单片机很好玩6，制作一个闹钟

单片机常被称作 MCU，MCU 的全称是 Micro Control Unit，就是微型控制器的意思。顾名思义，单片机常被用于控制一些器件工作，因此物联网的终端，或者其他一些智能机器，都是离不开单片机的。

小到手机，大到汽车飞机，现在几乎只要是电子器件，就有单片机的身影。

精确计时的重要性

传感器能够感知外界环境，可以说是一切智能机器的基础。实际工程中，常常使用单片机或者控制传感器工作，或者采集传感器的数据。但是不管是控制还是采集，单片机都需要与传感器通信，这样才能将控制命令发送到传感器，或者将传感数据接收到单片机内部。

为了实现器件与器件之间的通信，人们制定了一些通信协议。通信协议其实就是一系列约定，比如约定总线先输出低电平 10us，再输出高电平 30us 表示 0；总线先输出低电平 10us，再输出高电平 100us 表示 1。

可以看出，如果单片机要解析通信协议，就只需要处理电信号与时间的关系就可以了。

假设单片机在与某个传感器通信时，需要拉低总线 50us，这就需要一个精确的定时器。在读传感器数据时，需要判断总线究竟被传感器拉高了 30us 还是 100us，这就需要一个精确的计时器。

不精确的定时器

那么单片机怎样才能精确的定时和计时呢？本节就以 51 单片机为例，来说一下这个问题。

在第三节制作呼吸灯时，用到的延时函数C语言代码是如下定义的：

void delay(unsigned int n)
{
    unsigned int x;
    while(n--){
        x = 50;
        while(x--);
    }
}

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但这只是粗略的定时，因为软件每次执行需要花费的时间都有所差异。所以上面的 delay() 函数，只能用在对时间精确度要求不高的“呼吸灯”小项目中。

精确的定时器

相当一部分单片机内部都有计数器资源。计数器内部有一个寄存器，这个寄存器的值每经过一个机器周期就会自动加 1，而机器周期仅与单片机的晶振有关。

我使用的这款 51 单片机有两个计数器，它的晶振固定为 11.0592MHz，一个机器周期等于 12 个时钟周期。所以，计数器每加1，就表示时间过去了 n 秒，n 的计算公式如下：

n = 12 * ( 1/11.0592MHz )

这款单片机计数器的寄存器宽为 16 位，因此最大能够表示到 0xffff 即 65535。计数器计满（溢出）一次，就会将寄存器 TFx 置 1，所以检测 TFx 寄存器就能够知道计数器是否计满。

如此一来，设计精确的定时器思路就有了，请看如下 C语言代码：

static unsigned int timer_cnt = 0;

void set_timer0(unsigned int tus)
{   
    timer_cnt = (unsigned int)((float)tus * 11.0592 / 12.0);
    timer_cnt = 65535 - timer_cnt;

    TH0 = (timer_cnt>>8) & 0xff;
    TL0 = timer_cnt & 0xff;
    TMOD |= 0x01;
}

假设定时器计数 timer_cnt 次消耗 tus 微秒，那么让计数器计数 65535-timer_cnt 次就溢出，我们就可以检测 TF0 寄存器的值判断是否已经过去 tus 微秒。请看如下 C语言代码：

void start_timer0()
{
    TF0 = 0;
    TR0 = 1;
}
void wait_timer0()
{
    while(!TF0);
    TR0 = 0;
    TH0 = (timer_cnt>>8) & 0xff;
    TL0 = timer_cnt & 0xff;
}

TR0 寄存器为高电平时，计数器才开始计数。如此一来，可以定义精确的延时函数，它的C语言代码如下：

set_timer0(10);
void delay_10us(unsigned int n)
{
    while(n--){
        start_timer0();
        wait_timer0();
    }
}

现在写如下控制程序，测试我们实现的精确定时器，请看如下C语言代码：

void main()
{
    init_uart(9600);
    set_timer0(10); // 10us

    prints("program start...\n");

    while(1){   
        delay_10us(50000);delay_10us(50000);    
        prints("1s past ...\n");
    }
}

两句delay_10us(50000);表示延时 100万微秒（即 1秒）。编译程序并烧写到单片机，在电脑端打开串口调试工具，发现的确每隔 1秒打印一次 "1s past ...":