單片機原理及應(yīng)用：第7章 定時器計數(shù)器及應(yīng)用

第7章定時器/計數(shù)器及應(yīng)用內(nèi)容

定時/計數(shù)技術(shù)概述7.180C51單片機的定時器/計數(shù)器7.2定時器/計數(shù)器的應(yīng)用7.37.1定時/計數(shù)技術(shù)概述定時和計數(shù)都是利用計數(shù)器對脈沖進行計數(shù)。定時是對周期固定的內(nèi)部機器周期脈沖進行計數(shù)，定時時間為脈沖周期與脈沖個數(shù)的乘積。計數(shù)是對外界產(chǎn)生的脈沖進行計數(shù)。計數(shù)器的計數(shù)方式可以是加1計數(shù)，也可以是減1計數(shù)。在單片機控制系統(tǒng)中定時/計數(shù)的實現(xiàn)方法有3種：軟件定時/計數(shù)器、數(shù)字電路定時/計數(shù)器和可編程定時/計數(shù)器。7.1.1軟件定時/計數(shù)器軟件定時是靠執(zhí)行一段循環(huán)程序以實現(xiàn)時間延遲。如本書前面常用的voidDelayMS(uintxms)延時子函數(shù)：voidDelayMS(uintxms){ uinti,j; for(i=0;i<xms;i++)for(j=0;j<110;j++);}7.1.2數(shù)字電路定時/計數(shù)需要計數(shù)較多或定時時間較長，常使用硬件電路完成。硬件定時/計數(shù)的特點是定時/計數(shù)功能全部由硬件電路完成，不占用CPU的時間，但需要通過改變電路中的元件參數(shù)來調(diào)節(jié)定時時間和計數(shù)長度，使用上不夠靈活。7.1.3可編程定時/計數(shù)為了使用方便并增加單片機的功能，很多單片機內(nèi)部都集成了可編程的定時/計數(shù)器。80C51單片機內(nèi)部就有可編程的定時/計數(shù)器，其中51子系列內(nèi)部有2個，52子系列內(nèi)部有3個。本章只介紹51子系列內(nèi)部的定時器/計數(shù)器。7.280C51單片機的定時器/計數(shù)器51子系列單片機內(nèi)部有兩個獨立的16位可編程定時/計數(shù)器，分別稱為定時器0(簡稱T0)和定時器1(簡稱T1)，它們可以編程選擇工作于定時模式或外部事件計數(shù)模式，此外它們的工作方式、定時時間、計數(shù)值、啟動、是否允許中斷等都可以由程序設(shè)定。7.2.1定時器/計數(shù)器的結(jié)構(gòu)定時器/計數(shù)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖7-1所示。圖7-1定時器/計數(shù)器0、1的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖7.2.2定時器/計數(shù)器的工作原理定時器/計數(shù)器T0、T1的工作原理圖如圖7-2所示。圖7-2定時器/計數(shù)器的工作原理圖(a)定時器/計數(shù)器0(T0)工作原理圖7.2.2定時器/計數(shù)器的工作原理定時器/計數(shù)器T0、T1的工作原理圖如圖7-2所示。圖7-2定時器/計數(shù)器的工作原理圖(b)定時器/計數(shù)器1(T1)工作原理圖1.工作方式寄存器TMOD

TMOD用來選擇定時器/計數(shù)器的工作模式和工作方式，字節(jié)地址為89H，不能進行位尋址，低4位用于定時器/計數(shù)器T0，高4位用于定時器/計數(shù)器T1，其格式如下所示：

8位分為2組，高4位控制T1，低4位控制T0。各位的含義說明如下：(1)M1、M0：工作方式選擇位定時器/計數(shù)器有四種工作方式，由M1、M0進行設(shè)置，如表7-1所示。表7-1定時器/計數(shù)器0、1的工作方式選擇M1M0工作方式00方式0，為13位定時器/計數(shù)器01方式1，為16位定時器/計數(shù)器10方式2，具有自動重裝初值的8位定時器/計數(shù)器11方式3，僅適用于T0，T0分成兩個獨立的8位計數(shù)器，T1停止計數(shù)(2)：定時器/計數(shù)器工作模式選擇位。＝0，為定時器工作模式；＝1，為計數(shù)器工作模式。(3)GATE：門控位。GATE=0，定時器/計數(shù)器0、1的啟動計數(shù)由TCON中的TR0、TR1控制，當(dāng)TR0或TR1為1時，就可以啟動定時器/計數(shù)器0或1工作。GATE=1，定時器/計數(shù)器0、1的啟動計數(shù)由TCON中的TR0、TR1和外部中斷引腳、一起控制。當(dāng)TR0或TR1為1，同時或也為高電平時，才能啟動定時器/計數(shù)器0或1工作。例7-1若定時器T1工作于方式2計數(shù)模式，定時器T0工作于方式1定時模式，GATE=0，要求設(shè)置TMOD。解：根據(jù)TMOD各位的定義，得TMOD=01100001B=61H。2．控制寄存器TCONTCON的字節(jié)地址為88H，可位尋址，位地址為88H～8FH，TCON的格式如下：

低4位與外部中斷有關(guān)，已在第6章中介紹，高4位的功能如下：(1)TF1：定時器/計數(shù)器T1溢出中斷請求標(biāo)志位。定時器/計數(shù)器T1計數(shù)溢出后，硬件自動將TF1置1。使用查詢方式時，查詢到TF1=1后，應(yīng)該及時用軟件方法將TF1清0。使用中斷方式時，CPU響應(yīng)中斷后，進入中斷服務(wù)程序后由硬件自動將TF1清0。(2)TR1：定時器/計數(shù)器T1的運行控制位。TR1=1，啟動定時器/計數(shù)器工作；TR1=0，停止定時器/計數(shù)器工作。(3)TF0：定時器/計數(shù)器T0的溢出中斷請求標(biāo)志位，其功能與TF1類似。(4)TR0：定時器/計數(shù)器T0的運行控制位，其功能與TR1類似。3.定時器/計數(shù)器的工作模式選擇定時器/計數(shù)器的工作模式選擇由決定，如圖7-3所示

位控制的電子開關(guān)S1決定了定時器/計數(shù)器的工作模式，電子開關(guān)打在上面＝0，電子開關(guān)打在下面＝1。＝0時為定時器工作模式，以系統(tǒng)晶振頻率12分頻后的信號，即Tcy信號作為計數(shù)器基準(zhǔn)信號。＝1時為計數(shù)器工作模式，計數(shù)脈沖為P3.4引腳上的外部輸入脈沖，當(dāng)引腳上發(fā)生負跳變時，計數(shù)器加1。4.定時器/計數(shù)器的運行控制定時器/計數(shù)器的運行控制如圖7-4所示，電子開關(guān)S2閉合時定時器/計數(shù)器啟動計數(shù)，S2斷開時定時器/計數(shù)器停止計數(shù)。電子開關(guān)S2由門控位GATE、運行控制位及外部中斷輸入引腳共同控制。

當(dāng)門控位GATE=0時，或門A輸出為1，定時器/計數(shù)器T0啟動運行受TR0一個條件控制。當(dāng)門控位GATE=1時，定時器/計數(shù)器T0啟動運行受TR0和外部中斷0引腳的狀態(tài)兩個條件控制。此時，定時器T0的運行情況如表7-2所示。表7-2GATE=1時，與門B輸出與定時器T0的運行情況TR0與門B輸出定時器工作情況111啟動運行010停止運行100停止運行000停止運行7.2.3定時器/計數(shù)器的工作方式定時器/計數(shù)器的工作方式有4種，由TMOD中的M1M0控制。1.方式0當(dāng)TMOD的M1M0=00時，定時器/計數(shù)器工作于方式0，為13位的定時器/計數(shù)器方式。由TL0的低5位和TH0的高8位構(gòu)成13位的計數(shù)器，如圖7-5所示。TL0低5位計數(shù)溢出則向TH0進位，TH0計數(shù)溢出則置位TCON中的溢出標(biāo)志位TF0。單片機內(nèi)部的定時器/計數(shù)器為加法計數(shù)器，假設(shè)N是計數(shù)值，x為計數(shù)初值，n為定時器/計數(shù)器的位數(shù)，它們之間的關(guān)系如下：N=2n-x如果定時器/計數(shù)器工作于定時器工作模式，晶振頻率為fosc，要求的定時時間為T，則機器周期Tcy為12/fosc，定時時間、計數(shù)初值和機器周期的關(guān)系如下：T＝(2n-x)×Tcy方式0中初值x的設(shè)置范圍：0~8191(0~213-1)，TH0、TL0從初值開始加法計數(shù)，直至溢出，所以設(shè)置的初值不同，定時時間或計數(shù)值也不同。因此方式0工作時計數(shù)值和定時值分別為：N=213-x=8192-xT＝(2n-x)Tcy=(8192-x)Tcy由于為加1計數(shù)器，當(dāng)x取為8191時，計數(shù)值最小，為1；當(dāng)x取為0時，計數(shù)值最大，為8192。因此方式0的計數(shù)范圍為：1~8192，定時范圍：(1~8192)Tcy。注意：方式0加法計數(shù)器TH0溢出后，必須用程序重新對TH0、TL0設(shè)置初值，否則下一次TH0、TL0將從0開始加法計數(shù)。例7-2已知晶振頻率fosc=12MHz，要求定時器0產(chǎn)生1ms的定時時間，問送入TH0和TL0的計數(shù)初值各為多少？試對定時器進行初始化編程。解：由于晶振頻率為12MHz，所以機器周期Tcy=1μs，定時器0選用方式0時最大定時時間為8192μs，即8.192ms，而題目要求的定時時間為1ms，小于8.192ms，所以可以選用方式0。(1)計算TH0、TL0的計數(shù)初值T=(2n-x)×Tcy＝(213-x)×1μs=1ms=1000μs，所以x=8192-1000=7192=1C18H=0001110000011000B，取其低13位，放入TH0和TL0，則TH0=E0H，TL0=18H。(2)TMOD寄存器初始化根據(jù)題目要求，GATE(TMOD.3)=0，(TMOD.2)=0，M1(TMOD.1)=0，M0(TMOD.0)=0，定時器/計數(shù)器1沒有使用，相應(yīng)的各個位隨意狀態(tài)，均取為0，則(TMOD)=00H。(3)初始化程序voidinit_time0(void){ TMOD=0x00;//設(shè)置T0為定時器模式，工作在方式0 TH0=0xE0; TL0=0x18; TR0=1;// 啟動T0}方式0是13位定時器/計數(shù)器，目的是為了兼容早期的MCS-48單片機，計數(shù)初值有高8位和低5位構(gòu)成，確定初值比較麻煩，所以在實際應(yīng)用中已應(yīng)用不多。2.方式1當(dāng)TMOD的M1M0=01時，定時器/計數(shù)器工作于方式1，工作于16位的定時器/計數(shù)器方式。由8位TL0和8位TH0構(gòu)成16位計數(shù)器，如圖7-6所示。TL0計數(shù)溢出則向TH0進位，TH0計數(shù)溢出則置位TCON中的溢出標(biāo)志位TF0。方式1和方式0的差別僅在于計數(shù)器的位數(shù)不同，方式1是16位定時器/計數(shù)器，由TH0高8位和TL0低8位構(gòu)成，方式0是13位定時器/計數(shù)器。方式1中初值x的設(shè)置范圍：0~65535(0~216-1)，TH0、TL0從初值開始加法計數(shù)，直至溢出。選擇方式1工作時計數(shù)值和定時值分別為：N=216-x=65536-xT＝(216-x)Tcy=(65536-x)Tcy當(dāng)x取為65535時，計數(shù)值最小，為1；當(dāng)x取為0時，計數(shù)值最大，為65536。因此方式1的計數(shù)范圍為：1~65536，定時范圍：(1~65536)Tcy。注意：方式1加法計數(shù)器TH0溢出后，必須用程序重新對TH0、TL0設(shè)置初值，否則下一次TH0、TL0將從0開始加法計數(shù)。例7-3已知晶振頻率fosc=12MHz，要求定時器0產(chǎn)生10ms的定時時間，試對定時器進行初始化編程。解：由于晶振頻率為12MHz，機器周期Tcy=1μs，選用方式0時最大定時時間8.192ms，選擇方式1時，最大定時時間為65.536ms，要求的定時時間為10ms，所以不能選擇方式0，只能選用方式1。(1)計算TH0、TL0的計數(shù)初值由于晶振頻率為12MHz，所以機器周期Tcy=1μs，則定時時間為：T=(2n-x)×Tcy＝(216-x)×1μs=10ms，所以x=65536-10000=55536=D8F0H即TH0=D8H，TL0=F0H，或者TH0=55536/256，TL0=55536%256(2)TMOD寄存器初始化根據(jù)題目要求，GATE(TMOD.3)=0，(TMOD.2)=0，M1(TMOD.1)=0，M0(TMOD.0)=1，定時器/計數(shù)器1沒有使用，相應(yīng)的各個位狀態(tài)隨意，均取為0，則(TMOD)=01H。(3)初始化程序voidinit_time0(void){ TMOD=0x01;//設(shè)置T0為定時器模式，工作在方式1 TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; TR0=1;// 啟動T0}3.方式2當(dāng)TMOD的M1M0=10時，定時器/計數(shù)器工作于方式2，工作于8位自動重裝初值的8位定時器/計數(shù)器方式。方式2計數(shù)器構(gòu)成如圖7-7所示，TL0作為8位計數(shù)器使用，TH0作為初值寄存器用，TL0計數(shù)溢出后，將TF0置1，同時發(fā)出自動重裝初值的信號，使三態(tài)門打開，將TH0中初值自動送入TL0，使TL0從初值開始重新計數(shù)。方式2中初值x的設(shè)置范圍：0~255(0~28-1)，TL0從初值開始加法計數(shù)，溢出后TH0中初值重新置入TL0。方式2工作時計數(shù)值和定時值分別為：

N=28-x=256-xT＝(28-x)Tcy=(256-x)Tcy當(dāng)x取為255時，計數(shù)值為1；當(dāng)x取為0時，計數(shù)值為256。因此方式2的計數(shù)范圍為：1~256，定時范圍：(1~256)Tcy由于工作方式2有自動重新裝載初值的功能，因此特別適用于定時控制。例7-4已知晶振頻率fosc=12MHz，要求每隔200μs產(chǎn)生一定時信號，試對定時器進行初始化。解：選擇定時器0，工作在方式2。(1)計算TH0、TL0的計數(shù)初值由于晶振頻率為12MHz，所以機器周期Tcy=1μs，則(2n-x)×Tcy＝(28-x)×1μs=200μs，所以x=256-200=56=38H即TH0=38H，TL0=38H或者TH0=(256-200)/256，TL0=(256-200)%256。(2)TMOD寄存器初始化GATE(TMOD.3)=0，(TMOD.2)=0，M1(TMOD.1)=1，M0(TMOD.0)=0，定時器/計數(shù)器1沒有使用，相應(yīng)的各個位狀態(tài)隨意，均取為0，則(TMOD)=02H。(3)初始化程序voidinit_time0(void){ TMOD=0x02;//設(shè)置T0為定時器模式，工作在方式1 TH0=0x38; TL0=0x38; TR0=1;// 啟動T0}4.方式3方式3只適用于定時器/計數(shù)器T0，當(dāng)TMOD的M1M0=11時，定時器/計數(shù)器T0工作于方式3，定時器/計數(shù)器T1不能工作在方式3。定時器/計數(shù)器T0工作于方式3的工作原理如圖7-8所示。(a)TL0作8位定時器/計數(shù)器(b)TH0作8位定時器圖7-8定時器/計數(shù)器T0方式3原理圖方式3時，T0分成兩個獨立的8位計數(shù)器：TL0和TH0，TL0是8位定時器/計數(shù)器，TH0是8位定時器，TL0使用T0的狀態(tài)控制位、GATE、TR0、，當(dāng)TL0計數(shù)溢出時，由硬件將TF0置1，向CPU發(fā)出中斷請求。TH0固定為定時器方式，是8位定時器模式，只能對機器周期Tcy進行計數(shù)，不能作為計數(shù)器模式，對外部脈沖進行計數(shù)。由于TL0已占用了TR0和TF0，因此TH0借用了定時器/計數(shù)器T1的TR1和TF1，TH0的啟動和停止受TR1控制，TH0定時時間到，將TF1置1。定時器/計數(shù)器T0工作在方式3時，定時器/計數(shù)器T1雖然還可以選擇為方式0、方式1或方式2，但是由于TH0借用了定時器/計數(shù)器T1的TR1和TF1，不能產(chǎn)生溢出中斷請求信號，這時T1就不能用于需要中斷方式的場合，而通常用作串行口的波特率發(fā)生器。定時器/計數(shù)器T0工作在方式3時的計數(shù)范圍為：1~256，定時范圍：(1~256)Tcy。7.2.4定時器/計數(shù)器對輸入信號的要求定時器/計數(shù)器的作用是用來精確地確定某一段時間間隔(作為定時器用)，或累計外部輸入的脈沖個數(shù)(作為計數(shù)器用)。當(dāng)用做定時器時，在其輸入端輸入周期固定的脈沖，根據(jù)定時器/計數(shù)器中累計(或事先設(shè)定)的周期固定的脈沖個數(shù)，即可計算出所定時間的長度。當(dāng)80C51內(nèi)部的定時器/計數(shù)器被選定為定時器工作模式時，計數(shù)輸入信號是內(nèi)部機器周期脈沖，每個機器周期產(chǎn)生一個脈沖，計數(shù)器增1，定時器/計數(shù)器的輸入脈沖頻率為時鐘振蕩頻率的1/12。當(dāng)采用12MHz頻率的晶體時，計數(shù)速率為1MHz，輸入脈沖的周期間隔為1μs。由于定時的精度決定于輸入脈沖的周期，因此當(dāng)需要高分辨率的定時，應(yīng)盡量選用頻率較高的晶振(80C51最高為40MHz)。對輸入信號的基本要求如圖7-9所示，圖中Tcy為機器周期。圖7-9對輸入信號的基本要求7.3定時器/計數(shù)器的應(yīng)用定時器/計數(shù)器是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中重要的功能部件，通過靈活應(yīng)用其不同的工作方式可以減輕CPU的負擔(dān)，簡化外圍電路，本節(jié)通過幾個典型的例子，介紹定時器的使用方法。例7-5已知晶振頻率fosc=12MHz，編程使P2.0引腳上產(chǎn)生100ms的方波程序。解：分析：方波的周期為100ms，要求高、低電平的持續(xù)時間各為50ms，采用定時器定時，中斷工作方式。每50ms時間到時，在中斷服務(wù)程序中將P2.0引腳電平狀態(tài)取反，即可獲得所需要的波形。晶振頻率fosc=12MHz，Tcy＝12/fosc=1μs，選擇定時器T1的方式1。(1)確定計算初值(2n-x)×Tcy＝(216-x)×1μs=50ms，x=65536-50000=15536=3CB0H即TH1=3CH，TL1=B0H或者TH1=(65536-50000)/256，TL1=(65536-50000)%256。(2)TMOD寄存器初始化GATE(TMOD.7)=0，(TMOD.6)=0，M1(TMOD.5)=0，M0(TMOD.4)=1，定時器/計數(shù)器0沒有使用，相應(yīng)的各個位狀態(tài)隨意，均取為0，則(TMOD)=10H。(3)程序如下：#include<reg51.h>#defineuintunsignedintsbitfangbo=P2^0;voidmain(){ TMOD=0x10;//設(shè)置T1為定時器模式，工作在方式1 TH1=0x3C; TL1=0xB0; EA=1;//開總中斷

ET1=1;//允許T1中斷

TR1=1;// 啟動T1 while(1); }voidtimer1()interrupt3//定時器1中斷服務(wù)程序{ TH1=(65536-50000)/256; TL1=(65536-50000)%256; fangbo=~fangbo; }P2.0引腳上輸出的周期位100ms的方波仿真結(jié)果如圖7-10所示。圖7-10P2.0引腳上的100ms方波信號仿真圖(每小格為10ms)例7-6利用單片機的定時器設(shè)計一個秒表，使它從0～59s計數(shù)，晶振頻率fosc=12MHz，設(shè)計秒表的proteμs仿真電路，并編寫程序。 解：(1)分析：已知晶振頻率fosc=12MHz，Tcy=1μs，選定時器T0或定時器T1均可，但是應(yīng)該選擇方式0、1、2或3中的哪一種呢？

各種方式的定時時間計算公式為(2n-x)×Tcy，當(dāng)計數(shù)初值x為0時，各種方式最長的定時時間如下：方式0：213×Tcy＝8192μs＝8.192ms；方式1：216×Tcy＝65536μs＝65.536ms，方式2：28×Tcy＝256μs，方式3：28×Tcy＝256μs。方式1是定時時間最長的一種方式，它的最長定時時間為65.536ms，也達不到1s。因此要達到1s的延時，只能采用多次中斷的方式。選擇定時器T0，方式1，設(shè)定T0的定時時間為50ms，每隔50ms中斷1次，中斷20次即為1s。(2)確定計算初值(2n-x)×Tcy＝(216-x)×1μs=50ms，x=65536-50000=15536=3CB0H即TH0=3CH，TL0=B0H(3)TMOD寄存器初始化GATE(TMOD.3)=0，(TMOD.2)=0，M1(TMOD.1)=0，M0(TMOD.0)=1，定時器/計數(shù)器1沒有使用，相應(yīng)的各個位隨意狀態(tài)，均取為0，則(TMOD)=01H。(4)Proteus仿真電路設(shè)計秒表的Proteus電路如圖7-11所示，采用兩位共陰極數(shù)碼管顯示秒數(shù)，數(shù)碼管段選由P1口控制，十位數(shù)碼管的位選由P2.0控制，個位數(shù)碼管的位選由P2.1控制。(5)程序設(shè)計如下：#include<reg51.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharuchartemp,aa,shi,ge;ucharcodetable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//共陰極數(shù)碼管碼表voiddisplay(ucharshi,ucharge);//顯示子程序voiddelay(uintz);//延時子程序voidinit();//定時器初始化子程序voidmain(){ init();//初始化子程序 while(1) { if(aa==20) { aa=0; temp++; if(temp==59) { temp=0; } shi=temp/10; ge=temp%10;

display(shi,ge); }}voiddelay(uintz)//延時子程序{ uintx,y; for(x=z;x>0;x--) for(y=110;y>0;y--);}voiddisplay(ucharshi,ucharge)//顯示子程序{

P2=0xfe;//送入十位數(shù)碼管位選信號，顯示數(shù)字

P1=table[shi];//送入十位數(shù)碼管的段選信號 delay(5); P2=0xfd;//送入個位數(shù)碼管位選信號，顯示數(shù)字 P1=table[ge];//送入個位數(shù)碼管的段選信號 delay(5);}voidinit()//定時器初始化程序{ temp=0; TMOD=0x01;//設(shè)置T0為定時器模式，工作在方式1 TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256;

EA=1;//開總中斷 ET0=1;//允許T0中斷 TR0=1;// 啟動T0}voidtimer0()interrupt1//定時器T0中斷服務(wù)子程序{ TH0=(65536-50000)/256;//重新設(shè)置定時器初值 TL0=(65536-50000)%256; aa++; //中斷次數(shù)加1}例7-7利用單片機的定時器設(shè)計交通信號燈控制電路，用Proteus仿真軟件驗證。解：(1)分析：交通燈有四個方向，南北向是同樣的工作模式，東西向是同樣的工作模式，只要將交通燈的工作模式列出來，采用定時器實現(xiàn)定時控制，當(dāng)定時時間到的時候，進行模式切換，就可以實現(xiàn)交通燈的控制。設(shè)交通燈有如下四種工作模式(為了便于演示，切換時間較短)：①東西向綠燈與南北向紅燈亮5s；②東西向綠燈滅，黃燈閃爍5次；③東西向紅燈與南北向綠燈亮5s；④南北向綠燈滅，黃燈閃爍5次；定時器的四種定時方式中方式1是定時時間最長的一種方式，但它的最長定時時間也只為65.536ms，無法達到5s的延時，所以本題仍然采用定時器延時50ms的方法，在定時器的中斷程序中采用軟件計數(shù)的方法來加長延時時間。(2)Proteus仿真電路設(shè)計交通燈的Proteus仿真電路如圖7-12所示，將交通燈通過反相器7405接在P0口上，P0口通過上拉電阻接+5V。#include<reg52.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcha