第五章定时器／计数器.doc

第五章MCS－51定时器／计数器及其应用
5.1定时方法概述
在单片机的应用中，可供选择的定时方法主要有：
1.软件定时
软件定时是靠执行一个循环程序以进行时间延迟。软件定时的特点是时间较精确，且不需外加硬件电路。但软件定时要占用CPU的时间，增加CPU开销，因此软件定时的时间不宜太长。
当单片机时钟确定后，每条指令的指令周期是确定的，在指令表中用振荡周期表示出来了。因此，根据程序执行所用的总的振荡周期数和振荡频率，可以较准确的计算，程序执行完所用的时间。软件延时是实际经常采用的一种短时间定时方法。
例4-16 ORG 1000H
TIME： MOV R1, #0FAH ；12个振荡周期
L1 ： MOV R0, #0FFH ；12个振荡周期
W1 ： DJNZ R0 , W1 ；24个振荡周期
DJNZ R1 , L1 ； 24个振荡周期
NOP ； 12个振荡周期
NOP ； 12个振荡周期
RET ； 24个振荡周期
计算延时时间：
N=12+（12+24×255+24）×250+12+12+24
=1539060个振荡周期
如果ƒ=6MHz Tƒ=1/ƒ=1/6μs
Tt=N×Tƒ=1539060×1/6μS=256510μS=0.25651S
调整R0和R1中的参数,可改变延时时间,如果需要加长延时间，可以增加循环嵌入。当延时时间较长、不便多占用CPU时间的情况下，一般采用定时器方法。

2.内部可编程定时器
这种定时方法是通过对系统时钟脉冲的计数来实现的。计数值通过程序设定，改变计数值，也就改变了定时时间，使用起来既灵活又方便。此外，由于采用计数方法实现定时，因此可编程定时器都兼有计数功能，可以对外来脉冲进行计数。
3.外部扩展专用定时器
对于时间较长的定时，常使用外部扩展专用定时器完成。这种方法定时全部由硬件电路完成，不占用CPU时间。例如:DALLAS 公司的DS1302低功耗时钟芯片.它可以对年月日时分秒计时,并且有闰年补偿功能,它可以很方便地和单片机接口.

5.2 51单片机内部的定时器／计数器
作为基本组成内容，8051单片机共有两个可编程的定时器／计数器，分别称定时器／计数器0和定时器／计数器1。它们都是十六位加法计数结构，分别由TH0和TL0及TH1和TL1两个8位计数器组成，它们具有计数和定时两种工作方式以及四种工作模式。两个特殊功能寄存器（定时器控制寄存器TCON和定时器方式寄存器TMOD）用于确定定时器／计数器的功能和操作方式。图5-1给出了定时器／计数器的结构框图，它反映了单片机中微处理器、寄存器TCON和TMOD与定时器T0、T1之间的关系。计数器的输入脉冲源可以是外部脉冲源或系统时钟振荡器，计数器对这两个输入脉冲之一进行递增计数。
顾名思义，MCS－51的每个定时器／计数器都具有定时和计数两种功能。

图5-1 定时器/计数器的结构框图
1.计数功能
所谓计数是指对外部事件进行计数。外部事件的发生以输入脉冲表示，因此计数功能的实质就是对外来脉冲进行计数。8051芯片有T。（P3.4）和T1（P3.5）两个信号引脚，分别是这两个计数器的计数输入端,外部输入的脉冲在负跳变时有效，进行计数器加1（加法计数）。
计数方式下，单片机在每个机器周期的S5P2拍节对外部计数脉冲进行采样。如果前一个机器周期采样为高电平，后一个机器周期采样为低电平，即为一个有效的计数脉冲。在下一机器周期的S3P1进行计数。可见采样计数脉冲是在二个机器周期进行的。鉴于此，计数脉冲的频率不能高于振荡脉冲频率的1／24。
2.定时功能
定时功能也是通过计数器的计数来实现的，不过这时的计数脉冲来自单片机的内部，即每个机器周期产生一个计数脉冲。也就是每个机器周期计数器加1。由于一个机器周期等于12个振荡脉冲周期，因此计数频率为振荡频率的1／12。如果单片机采用12MHZ晶体，则计数频率为1MHz。即每微秒计数器加1。这样不但可以根据计数值计算出定时时间，也可以反过来按定时时间的要求计算出计数器的预置值。
5.3 定时器／计数器的控制寄存器
与定时器／控制器有关的控制寄存器有：
1.定时器控制寄存器（TCON）
TCON寄存器既参与中断控制又参与定时控制。有关中断的控制内容已在第六章中说明，此处只对其定时控制功能加以介绍。其中有关定时的控制位共有四位：

·TF0（TF1）--计数溢出标志位
当计数器从初值开始递增计数至计数溢出（计满）时，由单片机内部（硬件）自动对该位置1。使用查询方式时，此位作状态位供查询，但应注意查询有效后应以软件方法及时将该位清0；使用中断方式时，此位作中断标志位，在转向中断服务程序时，自动（硬件）清0。
·TR0（TR1）--定时器运行控制位
定时器T0（T1）的运行控制位
该位根据需要以软件方法使其置1或清0，用来启动／关闭定时器T0（T1）。
2.工作方式控制寄存器（TMOD）
TMOD寄存器是一个专用寄存器，用于控制两个定时器／计数器的工作方式。但TMOD寄存器不能位寻址，只能用字节传送指令设置其内容。各位定义如下：

位序
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
位符号
GATE
C/T
M1
M0
GATE
C/T
M1
M0

其中：高4位字段用于定时器T1的工作方式控制，低4位字段用于定时器T0的工作方式控制。TMOD各位的定义和功能如下：
·GATE--门控位
GATE=0以运行控制位TR0（TR1）启动定时器
GATE=l以外中断请求信号（INT0、INT1）启动定时器
以上说明：GATE为1时，定时器／计数器的计数受外部引脚输入电平的控制，具体来讲，INT0控制T0运行，INT1控制T1运行。GATE为0时，定时器／计数器的运行不受外部输入引脚的控制。因此，通常称前者为外部控制，后者为内部控制。
·C／T--定时方式或计数方式选择位
C/T=0定时工作方式，计数脉冲是内部脉冲，其周期等于机器周期。
C/T=1计数工作方式，计数脉冲是从引脚T0或T1输入。
·M1M0—工作方式选择位
M1M0=00 方式0
M1M0=01 方式1
MlM0=10 方式2
M1M0=11 方式3
3.中断允许寄存器（IE）
IE寄存器的详细内容请见第六章。其中与定时器／计数器有关的位重复介绍如下。
·EA--中断允许总控制位
·ET。（ET1）--定时／计数中断允许控制位
ET。（ET1）=0禁止定时／计数中断
ET。（ET1）=1允许定时／计数中断
5.4 MCS-51的定时器／计数器工作方式
MCS-51的定时器／计数器共有四种工作方式，现从方式0开始逐个介绍。
5.4.1定时器／计数器工作方式0
1.电路逻辑结构
方式0是13位计数结构的工作方式，其计数器由TH0全部8位和TL0的低5位构成。TL0的高3位弃之不用。图5-2是定时器／计数器0在工作方式0的逻辑结构（定时器／计数器1与此完全相同）。

图5-2 定时器／计数器工作方式0逻辑结构

如图所示，当C/T=0时，多路开关接通振荡脉冲的十二分频输出，13位计数器以此进行计数，这就是所谓定时器工作方式。当C／T=1时，多路开关接通计数引脚（T0），外部计数脉冲由引脚T。输入。当计数脉冲发生负跳变时，计数器加1，这就是所谓计数工作方式。
不管是那种工作方式，当TL。的低5位计数溢出时，向TH。进位，而全部13位计数溢出时，则向计数溢出标志位TF。进位。
这里说明一下工作方式控制寄存器中门控位（GATE）的功能。当GATE＝0时，由于GATE信号封锁了或门，使引脚INT0信号无效。而这时或门输出端的高电平状态却打开了与门。因此可以由TR0（TCON寄存器）的状态来控制计数脉冲的接通与断开。这时如果TR0＝1，则接通模拟开关，使计数器进行加法计数，即定时器／计数器工作。如果TR。＝0，则断开模拟开关，停止计数，定时器／计数器不能工作。因此在单片机的定时或计数应用中要注意GATE位的清0
当GATE=1，同时又TR0=1时，有关电路的或门和与门全都打开，计数脉冲的接通与断开由引脚信号INT。控制。当该信号为高电平时计数器工作；当该信号为低电平时计数器停止工作。这种情况可用于测量外信号的脉冲宽度。
2.定时和计数应用
在方式0下，当为计数工作方式时，计数值的范围是：
1～8192（213）
当为定时工作方式时，定时时间的计算公式为；
（213-计数初值）×T ×12
或（213-计数初值）×机器周期
其时间单位分别与晶振周期或机器周期相同。
如晶振频率为6MHZ，则最小定时时间为：
[213-(213-1)]×1/6 × 10-6 ×12 = 2 × 10-6=2(us)
最大定时时间为：
(213-0)× 1/6 × 10-6X12=16384X10-6=16384(us)

定时器／计数器初始化程序设计的基本步骤如下：
（1）确定工作方式，对寄存器TMOD和TCON等赋值；
（2）预置定时或计数的初值X；
（3）根据需要开放或关闭定时器／计数器的中断；
（4）启动定时器／计数器工作。

［应用举例］设单片机晶振频率Fosc=6MHz，使用定时器1以方式0产生周期为500us的等宽正方波脉冲，并由P1.0输出。以查询方式完成。

①计算计数初值
欲产生500us的等宽正方波脉冲，只需在P1.0端以250us为周期交替输出高低电平即可实现，为此定时时间应为250us。使用6MHZ晶振，则一个机器周期为2us。方式0为13位计数结构。
设待求的计数初值为X，则：
(213-X) × 1/6 × 10-6× 12=250× 10-6 ,求解得：
X＝8067。二进制数表示为1111110000011。转换为十六进制数，高8位为FCH，低5位为03H。其中高8位放入TH1，即TH1=FCH；低5位放入TL1，即TL1=O3H。

②TMOD寄存器初始化
为把定时器／计数器1设定为方式0，则M1M0＝00；为实现定时功能，应使C／T=0；为实现定时器／计数器1的运行控制，则GATE=0。定时器／计数器0不用，有关位设定为0。因此TMOD寄存器应初始化为00H。
③由定时器控制寄存器TCON中的TR1位控制定时的启动和停止，TR1＝1启动，TR1=0停止。
④程序设计
MOV TMOD，＃00H ；设置T1工作方式0
MOV TH1，#OFCH ；设置计数初值
MOV TL1，＃03H ；
MOV IE，＃00H ；禁止中断
SETB TR1 ；启动定时
LOOP:JBC TF1，LOOP1 ；查询计数溢出
AJMP LOOP
LOOP1:MOV TH1，＃0FCH ；重新设置计数初值。N
MOV TL1，＃03H ；
CPL P1。0 ；输出取反
AJMP LOOP ；重复循环
5.4.2定时器／计数器工作方式1
方式1是16位计数结构的工作方式，计数器由TH全部8位和TL全部8位构成。其逻辑电路和工作情况与方式0完全相同。所不同的只是组成计数器的位数。

图5-3 定时器／计数器工作方式1逻辑结构

当为计数工作方式时，计数值的范围是：
1～65536（216）
当为定时工作方式时，定时时间计算公式为：
（216-计数初值）X晶振周期X12
或（216-计数初值）X机器周期
其时间单位与晶振周期或机器周期相同。
如晶振频率为6MHZ，则最小定时时间为：
[216-(216-1)]X1/6X10-6X12=2X10-6=2(us)
最大定时时间为：
(216-0)X1/6X10-6X12=131072X10-6=131072(us)»131ms

[应用举例]:题目同方式0的应用举例，但以中断方式完成。即单片机晶振频率FOSC＝6MHZ，使用定时器1以工作方式1产生周期为500us的等宽正方波脉冲，并在P1。0端输出。
①计算计数初值
TH1=FFH TL1＝A1H
②TMOD寄存器初始化
TMOD=10H
③程序设计
主程序：
MOV TMOD，＃1OH ；定时器 1工作方式1
MOV TH1，＃0FFH ；设置计数初值
MOV TL1，＃0A1H ；
SETB EA ；开中断
SETB ET1 ；定时器1允许中断
LOOP:SETB TR1 ；定时开始
HERE:SJMP ＄ ；等待中断
SJMP HERE
中断服务程序：
ORG 001BH
MOV TH1，＃0FFH ；重新设置计数初值
MOV TL1，＃0A1H ；
CPL P1.0 ；输出取反
RETI ；中断返回
5.4.3定时器／计数器工作方式2
工作方式0和工作方式1的最大特点是计数溢出后，计数器为全0。因此循环定时或循环计数应用时就存在反复设置计数初值的问题。这不但影响定时精度，而且也给程序设计带来不便。方式2就是针对此问题而设置的，它具有自动重新加载功能，即自动加载计数初值，因此也可以说方式2是自动重新加载工作方式。在这种工作方式下，把16位计数器分为两部分，即以TL作计数器，以TH作预置寄存器，初始化时把计数初值分别装入TL和TH中。当计数溢出后，不是像前两种工作方式那样通过软件方法，而是由预置寄存器TH以硬件方法自动给计数器TL重新加载。
1.电路逻辑结构
图5-3是定时器／计数器0在工作方式2的逻辑结构。

图5-4 定时器／计数器工作方式2逻辑结构
初始化时：8位计数初值同时装入TL和TH中。当TL计数溢出时，置位TF，同时把保存在预置寄存器TH中的计数初值自动加载TL，然后TL重新计数。如此重复不止。这不但省去了用户程序中的重装指令，而且也有利于提高定时精度。但这种工作方式下是8位计数结构，计数值有限，最大只能到255。
这种自动重新加载工作方式非常适用于循环定时或循环计数应用，例如用于产生固定脉宽的脉冲，此外还可以作串行数据通信的波特率发送器使用。
2.循环定时和循环计数应用
［应用举例］使用定时器0以工作方式2产生100us定时，在P1.0输出周期为200us的连续方波。已知晶振频率Fosc=6MHZ。
①计算计数初值。
6MHZ晶振下，一个机器周期为2us，以TH0作重新装载的预置寄存器，TL0作8位计数器，假设计数初值为X。则：
（28－X）X2X10-6＝100X10-6
求解得：
X=206D=11001110B=CEH
把CEH分别装入TH-0和TL0中：
TH0=CEH，TL0=CEH
②TMOD寄存器初始化
定时器／计数器0为工式方式2，M1M0＝10；为实现定时功能C/T=0；为实现定时器／计数器0的运行GATE＝0；定时器／计数器1不用，有关位设定为0。
综上情况TMOD寄存器的状态应为02H。
③程序设计（查询方式）
MOV IE，＃00H ；禁止中断
MOV TMOD,＃02H ；设置定时器0为方式2
MOV TH0,＃0CEH ；设置计数初值
MOV TL0，#0CEH ；保存计数初值
SETB TR0 ；启动定时
LOOP： JBC TF0，LOOPI ；查询计数溢出
AJMP LOOP ；输出方波
LOOP1：AJMP LOOP ；重复循环
由于方式2具有自动重装载功能，因此计数初值只需设置一次，以后不再需要软件重置。
④程序设计（中断方式）
主程序：
MOV TMOD，＃02H ；定时器O为方式2
MOV TH0，＃0CEH ；设置计数初值
MOV TL0，＃0CEH ；保存计数初值
SETB EA ；开中断
SETB ET0 ；定时器0允许中断
LOOP： SETB TR0 ；启动定时
HERE： SJMP ＄ ；等待中断
SJMP HERE
中断服务程序：
ORG 000BH
CPL P1.0 ；输出方波
RETI ；中断返回。
［应用举例］用定时器1以工作方式2计数，每计100次进行累加器加1操作。
①计算计数初值
28－100=156D=9CH
则TH1=9CH，TL1=9CH
＠TMOD寄存器初始化
M1M0=10，C／T=1，GATE=0
因此TMOD=60H
③程序设计
MOV IE，＃00H ；禁止中断
MOV TMOD，＃60H ；设置计数器1为方式2
MOV TH1，＃9CH ；计数初值
MOV TL1，＃9CH ；设置计数初值
SETB TR1 ；启动计数
DEL：JBC TF1，LOOP ；查询计数溢出
AJMP DEL
LOOP：INC A ；累加器加1
AJMP DEL ；循环返回
5.4.4定时器／计数器工作方式3
前三种工作方式下，对两个定时器／计数器的设置和使用是完全相同的。但是在工作方式3下，两个定时器／计数器的设置和使用却是不同的，因此要分开介绍。
1.工作方式3下的定时器／计数器0
在工作方式3下，定时器／计数器0被拆成两个独立的8位计数器TL0和TH0。其中TL0既可以计数使用，又可以定时使用，定时器／计数器0的各控制位和引脚信号全归它使用。其功能和操作与方式0或方式1完全相同。而且逻辑电路结构也极其类似，如图5-4所示。

图5-5 定时器／计数器0工作方式3逻辑结构
与TL0的情况相反，对于定时器／计数器0的另一半TH0，则只能作为简单的定时器使用。而且由于定时器／计数器0的控制位已被TL0独占，因此只好借用定时器／计数器1的控制位TR1和TF1。即以计数溢出去置位TF1，而定时的启动和停止则受TR1的状态控制。
由于TL0既能作定时器使用也能作计数器使用，而TH0只能作定时器使用却不能作计数器使用，因此在工作方式3下，定时器／计数器0可以构成二个定时器或一个定时器一个计数器。
2.工作方式3定时器／计数器1
如果定时器／计数器0已工作在工作方式3，则定时器／计数器1只能工作在方式0、方式1或方式2下，因为它的运行控制位TR1及计数溢出标志位TF1；已被定时器／计数器0借用，如图8-5所示。

图5-6 定时器／计数器0工作方式3下的使用
在这种情况下，定时器／计数器1通常是作为串行口的波特率发生器使用，以确定串行通信的速率。因为已没有计数溢出标志位TF1可供使用，因此只能把计数溢出直接送给串行口。当作为波特率发生器使用时，只需设置好工作方式，便可自动运行。如要停止工作，只需送入一个把它设置为方式3的方式控制字就可以了。因为定时器／计数器1不能在方式3下使用，如果硬把它设置为方式3，就停止工作。
5.5门控位GATE的功能和使用方法
当TMOD中的门控位GATE0＝1时，定时器T0的启动受INT0上的电平控制，只有当INT0和TR0同时为1时，定时器T0才启动。利用这个功能，可以测试INT0上输入的正脉冲宽度。其具体程序如下：
ORG 8000H
MOV TMOD，＃09H
MOV TL0，＃00H
MOV TH0，＃00H
CLR OAFH ；关中断
HERE1：JB INT0，HERE1 ；等INT0为低电平
SETB TR0
HERE2：JNB INT0，HERE2 ；等INT0为高电平，启动定时器T0
HERE3：JB INT0，HERE3 ；等INT0低电平到来
CLR TR0 ；停止定时器T0工作
LCALL DIR ；显示子程序，显示TH0、TL0计数，即
；显示脉宽有多少个机器周期

5.6用定时器／计数器进行外部中断扩展
MCS-51为用户提供了两个外部中断请求输入线INT0和INT1。在实际应用中，外部中断源可能多于两个，这时就需要对外部中断源进行扩展连接。
在这种情况下若定时器／计数器尚有富余的话，则可利用定时器／计数器以计数工作方式实现外部中断扩展。
在计数工作方式下，如果把计数器预置为全1，则只要在计数输入端（T1或T0）输入一个脉冲，就可以使计数器溢出，产生计数溢出中断。如果以一个外部中断请求作为计数脉冲输入，则可以借“计数中断”之名行“外部中断服务”之实，这就是所谓的以定时器／计数器实现外部中断扩展。具体实现方法为：
①置定时器／计数器为工作方式2，即自动装载式8位计数，以便在一次中断响应后，为下一次中断请求作好准备。
②高低8位计数器（TH和TL）均预置为FFH。
③扩展的外部中断请求信号接计数输入端（T0或T1）。
④把扩展外中断服务程序按所用的定时器／计数器中断入口地址存放。
例如以定时器／计数器0扩展一个外部中断，其初始化程序段为：
MOV TMOD，＃06H ；置计数器0为工作方式2
MOV TH0，＃0FFH ；置计数初值
MOV TL0，＃0FFH ；
SETB EA ；开中断
SETB ET0 ；计数器0允许中断
SETB TR0 ；计数启动

思考及练习题

1． 8051单片机内部设有几个定时器/计数器？它们是由哪些专用寄存器组成？
2． MCS-51单片机定时器/计数器有哪几种工作方式？各有什么特点？
3． 8051单片机定时器/计数器作定时和计数时其计数脉冲分别由谁提供？
4． 8051单片机定时器/计数器的门控信号GATE设置为1时，定时器如何启动？
5． 8051的T0、T1用作定时时，其定时时间与哪些因素有关？
6． 当8051的T0用作方式3时，由于TR1已被T0占用，此时如何控制定时器T1的开启和关闭？
7． 已知8051单片机的FOSC=6MHZ，请利用T0和P1.0输出矩形波，其矩形波高电平宽度50us，低电平宽度300us。请编程实现。