为提高8051单片机定时精度，扩展8051系列单片机的用途，本文分析了8051系列单片机定时器溢出中断与CPU响应中断的时间误差。在此基础上，提出了应用C51高级语言对多个定时器进行精确定时的误差补偿方法，并且使用Keil Uvision2仿真调试软件搭建一段数字显示式倒计时的实例程序，通过分析和调试误差补偿算法，使8051单片机在多个定时器同时使用的情况下，定时误差最终小于3个机器周期，是目前8051单片机高精度定时的一种新算法。

对于8051系列单片机的定时应用已经有不少讨论，有的利用汇编语言对其定时器的中断时间进行误差补偿[4]，但该方法的系统编程繁琐，且开发周期长等；有的利用C51程序实现T0的精确定时[5]，但其算法仅适用于某些特定情况，且稳定性不高。因此，本文针对单片机多个定时器同时使用的定时误差进行分析，提出应用C51高级语言进行高精确定时的新算法，以解决上述定时方法所存在的问题，并给出了应用实例，具有一定的实用性。

1 定时误差产生的原因

产生定时误差的主要原因有：①定时器产生溢出中断信号时，CPU正在执行某指令；②定时器溢出中断信号时，CPU正在执行某中断服务程序。

1.1 定时器工作方式的分析

8051单片机的2个定时/计数器，有方式0～方式3的4种工作方式。本文以最常用的定时方式1作讨论，其工作原理如图1所示。

图1 工作方式1（16位定时/计数器）示意

由图1可知，单片机工作在方式1时，若定时/计数值计满溢出后，则定时/计数器的初值将被置零，并继续从THx=0x00，TLx=0x00开始计数。由于定时初值不会被重新装入，所以需要利用程序重新对THx、TLx赋值。但赋值操作需要占用一定时间，如果不补偿，会造成下一次定时/计数溢出中断信号的时间与理想值不符（即误差）。

1.2 影响定时器误差的因素

1.3 定时误差的非固定性特点

由式（1）看出，对于不同指令对应的T0～T3有很大差异，即定时器的定时误差具有非固定性特点。在多个定时器同时使用时，误差的非固定性更明显。如第一个循环CPU正在执行某中断服务程序a，第二个循环CPU正要执行中断服务程序b，这时误差将远远大于CPU执行一条指令（如MOV）时的误差。误差的非固定性不仅给误差分析带来不便，而且对于高精度定时任务将产生不良影响，如造成转速测试不准、定时误差过大。

2定时误差的修正算法

由于定时器溢出中断与处理器响应中断的时间误差的非固定性，所以不能简单依靠设置一个固定补偿参数来修正。为此，本文尝试采用对每次中断进行动态补偿的方式进行修正（简称新算法），其算法流程如图2所示。

若单片机工作于方式1（或方式0），当中断溢出信号产生时，THx、TLx重新由0开始计数。因为在用户对定时器赋初值前的一刻，THx、TLx中的计数值就代表误差的时间。所以，将THx、TLx从溢出到用户对其重新赋值时已有的计数值读出，并补偿到计数初值当中，就可以消除定时/计数器的连续定时误差。

图2 修正算法流程

3新算法的应用实例

现代工业通常使用的低频脉冲发生器、低速测速系统、时间控制系统等，均需要高定时精度、周期长的时钟信号作为时间基准。使用新算法，可使上述系统得到很高的定时精度。图3给出了一个由单片8051 MCU应用新算法构成倒计时系统的实例。

图3 单芯片控制数码管显示倒计时系统实例框图

在该计时电路中，以AT89S51/C51内部的定时器T0作为时钟基准。由于T0中断信号的准确度直接关系到系统的定时精度，所以如何获得高精度的T0时钟信号，是本系统设计的关键。

3.1 应用C语言的编程实例

图4为倒计时系统的程序流程图。在该主程序中同时使用了两个定时器T0和T1，而且两者的中断时间为整倍数关系，故容易因为中断冲突造成中断时间不准确，这是多个定时器同时使用中普遍存在的问题。为此，本文围绕此实例程序，提出如何通过使用新算法来提高倒计时系统的定时精度。

图4 系统应用程序流程图

未用新算法时，在T0中断处加入断点，进行模拟调试（定时间隔: 0.01s），其定时时间记录见表1。

表1 未使用修正算法的定时时间记录

从表1看出，T0中断的基本误差（时间）是随机变化的；1秒后累计误差时间已经超过0.01s。由此可见，其定时精度低。

3.2误差修正程序

新算法的修正流程，如图2所示。其修正程序首先是在代码头部加入修正变量定义：

在加入修正程序后，再次进行模拟调试（定时间隔0.01s），T0的定时时间记录见表2。

表2 使用新算法的定时时间记录

由表2看出，在实例程序中加入修正算法后，T0的基本误差与累计误差都得到修正，定时时间精确可靠。

3.3新算法对定时器复用有效性的校验

新算法对同时工作的定时器（即复用）是否有效呢，还需要进一步校验。在T0中断服务头部加入如下修正代码：

在T1中EA=0处设置程序断点进行模拟调试（定时间隔0.001s），其定时时间见表3。

表3 加入新算法后T1的定时时间记录

同时，在T0中EA=0处设置程序断点进行分析（定时间隔0.01s），其定时时间见表4。

表4 加入新算法后T0的定时时间记录

通过以上实验数据的处理分析发现：在使用新算法之前，1秒后累计误差时间超过0.01s,程序的定时误差很大，无法满足长时间精确定时的需要。使用新算法之后，无论是单独运行的定时器还是同时运行的两定时器均能精确定时，并且还能自动补偿累计误差给定时间隔带来的影响。可见，新算法对于多个定时器同时工作的高精度定时仍然有效。

4应用新算法的注意事项

理论上新算法可以添加在中断服务程序的任意一段中，但由于新算法是通过实时读取THx、TLx寄存器的当前值进行定时修正，有可能会因为中断服务程序过长而产生多次进位的情况，造成算法失效。因此，在中断服务程序较短，且TLx的初始值加上修正值不会产生进位信号的情况下，新算法可以不必对THx进行修正并能放置在中断服务程序的任意位置；若中断服务程序较长，新算法的代码则应该放置在中断服务程序的起始位置，并且对THx进行修正。

结论

本文使用C51高级语言实现误差补偿的方法，对多个定时器溢出中断与CPU响应中断的非固定性时间误差可以进行有效修正，并将定时器定时时间误差控制在3个机器周期内，这对于需要精确时钟信号的控制系统具有重要的意义。该方法在测距中得到应用，成本非常低廉，精度得到很大提高。因此，该方法对于提高系统的控制精度，扩展8051系列单片机的应用范围都具有较高的实用价值。

（摘编自《电气技术》，原文标题为“用C51语言实现单片机高精度定时的新算法”，作者为刘帆、林育兹等。）