單片機的定時與計數(shù)

5單片機定時與計數(shù)電子信息工程系董峰任務(wù)與知識點(參考教材§5.3，P135)任務(wù)定時器實現(xiàn)LED閃爍改變LED燈閃爍速度流水線產(chǎn)品計數(shù)交通信號燈的定時控制知識點定時器/計數(shù)器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理定時器/計數(shù)器的初始化定時器/計數(shù)器的相關(guān)計數(shù)器及各種工作方式定時器/計數(shù)器的應(yīng)用5.1定時器與計數(shù)器的基本概念1、計數(shù)

計數(shù)是指對事物數(shù)量的統(tǒng)計，通常以“1”為單位進行累加。生活中常見的有家用水電表、汽車里程表等；同時，計數(shù)也應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，如某生產(chǎn)流水線對產(chǎn)品進行計數(shù)打包，每計到8個，就產(chǎn)生電信號，驅(qū)動機械裝置進行包裝。2、計數(shù)器的容量家用水電表走到一定的數(shù)量就到頂，再計數(shù)就要從零開始。任何計數(shù)裝置都是有一定的容量限制的。80C51單片機中有兩個16位計數(shù)器，分別稱之為T0和T1，最大的計數(shù)量為65536（2的16次方）。3、定時單片機內(nèi)部有定時與計數(shù)裝置，如圖5-1所示，我們稱為定時器與計數(shù)器。圖5?1定時器/計數(shù)器的定時或計數(shù)來源假設(shè)單片機內(nèi)部振蕩頻率是12MHZ，一個內(nèi)部計數(shù)信號的時間間隔將是1μS。

定時器則是由單片機內(nèi)部振蕩信號經(jīng)過12分頻后產(chǎn)生一個時間間隔穩(wěn)定的計數(shù)信號。計數(shù)器記錄的是單片機外部發(fā)生的事件，由單片機的外部電路提供計數(shù)信號4、溢出

計數(shù)器是有容量限制的，當?shù)搅俗畲笕萘繒r就會清零。如何捕捉這種情況呢？我們叫做溢出。一般來說，對溢出是做相關(guān)處理工作的，比如：課間休息十分鐘，……，時間到了（溢出），則上課鈴響了（相關(guān)處理），就意味著要上課了。5、計數(shù)次數(shù)的預(yù)置(重點)80C51單片機最大計數(shù)容量是65536，因此只要計滿這個數(shù)值就會產(chǎn)生溢出，但在實際工作中，經(jīng)常會有少于65536這個數(shù)值的要求。如：生產(chǎn)流水線，要求每計數(shù)8個，就要進行溢出處理。類似這種情況很多，如何設(shè)置任意溢出的計數(shù)值呢？

這里就需要預(yù)置計數(shù)次數(shù)：如果要計數(shù)100，預(yù)先在計數(shù)器中放上65436，這樣再來100次脈沖信號，就到了65536最大計數(shù)量，意味著可以溢出處理了。65436就稱計數(shù)的預(yù)置值。6、定時時間的預(yù)置(重點)

只要計數(shù)裝置計數(shù)間隔時間固定，定時時間是可以轉(zhuǎn)化成計數(shù)量來處理的，這里就需要知道每計數(shù)一次要花費的時間，這個與單片機晶振頻率相關(guān)。假設(shè)晶振頻率是12MHZ，一個機器周期（計時脈沖）是1μS，最大定時時間為65.536ms（計滿65536個脈沖）。如果要定時50ms，預(yù)先在計數(shù)器中放入定時初值65536-50000=15536即可。另外，需要說明

單片機的定時計數(shù)裝置一般是需要不斷重復(fù)定時計數(shù)操作，即這次完成50ms的定時任務(wù)，緊接著可能進行第二次50ms的定時操作。而定時計數(shù)器一旦產(chǎn)生溢出，其值就會清零，定時時間就會不準確。

為避免這種錯誤，我們應(yīng)該在溢出發(fā)生后，馬上將定時計數(shù)預(yù)置初值再次送到定時計數(shù)器中，可以保證定時器計數(shù)器準確工作。想一想，做一做（1）生產(chǎn)流水線對藥片進行計量，每到60粒即為一瓶，要進行封裝操作，計數(shù)器應(yīng)預(yù)置多大的計數(shù)預(yù)值？（2）假設(shè)單片機的晶振頻率是12MHZ，需要定時10ms，定時器應(yīng)預(yù)置定時初值為多少？5.2定時器實現(xiàn)LED燈閃爍【例5-1】用定時器的查詢方式實現(xiàn)LED燈的閃爍(間隔時間為60ms)程序分析：

JBC指令格式：JBCbit,標號

這是一條判斷轉(zhuǎn)移并清0指令，JBC后面的第1個參數(shù)是位變量，第2個參數(shù)是一個標號。如果bit位的值等于1，則轉(zhuǎn)到標號所指的位置去執(zhí)行指令，同時該bit位清0。在這里，是判斷定時溢出標志TF0是否溢出，并做出相應(yīng)事件處理。XRL指令格式：XRLdirect,#data

這是一條邏輯異或指令，XRL后面的第1個參數(shù)是直接地址，第2個參數(shù)是一個立即數(shù)。將直接地址中的數(shù)據(jù)和立即數(shù)按位異或，結(jié)果再存放入直接地址中。在程序中，它起的作用是將P1口數(shù)據(jù)取反后，去點亮LED燈。開始學習定時器/計數(shù)器的知識，了解什么是硬件延時了。目標：5.2.1定時器/計數(shù)器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理圖5?28051定時器/計數(shù)器邏輯結(jié)構(gòu)圖1.基本結(jié)構(gòu)TMOD、TCON是與定時器工作密切相關(guān)的兩個控制寄存器。定時器0，定時器1是16位加法計數(shù)器

TL0、TL1、TH0、TH1的訪問地址依次為8AH8DH，每個寄存器均可單獨訪問，進行定時/計數(shù)初值的設(shè)定。TMOD寄存器用于決定定時器/計數(shù)器是計數(shù)用，還是定時用；TCON寄存器決定定時器/計數(shù)器具什么時侯啟動，以及什么時侯停止工作。

都可以設(shè)置為定時器或計數(shù)器用。它們分別由兩個8位專用寄存器組成。定時器0由TH0和TL0組成，定時器1由TH1和TL1組成。2.工作原理

定時器開始工作后，它是不會占用CPU的操作時間。也就是說，定時器和CPU之間是互不干擾，并行工作的；

只有在定時器溢出時，才可能中斷CPU當前的操作，要求CPU進行相應(yīng)的溢出處理工作，如【例4-1】中，當溢出發(fā)生時，系統(tǒng)將跳轉(zhuǎn)到“13NEXT:”處，做定時器重新賦初值、P1口數(shù)據(jù)取反等工作。比較一下定時器延時程序和軟件延時程序區(qū)別？

軟件延時程序中，CPU在延時上花費了大量的精力，只顧著計算延時、讓彩燈閃爍了，就限制單片機其它功能的發(fā)揮。

定時器定時程序中，CPU只需要設(shè)好定時初值，延時計算給定時器去做了，CPU可以多做一些其它工作了。5.2.2定時器/計數(shù)器的初始化（重點）

在啟動定時器/計數(shù)器工作之前，CPU必須將一些命令（稱為控制字）寫入定時/計數(shù)器的相關(guān)寄存器中，這個過程稱為定時/計數(shù)器的初始化。

初始化一般有四個步驟

步驟一：確定工作方式通過對工作方式寄存器TMOD進行參數(shù)設(shè)置，表明定時器/計數(shù)器0工作在定時模式的工作方式1中。步驟二：預(yù)置定時或計數(shù)的初值設(shè)12M晶振，則機器周期T=1s。因要求每60ms溢出一次，計數(shù)值=60ms/1s=60000。在工作方式1時，其最大計數(shù)值等于6553665536-60000=5536=15A0H，將15H、0A0H分別預(yù)置給TH0、TL0，即完成初值設(shè)置。步驟三：是否開啟定時器/計數(shù)器中斷

我們可以根據(jù)實際需要，決定是否允許定時器/計數(shù)器的中斷請求產(chǎn)生和CPU是否允許接受定時器/計數(shù)器的中斷請求。由于在本例中使用的是溢出查詢處理方式，未采用溢出中斷處理方式，因此對中斷允許寄存器IE的相關(guān)標志位未做設(shè)置。

在下一章學習中，我們將學習到定時器/計數(shù)器溢出的中斷處理方式。

步驟四：啟動定時器/計數(shù)器工作直接由軟件置位啟動定時器/計數(shù)器工作。想一想，做一做（1）如何將計數(shù)初值由十進制數(shù)轉(zhuǎn)化成十六進制數(shù)，并正確賦值給TH0和TL0？（2）我們?nèi)绾巫龅阶層布〞r時間變長？5.3對LED燈閃爍速度的控制思考：在例5-1中，LED燈閃的太快了，如何放慢速度呢？下面我們進行試驗。【例5-2】LED燈0.5秒閃爍速度控制。溢出否?循環(huán)次數(shù)10初始化燈亮重置循環(huán)初值10重置時間初值NYNY溢出否?循環(huán)次數(shù)10初始化燈亮重置循環(huán)初值10重置時間初值NY程序分析：

在定時溢出時，并不馬上改變P1口狀態(tài)（LED燈亮滅狀態(tài)），而是利用指令“DJNZR7,JP1”

做循環(huán)次數(shù)為10的循環(huán)判斷，沒到循環(huán)次數(shù)，則繼續(xù)定時，等待溢出；到了循環(huán)10次，將LED燈亮滅狀態(tài)改變，再次設(shè)置循環(huán)次數(shù)，繼續(xù)定時，等待溢出。在上例中，LED燈閃得太快了，如何放慢它的速度呢？下面我們來進行實驗。放慢速度的方法：目標：學習與定時器工作相關(guān)的兩個寄存器寄存器TMOD和TCON。

5.3.1工作方式寄存器TMOD(重要)TMOD（89H）D7D6D5D4D3D2D1D0GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0位地址（無）定時器1定時器0由上表可知，TMOD的低4位為T0的方式字段，高4位為T1的方式字段，它們的含義完全相同。各標志介紹如下：

GATE：門控位。當GATE=0時，控制寄存器TCON中的TR0或TR1置1即可啟動定時器，稱之為軟啟動；當GATE=1時，控制寄存器TCON中的TR0或TR1須先置1，由（P3.2）或（P3.3）引腳為高電平時啟動定時器，稱之為硬啟動。作用：用于控制定時/計數(shù)器是否受外部中斷請求信號的影響。

：功能選擇位。=0時，設(shè)置為定時器工作模式；=1時，設(shè)置為計數(shù)器工作模式。表5-1表5-1方式寄存器TMOD表5-2定時/計數(shù)器工作方式設(shè)置表M1和M0：工作方式控制位。T0或T1的工作方式選擇取決于M1M0設(shè)置，其中工作方式0、1、2對T0和T1完全相同，而工作方式3僅為T0所具有，可構(gòu)成如下表所示的四種工作方式。M1M0工作方式說明00方式013位定時/計數(shù)器01方式116位定時計數(shù)器10方式2自動重裝8位定時/計數(shù)器11方式3T0分成兩個8位定時/計數(shù)器，T1停止計數(shù)最后需要注意：TMOD寄存器是不能位尋址的，只能用字節(jié)指令設(shè)置定時器工作模式和工作方式，高4位定義T1，低4位定義T0。復(fù)位時，TMOD所有位均置0。5.3.2控制寄存器TCONTCOND7D6D5D4D3D2D1D0位名稱TF1TR1TF0TR0位地址8FH8EH8DH8CHTF1：T1溢出標志位。當T1計數(shù)滿產(chǎn)生溢出時，由硬件自動置TF1=1。在中斷允許時，向CPU發(fā)出T1的中斷請求，進入中斷服務(wù)程序后，由硬件自動清0。在中斷屏蔽時，TF1可作溢出查詢測試用，此時必須由軟件清0。TR1：T1運行控制位。當GATE=0時，TR1置1，即可啟動T1；當GATE=1，TR1置1，不能啟動T1，必須等為高電平才能啟動T1。TF0和TR0將作用于T0，其功能及操作情況同TF1和TR1。表5-3控制寄存TCON5.4流水線產(chǎn)品計數(shù)和溢出處理

前面介紹了定時/計數(shù)器的定時方式，下面通過兩個案例看看定時/計數(shù)器的計數(shù)方式是如何進行的。首先，讓我們來看看計數(shù)信號在計數(shù)器內(nèi)部是如何表示的，如【例5-3】所示；其次，我們還要知道計數(shù)溢出是如何得到處理的，如【例5-4】所示。產(chǎn)品計數(shù)溢出處理5.4.1流水線產(chǎn)品計數(shù)【例5-3】按鍵次數(shù)通過LED燈顯示（二進制數(shù)）1、任務(wù)分析：該指令將定時/計數(shù)器1設(shè)定為計數(shù)模式的工作方式1，定時/計數(shù)器0不工作。

圖5?3外部按鍵計數(shù)電路原理圖

當程序運行時，只要按下按鈕，按鈕所連的紅燈就會亮一下，表示計數(shù)器進行了一次計數(shù)，同時計數(shù)值會通過上面的八個黃燈以二進制形式輸出。2、工作過程及電路原理圖:3、計數(shù)工作必須滿足以下要求:(重點)（1）外部計數(shù)脈沖從引腳T0（P3.4）和T1（P3.5）輸入；（2）外部脈沖最高頻率不能超過振蕩頻率的1/24；（3）保證輸入信號高/低電平保持在一個機器周期以上時間，才能被系統(tǒng)檢測到；（4）只有輸入引腳電平發(fā)生1到0的負跳變后，新的計數(shù)值才裝入計數(shù)器中。4、定時/計數(shù)的四種工作方式工作方式0工作方式1工作方式2工作方式3由方式寄存器TMOD

中的M1M0決定，參見表5-1所示工作方式0圖5?4T0方式0時的邏輯電路結(jié)構(gòu)圖設(shè)置M1M0=00B，構(gòu)成13位定時器/計數(shù)器。最大計數(shù)值為8192。其中，TH0占高8位，TL0占低5位（高3位未用）。當TL0低5位溢出時自動向TH0進位，而TH0溢出時向中斷位TF0進位（硬件自動置位），并申請中斷。

當GATE=0時，TR0直接控制T0的啟動和關(guān)閉。TR0=1，接通控制開關(guān)，T0從初值開始計數(shù)直至溢出。當GATE=1時，與門的輸出由的輸入電平和TR0位的狀態(tài)來確定。若TR0=1，外部信號電平通過引腳控制T0是否工作，當為高電平時，允許計數(shù)，否則停止計數(shù)。

工作方式1INT0振蕩器÷12TL08位中斷TF0_C/T=0_C/T=1控制T0TR0GATE&≥11TH08位設(shè)置M1M0=01B，構(gòu)成16位定時器/計數(shù)器。最大計數(shù)值為65536。其中，TH0占高8位，TL0占低8位。當TL0低8位溢出時自動向TH0進位，而TH0溢出時向中斷位TF0進位（硬件自動置位），并申請中斷。

當GATE=0時，TR0直接控制T0的啟動和關(guān)閉。TR0=1，接通控制開關(guān)，T0從初值開始計數(shù)直至溢出。當GATE=1時，與門的輸出由的輸入電平和TR0位的狀態(tài)來確定。操作完全同工作方式0。圖5?5T0方式1時的邏輯電電路結(jié)構(gòu)圖INT0振蕩器÷12TH08位TL08位中斷TF0重新輸入_C/T=0_C/T=1控制T0TR0GATE&≥11工作方式2設(shè)置M1M0=10B，構(gòu)成8位定時器/計數(shù)器。最大計數(shù)值為256。其中，TL0用來計數(shù)。當TL0溢出時自動向中斷位TF0進位（硬件自動置位），并申請中斷。同時，TH0存儲計數(shù)初值會自動向TL0中重裝。操作方式同前圖5?6T0方式2時的邏輯電路結(jié)構(gòu)圖工作方式3操作方式同前設(shè)置M1M0=11B，T0被分解成兩個獨立的8位計數(shù)器TL0和TH0。T1停用。TL0占用T0的所有資源，可用作8位定時/計數(shù)器。TH0只能用作定時器使用，溢出時占用定時/計數(shù)器T1的控制位TF1。TH0定時器的啟動和關(guān)閉占用定時/計數(shù)器T1的控制位TR1，僅受TR1置1或清0控制。圖5?7T0方式3時的邏輯電路結(jié)構(gòu)圖想一想，做一做（1）51單片機定時器/計數(shù)器四種工作方式的特點及設(shè)置方法？5.4.2計數(shù)溢出處理【例4-4】計數(shù)溢出觸發(fā)蜂鳴器發(fā)聲

在例5-3中，我們學習了定時/計數(shù)是如何進行的，但在生產(chǎn)流程中，產(chǎn)品計數(shù)到了一定數(shù)限要進行包裝的，就涉及計數(shù)溢出處理了。通過案例學習計數(shù)溢出處理。程序如下：1、任務(wù)分析：對定時器T0工作模式和工作方式進行相關(guān)設(shè)置：計數(shù)模式為：工作方式2，對外部連續(xù)脈沖信號進行計數(shù)。定時器T0計數(shù)初值為9CH，即計數(shù)到100就會自動溢出對P3.7端口進行取反，其目的是使連接到該端口的蜂鳴器鳴叫；代碼中可以看到循環(huán)10次，即應(yīng)該鳴叫5聲2、蜂鳴器的工作原理圖5?8電磁式蜂鳴器實物圖電磁式蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于單片機的I/O口是無法直接驅(qū)動的，所以要利用放大電路來驅(qū)動，一般使用三極管來放大電流就可以了。

單片機上使用的蜂鳴器一般都是電磁式無源蜂鳴。蜂鳴器根據(jù)結(jié)構(gòu)不同分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器，而兩種蜂鳴器又可再分類為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器，這里的源特指振蕩源。有源蜂鳴器直接加電就可以響起，無源蜂鳴器需要我們給它提供振蕩源。理想的振蕩源為一定頻率的方波。（必須在20KHZ以內(nèi)，否則人耳聽不見）。3、工作過程及電路原理圖圖5?9計數(shù)溢出觸發(fā)蜂鳴器電路原理圖

由圖可知，外部脈沖信號頻率為4HZ，每到一個脈沖需要用時0.25秒，我們進行計數(shù)100次，需要花費時間25秒，也就是說，定時/計數(shù)器0到25秒時間就會產(chǎn)生溢出，系統(tǒng)將進行蜂鳴器發(fā)聲的處理。想一想，做一做（1）在例【5-4】中，我們設(shè)置定時器/計數(shù)器工作于計數(shù)模式，但同樣能起作定時效果，定時器與計數(shù)器最重要的區(qū)別是什么？（2）設(shè)置定時器T0，使P1.0輸出如圖所示的矩形脈沖。5.5交通燈信號的定時控制復(fù)雜的交通燈信號系統(tǒng)要包括交通燈正常顯示、單路放行控制、緊急事件處理、數(shù)碼管倒計時等相關(guān)控制系統(tǒng)。在這里，我們只介紹交通信號燈的正常定時控制是如何進行設(shè)計的。交通燈信號設(shè)計交通燈亮滅時序程序設(shè)計分析內(nèi)容包括電路原理圖、及交通燈信號設(shè)計方法交通燈信號變化要求及亮滅時序安排延時子程序設(shè)計、信號燈點亮控制及參數(shù)設(shè)計、信號燈時延設(shè)計、主程序初始化設(shè)計三部分內(nèi)容講解5.5.1 交通燈信號設(shè)計圖5?10十字路口交通燈示意圖1、工作電路原理圖我們用12只發(fā)光二極管模擬交通信號燈。在電路控制時，設(shè)計P1各端口相關(guān)電位來實現(xiàn)交通燈控制功能。由于相對路口的交通信號是一樣的，故只需要單片機P1口的六個引腳就夠用了。2、交通燈信號設(shè)計方法在實際的交通控制中，如果一道為綠燈或黃燈時，另一道必為紅燈。P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0控制碼P1口狀態(tài)說明空空B綠B黃B紅A綠A黃A紅11110011F3HA燈放行，B燈禁止11110101F5HA燈警告，B燈禁止11011110DEHA燈禁止，B燈放行11101110EEHA燈禁止，B燈警告11110110F6H兩燈禁止，兩道禁行表5?3交通燈控制碼與狀態(tài)說明設(shè)P1口各引腳輸出高電平時，則相關(guān)的連線的“信號燈”熄滅；反之，P1口線各引腳輸出低電平時，則相關(guān)的連線的“信號燈”會點亮。形成的相應(yīng)控制碼和狀態(tài)說明見下表所示。5.5.2 交通燈亮滅時序設(shè)計好交通信號表達之后，我們就要考慮交通信號是如何進行亮滅切換的。即：設(shè)計交通燈正常情況下的亮滅時序。通過圖示，A、B道（注：A是主道，B是支道）輪流放行。A道放行1分鐘，其中5秒用于警告（A綠燈閃爍3秒，A黃燈亮2秒）；B道放行30秒，其中5秒用于警告（B燈警告設(shè)置同A燈）。要求主干道綠燈時間應(yīng)該設(shè)置比非主干道的要長一些，同時考慮綠燈要能夠保持一定時間的閃爍，起到提醒作用。圖4?11交通燈亮滅控制設(shè)計流程圖5.5.3 程序設(shè)計分析1、延時子程序代碼設(shè)計從信號燈點亮的時長有55秒、2秒、25秒很多種，較為特殊的是閃爍，亮滅一次為1秒，我們可以知道最小的延時時間應(yīng)該是0.5秒。為提高時間精確度，我們采用定時器進行延時處理。單片機最長的定時時間為65.536ms，和0.5秒最小延時有很大差距，怎么辦呢？如果我們設(shè)置定時50ms，50ms重復(fù)10次，就可以獲取0.5秒的延時時間，如下代碼所示。延時時間到了，將F0標志置“1”，讓主程序進行相應(yīng)處理2、信號燈點亮控制的參數(shù)設(shè)計信號燈有七種狀態(tài)：⑴A、B道禁行（即初始化1秒）；⑵A綠燈點亮55秒；⑶