=-10000%256; //定時器0初值設定

clock[0]++;

if(clock[0]==100)

{

clock[0]=0;

clock[1]++;

if(clock[1]==60)clock[1]=0;

}

}/***************延時x毫秒*****************/

voiddelay(ucharx)//設晶體振蕩器的頻率為11.0592?MHz

{uchark;

while(x--) //延時大約x毫秒

for(k=0;k<125;k++){}

}

4．仿真結(jié)果

將例4-5和例4-6在Keil軟件中編譯生成?.hex文件，然后下載到單片機中。隨后運行仿真，仿真結(jié)果如圖4-10和圖4-11所示。圖4-10按0號鍵1次后的計時狀態(tài)圖4-11按0號鍵3次后的計時狀態(tài)4.3.3可調(diào)頻率方波設計

1．設計要求

(1)可產(chǎn)生1～6?kHz的方波信號，占空比為50%。

(2)頻率可調(diào)，可調(diào)步進為1?kHz。通過一個按鍵實現(xiàn)，每按一次鍵頻率增加1?kHz，當增加到最大頻率后，再返回從最小頻率開始。

(3)通過喇叭播放相應頻率的聲音。

圖4-12所示為可調(diào)頻率方波的程序流程圖。圖4-12可調(diào)頻率方波程序流程圖

2．設計說明

首先根據(jù)題目要求，計算1?kHz、2?kHz、3?kHz、4?kHz、5?kHz、6?kHz等各種頻率所需的定時初值。

使用8255A的PB4口輸出方波信號，一方面可用示波器觀察輸出波形，另一方面還可以通過喇叭的聲音來了解頻率的變化。

3．設計源碼

產(chǎn)生可調(diào)頻率方波的源程序包括兩個文件：main.c文件和timer_int.c文件，如例4-7和例4-8所示。其中main.c文件中調(diào)用了led_7s函數(shù)、keyscan函數(shù)以及delay函數(shù)，這些函數(shù)的源碼見例4-6?！纠?-7】main.c文件。

#include<reg51.h>

#defineucharunsignedchar

//全局變量聲明

ucharcnt=-1; //用于調(diào)整定時參數(shù)//以下為函數(shù)聲明

voidled_7s(uchar,uchar);

ucharkeyscan(void);

voiddelay(ucharx);

voidinit_8255(void);

voidinit_timer(void);voidmain(void)

{

uchartmp,disp=0xff;

init_8255(?);//8255初始化

init_timer(?);//定時器初始化

//按3號鍵控制產(chǎn)生相應頻率的方波

while(1)

{ if((tmp=keyscan())!=0xff)disp=tmp;

//如果有按鍵按下,則保存該鍵值

if(disp!=0xff)led_7s(0x08,disp);

if(tmp==3)

{

cnt=(cnt+1)%6; //cnt取值為0,1,2,3,4,5

if(cnt==0)

{

TH0=-250;TL0=-250; //定時器0初值設定 }

else

{

TH0=-250*2/(cnt+1);TL0=-250*2/(cnt+1); //定時器0初值設定

}

TR0=1;

}

}

}【例4-8】timer_int.c文件。

#include<reg51.h>

#include<absacc.h>

#include<intrins.h>

#defineucharunsignedchar

//定義全局變量

externucharcnt;

//以下為函數(shù)聲明

voiddelay(ucharx);//下面地址定義中包含使能138芯片的信息

#definePA8255XBYTE[0x80fc]//8255端口A的地址

#definePB8255XBYTE[0x80fd]//8255端口B的地址

#definePC8255XBYTE[0x80fe]//8255端口C的地址

#defineCOM8255XBYTE[0x80ff]//8255命令字的地址

/************8255初始化代碼************************/

voidinit_8255(void)

{ COM8255=0x81; //8255命令字,PA/PB均為輸出,PC低4位輸入,高4位輸出

}

/************定時器初始化代碼************************/

voidinit_timer(void)

{

TMOD=0x02;//T0為可預置初值的8位定時器

IE=0x82; //開中斷,T0中斷

}/************T0中斷服務例程***********************/

//T0：一次定時0.5?ms，2次為1?ms

voidTimer0_Int(void)interrupt1using1

{

staticucharcnt1=0;

if(cnt==0)

{

if(++cnt1==2) {

cnt1=0; PB8255=PB8255^0x10; //產(chǎn)生方波

}

}

else

PB8255=PB8255^0x10; //產(chǎn)生方波

}

4．仿真結(jié)果

啟動仿真，仿真結(jié)果如圖4-13所示。

圖4-13是第2次按了3號鍵后示波器的顯示結(jié)果。

對示波器得到的波形進行測量，測量圖形如圖4-14所示。圖4-13可調(diào)頻率方波設計仿真波形圖4-14方波周期(頻率)的測量4.3.4頻率計設計

1．設計要求

(1)可以測量任何信號的頻率，信號通過P3.5引腳引入。

(2)不需要按鍵控制，動態(tài)測量輸入的頻率值。

(3)由定時器0產(chǎn)生特定頻率的方波，并將該方波接入P3.5引腳測量其頻率，觀察產(chǎn)生的頻率與測得的頻率是否一致。

(4)測周期性信號的正脈沖寬度，進一步結(jié)合頻率值求出占空比。

2．設計說明

本節(jié)僅完成設計要求(1)，其他要求由讀者自行設計完成。本節(jié)采用頻率測量法，在1?s時間內(nèi)對被測信號脈沖進行計數(shù)，計數(shù)值即為頻率。

圖4-15為頻率計程序流程圖。圖4-15頻率計程序流程圖

3．設計源碼

設計源碼包括兩個文件：main.c文件和timer_int.c文件，如例4-9和例4-10所示。其中，main.c文件中調(diào)用了led_7s函數(shù)、keyscan函數(shù)以及delay函數(shù)，這些函數(shù)的源碼見例4-6。

【例4-9】main.c文件。

#include<reg51.h>

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

//全局變量聲明

externuintfreq; //頻率值

externbitflag; //標志//以下為函數(shù)聲明

voidled_7s(uchar,uchar);

ucharkeyscan(void);

voidspeaker(void);

voidrelay(bit);

voiddelay(ucharx);

voidinit_8255(void);

voidinit_timer(void);voidmain(void)

{

uchartmp,disp=0xff;

init_8255(); //8255初始化

init_timer(); //定時器初始化

speaker(); //喇叭工作

//按2號鍵開始測頻，測量完后顯示頻率

while(1)

{ if((tmp=keyscan())!=0xff)disp=tmp; //如果有按鍵按下,則保存該鍵值

if(disp!=0xff)led_7s(0x08,disp);

if(disp==0)

{ //第1個按鍵控制繼電器工作

relay(1);

}

elseif(disp==1) //第2個按鍵控制喇叭發(fā)聲，按后發(fā)聲

{ speaker();

relay(0);

}

elseif((disp==2)&&(flag==0))

{ //第3個按鍵頻率量測量

TR0=1;TR1=1;

}

elseif((disp==2)&&(flag==1))

{ led_7s(0x0b,freq/10000);

led_7s(0x0c,freq/1000%10);

led_7s(0x0d,freq/100%10);

led_7s(0x0e,freq/10%10);

led_7s(0x0f,freq%10);

}

}

}【例4-10】timer_int.c文件。

#include<reg51.h>

#include<absacc.h>

#include<intrins.h>

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

//定義全局變量

uintfreq;

bitflag=0; //頻率測量完成標志//以下為函數(shù)聲明

voidspeaker(void);

voidrelay(bit);

voiddelay(ucharx);

//下面地址定義中包含使能138芯片的信息

#definePA8255XBYTE[0x80fc]//8255端口A的地址

#definePB8255XBYTE[0x80fd]//8255端口B的地址

#definePC8255XBYTE[0x80fe]//8255端口C的地址

#defineCOM8255XBYTE[0x80ff]//8255命令字的地址/************8255初始化代碼************************/

voidinit_8255(void)

{

COM8255=0x81;//8255命令字，PA/PB均為輸出，PC低4位輸入，高4位輸出

}

/************定時器初始化代碼************************/

voidinit_timer(void)

{ TMOD=0x51;

//T0為16位定時器;T1為16位計數(shù)器

TH0=-50000/256;TL0=-50000/256;

//12?MHz晶振,50?ms

TH1=0;TL1=0; //從0開始計數(shù)

IE=0x8a; //開中斷,T0中斷,T1中斷

}

/************喇叭發(fā)聲代碼************************/

voidspeaker(void)

{ ucharcnt;

for(cnt=0;cnt<=100;cnt++)

{

PB8255=PB8255^0x10;

//產(chǎn)生方波

delay(2); //此延時用于產(chǎn)生不同頻率的聲音

}

}/************繼電器工作代碼************************/

//繼電器由鍵盤控制，在本函數(shù)中，繼電器的工作狀態(tài)由輸入?yún)?shù)決定

voidrelay(bitctrl)

{

if(ctrl) PB8255=PB8255|0x20;

//PB5為1,繼電器工作

elsePB8255=PB8255&0xdf;

//PB5為0,繼電器不工作

}/************T0中斷服務例程***********************/

//T0：一次定時50?ms，20次為1?s，相應的T1計的數(shù)即為頻率值

voidTimer0_Int(void)interrupt1using1

{

staticucharcnt=0;

TH0=-50000/256;TL0=-50000%256;

//定時器初值重新裝載

if(++cnt==20)

{

flag=1; //頻率測量完成標志

TR0=0;TR1=0;

freq=TH1*256+TL1;

}

}4．仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖4-16所示。圖4-16頻率計的仿真波形

中斷是單片機中的一個重要概念。中斷是指當機器正在執(zhí)行程序的過程中，一旦遇到某些異常情況或特殊請求時，暫停正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)入必要的處理(中斷服務子程序)，處理完畢后，再返回到原來被停止程序的間斷處(斷點)繼續(xù)執(zhí)行。

引起中斷的事情稱為中斷源，MCS-51單片機提供了5個中斷源：、、TF0、TF1和串行中斷請求。中斷請求的優(yōu)先級由用戶編程和內(nèi)部優(yōu)先級共同確定，中斷編程包括中斷入口地址設置、中斷源優(yōu)先級設置、中斷開放或關(guān)閉、中斷服務子程序等。4.4小結(jié)

MCS-51單片機內(nèi)部有兩個可編程定時器/計數(shù)器T0和T1，每個定時器/計數(shù)器有四種工作方式：方式0～方式3。方式0是13位的定時器/計數(shù)器；方式1是16位的定時器/計數(shù)器；方式2是初值重載的8位定時器/計數(shù)器；方式3只適用于T0，將T0分為兩個獨立的定時器/計數(shù)器，同時T1可以作為串行接口波特率發(fā)生器。不同位數(shù)的定時器/計數(shù)器其最大計數(shù)值也不同。

對于定時器/計數(shù)器的編程包括設置方式寄存器、初值及控制寄存器(可位尋址)。初值由定時時間及定時器/計數(shù)器的位數(shù)決定。

本節(jié)詳細介紹了使用定時器與中斷的三個項目：秒表、可調(diào)頻率方波、頻率計。

4-1什么是中斷？MCS-51單片機有哪幾個中斷源？各自對應的中斷入口地