51单片机实战：定时器与数码管的应用

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文章框架

框架脑图

前言

好久不《扯单》了！今儿来一发应用篇：用定时器和数码管做一个单十六进制位的计时器。从去年六月底辞职到现在已经过去半年多了，这方面的东西好像也扔的七七八八了（哭笑）。最近考驾照，需要花半天的时间练车，另半天的时间就是复习，然后总结到这里给需要的朋友参考。我在公司的项目是关于智能仓拣的，为了省成本选择51单片机，为了通信方便也用到了无线通信。所以我的《扯单》系列的第一周目会扯到ESP8266的无线通信部分（对物联网感兴趣的朋友有福，可慢慢等我更新）。
今天这部分也算是对《扯会儿单片机开发：中断》的一个应用，顺便也用到了数码管，都是很基本的东西。下一步写通信，先有线的串口通信，我会配合LCD做示范。然后就是一周目BOSS：无线网络(Wi-Fi)通信。

嗯，总之我目前是这么打算的，到时候会不会这样我就不知道了哈（任性到不能自己）。好，下面开始今天的正文。

知识点

数码管（7-Segment Display）

图片来源于百度
数码管图示

简介
我觉得看完图片我也不用做什么介绍，大家应该都见过这东西，最多最多可能就是不知道它叫数码管。
数码管的本质是几个并联的发光二极管（LED）。如果不熟悉发光二极管在单片机中应用的可参考文章：《51单片机实战：Proteus、Keil入门及点亮一个虚拟LED》
本篇应用了上图的七段一位数码管，也就是说，它本质上就是由七个发光二极管并联起来组成的。虽说上图的1位数码管是有小数点的，你可以理解为那是第八个LED。但是本篇运用的是Proteus中模拟的数码管，并没有那个小数点，看到后面你就知道啦，但要注意区分。

分类

  • 共阳（Common Anode）
    Proteus模拟元件：7SEG-COM-ANODE
    如图就是Proteus中模拟的共阳数码管，上面单独的那个接线是7个数码管共同的阳极接线，左边七个接线是它们各自的阴极接线，所以你也就理解了“共阳”就是他们的阳极是在一起的。

  • 共阴（Common Cathod）
    Proteus模拟元件：7SEG-COM-CATHODE
    与共阳同理，下面单独的那个接线是7个数码管共同的阴极接线，左边七个接线是他们各自的阳极接线，“共阴”就是他们的阴极是在一起的。

  • BCD（Binary Coded Decimal Display）
    Proteus模拟元件：7SEG-BCD
    这个就比较特殊了，它是四个接线（分别对应十进制数字的8、4、2、1）。他只能显示十六进制的0~15（详细请自查阅二进制、十进制、十六进制的转换，这里不作讨论），也就是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、b（大写的没法区分）、C、d（大写的没法区分）、E、F。所以如果只作上述十六进制数字的表示，这个操作起来最方便，但是没有灵活性，不像共阳和共阴的可以表示很多鬼畜的东西出来。

演示
你看了BCD可能还清楚要怎么给它数据，但共阳共阴的哪知道它哪个接线对应哪个LED啊？
好，我给你图，有点丑别太在意：
接线与其对应的LED示意图
解释一下哈，这是我用平板画的，圈里面的数字对应的就是上面分类中共阳和共阴数码管左侧接线从上到下的次序。旁边的八位二进制数字是代表哪一位控制哪一个LED（第八位没用。共阳0亮1灭，共阴0灭1亮）。
下面用Proteus + Keil（若不会使用详见：《51单片机实战：Proteus、Keil入门及点亮一个虚拟LED》）做一个小程序给大家演示一下三者的区别。

  • 电路
    电路
    其中左侧的是BCD（Proteus模拟元件：7SEG-BCD），右上为共阳（Proteus模拟元件：7SEG-COM-ANODE），右下为共阴（这个是不带共阴接线的，接起来比较简单，带接线的接起来有点麻烦，但原理一样。Proteus模拟元件：7SEG-DIGITAL）。

  • 代码

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#include <reg52.h>
#define VALUE 0x04	//对应的二进制为：0000 0100

void main() {
	P0 = VALUE;		//连接电路中的共阳数码管
	P1 = VALUE;		//连接电路中的BCD
	P2 = VALUE;		//连接电路中的共阳数码管
	while(1);		  //让单片机运行卡在这里，为了一直运行，不然数码管都会灭掉，大家以后写程序也要注意
}

#define为预编译指令中的宏定义指令，只由编译器解释，译为将文中所有的VALUE替换为0x04。关于其二进制0000 0100可以回头看一下那个丑不拉几的草图。

  • 效果
    效果
    可以看出共阳和共阴都是对LED亮灭的操作，且正好相反。而BCD可以直接解读你给的数字。所以如果我们用共阳或共阴的数码管显示信息，就需要在代码中制作一个编码表。

定时器/计数器

简介
首先，“定时器/计数器”说的是一个东西，因为它既能计时也能计数。其次，它与数码管不一样，不是独立出来的配件，而是存在于单片机内部的一个独立的硬件部分，依赖晶振产生固定的时间间隔，产生了一定量的固定时间间隔后会引发定时器中断（参见：《扯会儿单片机开发：中断》），从而将其产生的时间信息传送给由CPU执行的主程序中。
相关寄存器

  • TMOD
    TMOD为定时器/计数器工作方式寄存器，用于确定其工作方式和功能选择。
    字节地址：89H，不能位寻址，reg52.h中已定义，单片机复位时全部清零。
位序号 7 6 5 4 3 2 1 0
位符号 GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0

你会发现,低四位和高四位格式是一样的，因为低四位（0~3）用于设置定时器0，高四位（4~7）用于设置定时器1。设置的内容都是GATE、C/T、M1、M0。

GATE C/T M1M0
门控制位 计数器还是定时器 工作方式
0：仅受TCON的TR位控制。1：由TR和外部中断一起控制。 0：定时器。1：计数器 见下表
M1 M0 工作方式
0 0 方式0，为13位定时器/计数器
0 1 方式1，为16位定时器/计数器
1 0 方式2，8位初值自动重装的8位定时器/计数器
1 1 方式3，仅适用于T0，分成两个8位计数器，T1停止计数
  • TCON
    TCON为定时器/计数器控制寄存器，用于控制其启动、停止，标志其溢出和中断情况。
    字节地址：88H，能位寻址，reg52.h中已定义，单片机复位时全部清零。
位序号 7 6 5 4 3 2 1 0
位符号 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0

高八位与其运行和溢出有关，第八位与外部中断有关。

高八位中：

TF TR
溢出标志位 运行控制位
溢出时，由硬件置1 1：启动定时器

TF0和TR0对应定时器0，TF1和TR1对应定时器1。

低八位中：

IE IT
外部中断请求标志 外部中断触发方式选择位

IE0与IT0对应外部中断0，IE1与IT1对应外部中断1。因为此例与这里无关，不作详细介绍，有兴趣请自查资料。

初值

  • 简介
    定时器的实质是，由机器频率向一个16位寄存器累加，累加满溢出时触发中断。为了产生一个我们想要的时间间隔，比如说1s，所以我们要在这个寄存器里设定一个初值，以至于让它在这个初值上累加可以产生一个1s的倍数。这样我们就得到了稳定的时间间隔。
    这个寄存器分为TH（高八位）和TL（低八位）。所以我们需要把计算好的初值分成两部分分别放入TH和TL。

  • 过程
    首先，我们通过单片机的晶振频率得知其时钟周期，再尤其乘以12得到机器周期。每一个机器周期在寄存器内+1，直到加满溢出产生中断。

  • 例子
    若单片机频率为12Mhz，其时钟周期就是1/12μs，机器周期为1μs，也就是每1μs寄存器+1。16位的寄存器加到溢出最多需要(2^16)-1=65535μs，溢出也需要一个机器周期，所以总共要65536μs。但这个值太别扭，和我们要的1s没什么关系。我们最好让它记50000μs产生一次中断，所以其初值就设为65536-50000=15536。但我们还要将这个值分别放在高八位和低八位，所以要将这个十进制数，转换为4位十六进制数再分开赋值。
    十进制计算法：TH = 15536/256; TL = 15536%256;，进制计算问题这里不细讨论。
    这样的话，每50ms就会产生一次中断。我们只要用程序判断其中断20次就记1s。

电路

这里开始进入今天实践正题，虽说电路和上面知识点的电路是一样的，但要记得把单片机的时钟频率（Clock Frequency）要调成12MHz。
电路

代码

代码部分我分为两个部分，一个是自定义的关于数码管编码表的头文件7seg.h，另一个是主程序源代码文件main.c
本例要实现的是在12MHz的时钟频率下，每隔一秒数码管显示的数字加一。

  • 7seg.h
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#ifndef __7SEG_H__
#define __7SEG_H__

//共阳数码管的十六进制数编码表
unsigned char code hexForCommonAnode[] = {
	0x40, 0x79, 0x24, 0x30,
	0x19, 0x12, 0x02, 0x78,
	0x00, 0x10, 0x08, 0x03,
	0x46, 0x21, 0x06, 0x0e
};

//共阴数码管的十六进制数编码表
unsigned char code hexForCommonCathode[] = {
	0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f,
	0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07,
	0x7f, 0x6f, 0x77, 0x7c,
	0x39, 0x5e, 0x79, 0x71
};

#endif
  • main.c
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#include <reg52.h>
#include <7seg.h>    //包含自定义的编码表头文件

unsigned char THx = (65536-50000)/256;    //存储高八位寄存器初值的临时变量
unsigned char TLx = (65536-50000)%256;    //存储低八位寄存器初值的临时变量
unsigned char counter = 0;    //用于记录产生中断的次数
unsigned char digit = 0;      //用作编码表索引

//初始化函数：用于初始化各种参数
void init() {
	TMOD = 0x01;    //设置定时器0，GATE = 0, C/T = 0 , M1M0 = 01(方式1,16位定时器/计数器)

    //赋初值
	TH0 = THx;
	TL0 = TLx;

	EA = 1;    //中断总闸·开！
	ET0 = 1;  //定时器0中断·开！
	TR0 = 1;  //定时器0·运行！
}

//刷新函数：每调用一次就更新一次数码表的显示方式。
void refresh(){
	counter = 0;    //中断计数器清零
	P0 = hexForCommonAnode[digit];    //根据索引找编码表，将显示方式的二进制位丢给共阳数码管
	P2 = hexForCommonCathode[digit];  //根据索引找编码表，将显示方式的二进制位丢给共阴数码管
	P1 = digit;    //索引就是要显示的那个数字，可直接丢给BCD显示出来

    //数满后索引（数字）清零
	if(++digit >= 16)
		digit = 0;
}

//主函数
void main() {
	init();     //初始化
	refresh();  //先把0显示出来
	while(1);   //卡住
}

//定时器0的中断函数：由定时器中断自动调用，你只需要写好中断后要怎么处理就好
void timeInt_T0 () interrupt 1 {
    //每中断一次都要重新赋初值
	TH0 = THx;
	TL0 = TLx;

    //记够20次中断后，刷新显示
	if(++counter == 20)
		refresh();
}

效果

效果

结语

好了，今天就《扯单》到这里，下次不出意外的话就开始扯串口通信了。如果你对本文有什么感想和意见，欢迎在评论区畅所欲言！关于深度的话，我会慢慢加，不过也是在力所能及的范围内，毕竟只是个软工狗，还请谅解。

本次实践文中加入了小部分的理论知识介绍和文章框架脑图，不知道大家喜不喜欢，有什么想法就在评论区告诉我。

参考资料

1.《51单片机C语言教程》，郭天祥 著，电子工业出版社