單片機原理與接口技術(定時器、計數(shù)器)

定時器/計數(shù)器Timer/Counter（T/C）電子定時器機械定時器電子計步器機械計數(shù)器二、單片機的定時器/計數(shù)器時鐘電路總線控制CPUROM/EPROM/FLASH4K字節(jié)RAM128字節(jié)SFR21個定時/計數(shù)器2個中斷系統(tǒng)、5中斷源2優(yōu)先級串行口全雙工1個并行口4個RSTEAALEPSENXTAL2XTAL1P0P1P2P3VCCVSS√√√√√√與MCS-51單片機相關的21個SFR1、與CPU相關的（6個）（√）

ACC、B、DPH、DPL、SP、PSW2、并行I/O口（√）相關SFR寄存器：P0、P1、P2、P33、中斷系統(tǒng)（√

）相關SFR寄存器：TCON、IE、IP、SCON4、定時器/計數(shù)器相關SFR寄存器：TMOD、TH1、TL1、TH0、TL0、TCON、IE、IP5、串行通信相關SFR寄存器：SCON、PCON、SBUF、IE、IP、TMOD、TCON、TH1、TL1名稱定義地址位功能和位地址復位值TCON定時器控制88H8F8E8D8C8B8A89880X00TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0TMOD定時器模式89HGATECTM1M0GATECTM1M10X00TH0定時器0高字節(jié)8CH0X00TH1定時器1高字節(jié)8DH0X00TL0定時器0低字節(jié)8AH0X00TL1定時器低字節(jié)8BH0X00IE中斷允許控制A8HEA------ESET1EX1ET0EX00X00IP中斷優(yōu)先級控制B8H---------PSPT1PX1PT0PX00X0080C51與T/C相關的SFR有8個◆硬件定時-----就是利用硬件電路來實現(xiàn)用RC電路或邏輯部件定時如555電路，該方式除額外增加硬件資源外，使用起來靈活性也較差；◆軟件定時----就是讓CPU執(zhí)行一個程序段，這個程序段本身沒有具體的執(zhí)行目的，但由于執(zhí)行每條指令都需要時間，則重復執(zhí)行一個程序段就需要一個固定的時間。該方式簡單但卻占用了CPU寶貴的時間資源，降低了CPU的利用率。（一般場合較常用）

◆采用單片機定時/計數(shù)器定時：為了使用方便，解決上述兩種方式的弊端并增加單片機的控制功能，把定時/計數(shù)邏輯電路集成在單片機芯片中，稱之為定時/計數(shù)器。

定時一般有3種方法：1、硬件定時3、采用單片機定時/計數(shù)器定時2、軟件定時

概述二、定時器/計數(shù)器應用定時器/計數(shù)器可以用于定時、計數(shù)和波特率發(fā)生器。

定時器（模式）可用于測量事件之間的時間間隔，如脈沖寬度。

123計數(shù)器（模式）可用于測定某個事件發(fā)生的次數(shù)，如脈沖個數(shù)。

定時器（模式）還可以給串行端口提供波特率時鐘信號。（下一章節(jié)具體講）?UART?個正脈沖標準80C5116位定時器/計數(shù)器016位定時器/計數(shù)器1STC89C5216位定時器/計數(shù)器016位定時器/計數(shù)器116位定時器/計數(shù)器2看門狗定時器標準的80C51有2個16位定時器/計數(shù)器0和1，STC89C52在此之上增加了16位定時器/計數(shù)器2，以及看門狗定時器。本小節(jié)講述請參考數(shù)據(jù)手冊自行學習與定時器/計數(shù)器0相同，不講述請參考數(shù)據(jù)手冊自行學習80C51系列內(nèi)部有2個16位的定時/計數(shù)器T0、T180C52系列內(nèi)部有3個16位的定時/計數(shù)器T0、T1、T2用一個簡單的框圖構造它的模型：N位計數(shù)器構成了電路的核心。

定時、計數(shù)兩種方式的區(qū)別在于計數(shù)器的脈沖來源。（1）如何控制定時還是計數(shù)？（2）何時控制啟動計數(shù)？（3）如何控制定時/計數(shù)的長短？振蕩器TF0啟動控制溢出標志中斷÷12GATE≥&TR0C/T=1TH0TL0N位

+1計數(shù)器C/T=0T0（P3.4）內(nèi)部時鐘脈沖（定時）外部輸入脈沖（計數(shù)）計數(shù)初值INT0（P3.2）二、80C51的T/C0工作原理時鐘源1111111111111111可以使用軟件查詢其狀態(tài)，可以設置當其由0變?yōu)?時觸發(fā)中斷016位定時器/計數(shù)器溢出標志1再來一個時鐘脈沖當定時器的值為0xFFFF時標志位置位定時器清0000000000000000080C51的T/C1工作原理（與T/C0相似）振蕩器TF1啟動控制溢出標志中斷÷12GATE≥&TR1C/T=1TH1TL1N位+1計數(shù)器C/T=0T1（P3.5）內(nèi)部時鐘脈沖（定時）外部輸入脈沖（計數(shù)）計數(shù)初值INT1（P3.3）定時器與計數(shù)器標準80C51外部T0/T1功能引腳的時鐘源定時器/計數(shù)器內(nèi)部時鐘源

計數(shù)周期未知，甚至不具有周期性

計數(shù)周期固定為一個機器周期

當選擇外部引腳時鐘源，稱作計數(shù)器

當選擇內(nèi)部時鐘源（默認）時，稱作定時器1.定時工作方式

★設置為定時工作方式時，定時器計數(shù)的脈沖是由8051片內(nèi)振蕩器輸出經(jīng)12分頻后產(chǎn)生的。

如：當8051采用12MHz晶體時，每個機器周期為1μs，計數(shù)額率為1MHz?！锩總€機器周期使定時器（T0或T1）的數(shù)值+1直至計計數(shù)滿產(chǎn)生溢出。2.計數(shù)工作方式

★設置為計數(shù)工作方式時，通過引腳T0（P3.4）和T1（P3.5）對外部脈沖信號計數(shù)?！锂斴斎朊}沖信號產(chǎn)生由1至0的下降沿時，計數(shù)器的值加1，在每個機器周期的S5P2期間采樣T0或T1的輸入電平。若前一個機器周期采樣值為1，下一個機器周期采樣值為0，則計數(shù)器加1。此后的機器周期S3P1期間，新的數(shù)值裝入計數(shù)器。

★檢測一個1至0的跳變需要2個機器周期，故最高計數(shù)頻率為振蕩頻率的1/24。計數(shù)器功能“注意事項”在實現(xiàn)“計數(shù)器”功能時，計數(shù)器在每個機器周期對外部管腳采樣一次，現(xiàn)假設計數(shù)器0對下降沿計數(shù)。1個機器周期機器時鐘T0外部引腳情況1：正常檢測情況2：漏檢T0外部引腳T1時檢測到高電平計數(shù)管腳的計數(shù)高/低脈沖寬度必須至少保持一個機器周期，否則就有可能漏檢。！T2T0T1T3T4判斷為無下降沿，即漏檢T2時檢測到低電平判斷為下降沿T2時檢測到高電平T1時檢測到高電平無論是定時還是計數(shù)，當軟件設定了定時/計數(shù)器的工作方式，啟動以后，定時/計數(shù)器就按規(guī)定的方式工作，不占用CPU的操作時間，此時CPU可執(zhí)行其他程序，到了計滿規(guī)定的時間或規(guī)定的個數(shù)（定時/計數(shù)器溢出），定時/計數(shù)器會給出溢出標志，你可以通過查詢或中斷方式了解是否溢出。

這種工作的方式如同人帶的手表，人在工作或睡覺，而手表依然滴滴答答行走，你可以通過看表或設鬧鐘方式，到了規(guī)定的時間，干你想干的事。1、T0、T1定時/計數(shù)器方式控制寄存器（TMOD）三、定時器/計數(shù)器的控制寄存器（1）GATE：門控位（門控信號），設定T1、T0運行時是否受、引腳輸入電平的控制。

GATE=0，運行只受TCON中運行控制位TR0/TR1的控制。

GATE=1，運行同時受TR0/TR1和外中斷輸入信號的雙重控制。只有當INT0/INT1=1且TR0/TR1=1,T0/T1才能運行。TMOD字節(jié)地址89H，不能位操作，設置TMOD須用字節(jié)操作指令。振蕩器TF0啟動控制溢出標志中斷÷12GATE≥&TR0C/T=1TH0TL0N位

+1計數(shù)器C/T=0T0（P3.4）內(nèi)部時鐘脈沖（定時）外部輸入脈沖（計數(shù)）計數(shù)初值INT0（P3.2）（2）C/T：定時器/計數(shù)器選擇位

C/T=0，為定時器方式，計數(shù)器的輸入來自晶體振蕩器的脈沖÷12。 C/T=1，為計數(shù)器方式，計數(shù)器的輸入來自P3.4或P3.5的外部脈沖；（3）M1M0工作模式選擇位（工作方式選擇位）M1M0工作方式備注00方式0

13位計數(shù)器，使用了TLX（低5位）和THX（8位）。01方式1

16位計數(shù)器，使用了TLX（8位）和THX（8位）。10方式2

8位自動裝載計數(shù)器，TL溢出時自動裝載成TH的值11方式3

T0為2個8位計數(shù)器，T1停止工作。LSBMSBTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0

（1）TR0、TR1——計數(shù)運行控制位。

TR0位（或TR1位）=

1，啟動定時器/計數(shù)器工作的必要條件。（2）

TF0、TF1——計數(shù)溢出標志位。當計數(shù)器計數(shù)溢出時，由硬件自動使TFx置“1”。①使用查詢方式時，此位作為狀態(tài)位供CPU查詢，但應注意查詢有效后，應使用軟件及時將該位清“0”。②使用中斷方式時，此位作為中斷請求標志位，進入中斷服務程序后由硬件自動清“0”。2、T0、T1定時/計數(shù)器控制寄存器TCONTCON(88H)與外部中斷和有關五、定時器/計數(shù)器的四種工作方式

前面已經(jīng)了解，對TMOD寄存器的M1、M0位的設置，可選擇四種工作方式，即方式0、方式1、方式2和方式3。M1M0工作方式備注00方式0

13位計數(shù)器，使用了TLX低5位和THX8位。01方式1

16位計數(shù)器，使用了TLX8位和THX8位。10方式2

8位自動裝載計數(shù)器，TL溢出時自動裝載成TH的值11方式3

T0為2個8位計數(shù)器，T1停止工作。P3.4引腳（T0）GATETR0INT0振蕩器÷12TH08位TL05位TF0中斷KC/T=0C/T=1控制定時/計數(shù)器方式0邏輯圖111“+1”中斷13位計數(shù)器TF0“+1”“+1”或門與門1、方式0M1M0=00工作原理定時器（T0或T1）工作于13位定時、計數(shù)方式。13位的定時計數(shù)器，由TH的8位和TL的低5位組成。（以T0為例T1原理相同）此種方式與是與早期的MCS－48系列兼容，如果不是為了兼容的目的，一般不用方式0。在實際應用中完全可以用方式1代替。

設：N為計數(shù)個數(shù)、x為計數(shù)初值

1、用于計數(shù)功能時，計數(shù)個數(shù)N的計算公式：N＝213－x

若初值X=0～8191范圍時，計數(shù)范圍為：1～8192。

2、用于定時功能時，定時時間t的計算公式為：

t=N×TM=（213－x）×TMx=213-t/TMTM=12TOSC=12/fOSC

若晶振頻率為12MHz，機器周期=1us，初值X=0～8191范圍時，則可定時范圍為1～8192us。方式0---相關計算解：首先求出定時器T0初值。

∵

t=N×TM=(213－x)×TM又由于fOSC=6MHz

∴1TM=12TOSC=12/6MHz=2μs

∴2000μs=（213-初值X）2μs

∴初值X=7192=1110000011000B，其中將：高8位11100000B=0xE0 賦給TH0，低5位11000B=00011000B=0x18賦給TL0。

TH0=0E0H，TL0=18H。例1：已知fOSC=6MHz，設定時器T0選擇工作方式0，定時時間為

2ms，試確定T0初值（TH0=?TL0=?）。2、方式1M1M0=01工作原理方式1的計數(shù)位數(shù)是16位，由TL0作為低8位、TH0作為高8位，組成了16位加“1”計數(shù)器

定時/計數(shù)器方式1邏輯圖TH0TL0振蕩器1/12(8位)(8位)TF0中斷啟動控制P3.4（T0引腳）TR0GATEP3.2（INT0）C/T=0C/T=116位加1計數(shù)器（以T0為例T1原理相同）設：N為計數(shù)個數(shù)

、x為計數(shù)初值

1、用于計數(shù)功能時，計數(shù)個數(shù)N的計算公式：N＝216－x

若初值X=0～65535范圍時，計數(shù)范圍為：1～65536。

2、用于定時功能時，定時時間t的計算公式為：

t=N×TM=（216－x）×TMx=216-t/TMTM=12TOSC=12/fOSC

若晶振頻率為12MHz，機器周期=1us，初值X=0～65535范圍時，則可定時范圍為1～65536us。方式1---相關計算3、方式2M1M0=10定時/計數(shù)器方式2邏輯圖（以T0為例T1原理相同）

方式2為自動重裝初值的8位計數(shù)方式，由TL0（TL1)做計數(shù)器，TH0（TH1）做初值寄存器。工作前TL0、TH0分別預置相同的初值。計數(shù)器TL0工作時，每當溢出產(chǎn)生中斷的同時，將TH0中的初值自動重裝。

T0（P3.5）

GATETR0INT0振蕩器1/12TL18位TF0中斷KC/T=0C/T=1控制TH08位重裝載重裝載1“+1”中斷TL08位TF0“+1”“+1”這種工作方式可省去用戶軟件中重裝常數(shù)的語句，并可產(chǎn)生相當精確的定時時間，特別適合于串行口波特率發(fā)生器。設：N為計數(shù)個數(shù)用表示、x為計數(shù)初值

1、用于計數(shù)功能時，計數(shù)個數(shù)N的計算公式：N＝28－x

若初值X=0～255范圍時，計數(shù)范圍為：1～256。

2、用于定時功能時，定時時間t的計算公式為：

t=N×TM=（28－x）×TMx=28-t/TMTM=12TOSC=12/fOSC

若晶振頻率為12MHz，機器周期=1us，初值X=0～255范圍時，則可定時范圍為1～256us。方式2---相關計算T0分成2個8位定時器：TL0定時/計數(shù)器和TH0定時器

TL0占用T0控制位：C/T，TR0，GATE；

TH0占用T1控制位：TR1。注意：T1不能使用方式3工作4、方式3邏輯圖及工作原理（只有T0有）有興趣下來花仔細研究！TH0借用了T1的TR1和TF1,因此控制了T1的中斷，此時T1可作串行通信的波特率控制發(fā)生器（下周介紹）定時/計數(shù)器4種方式比較方式計數(shù)位數(shù)最大定時時間Tmax方式013位Tmax=8192×1μ?

=8.192ms方式116位Tmax=65536×1μ?=65.536ms方式2，38位Tmax=256×1μ?=0.256ms方式計數(shù)位數(shù)最大計數(shù)值方式013位Tmax=213=8192方式116位Tmax=216=65536方式2，38位Tmax=28=256由于：定時時間:t=N×TM，（或N=t/TM）而TM=12TOSC=12*1/fOSC，假設系統(tǒng)時鐘fOSC=12MHz，則有下表：

使用定時器/計數(shù)器的必須計算計數(shù)初值。假設t為定時時間，計數(shù)器位數(shù)為n，系統(tǒng)時鐘頻率為fosc，計數(shù)初值為x，則它們滿足下列關系式：五、定時/計數(shù)器應用時的初值計算定時器的方式0時：n=13， 方式1時：n=16

方式2時：n=8， 方式3時：n=8例1:fOSC=12MHZ，試計算定時時間2ms（2000μs）所需的定時器的初值。TH0=?、TL0=?方式0：x=213-2000=6192=1830H=1100000110000BTH0=0XC1; TL0=0X10;(TH0=6192/32;TL0=6192%32;)方式1：x=216-2000=63536=0F830HTH0=0XF8、TL0=0X30 (TH0=63536/256;TL0=63536%256;)方式2、方式3:TMAX=256μs

所以必須將工作方式方式0或方式1：否則就需要進行多次定時最后求和。例2：要求實現(xiàn)8個LED的實現(xiàn)交替閃爍，間隔時間為100ms（設使用的晶振頻率為6MHz。)（1）計算計數(shù)初值X

∵定時時間t=（2n-x）×TM

又∵

fOSC=6MHz∴TM=12/fOSC=12/6MHz=2μs

本設計選用定時器的工作方式1，∴n=16。

∴（216-x）×2μs＝100ms=100000us

∴x=216-50000=65536-50000＝15536=0x3CB0TH0＝0x3C;TL0＝0xB0;或TH0＝15536/256;TL0＝15536%256;#include<regx51.H>bitflag=0;voidmain(){ TMOD=0x01; //設定T0工作方式（方式1）

TH0=15536/256; //設置T0初始值

TL0=15536%256; TR0=1; //啟動定時器0 while(1) {

if(TF0==1) //查詢定時器溢出標志位是否為1

{ TF0=0; flag=~flag;

if(falg==0) P0=0X55; else P0=0XAA;

TH0=15536/256; TL0=15536%256;

} }}#include<regx51.h>bitflag=0;voidmain()

{ TMOD=0X01; //設定定時器的相關條件

TH0=15536/256; //準備初始值

TL0=155336%256; ET0=1; //允許定時器0中斷

EA=1; //開放總中斷

TR0=1;//啟動定時器0 while(1); //等待中斷請求

}voidTIMER0_ISR()interrupt1//中斷服務函數(shù){ TH0=15536/256; //準備初始值

TL0=15536%256; flag=~flag; if(flag==0) P0=0X55;else P0=0XAA;}10ms20ms10ms例2：要求：采用定時器T1的方式1，從P2.0引腳上輸出周期為20ms的方波（占空比為50%），已知fOSC=12MHz。周期為20ms的方波要求P2.0上的電平每10ms變更一次。（1）計算計數(shù)初值X

∵定時時間t=（2n-x）×TM

又∵

fOSC=12MHz∴TM=12/fOSC=12/12MHz=1μs

本設計選用定時器的工作方式1，∴n=16。

∴（216-x）×1μs＝10ms=10000us

∴x=216-10000=65536-10000＝55536=0xD8F0TH1＝0xD8;TL1＝0xF0;TH1＝55536/256;TL1＝55536%256;#include<regx51.H>voidmain(){ TMOD|=0x10;//設定T1工作方式

TH1=0xD8; //設置T1初始值

TL1=0xF0; TR1=1; //啟動定時器1 while(1) { if(TF1==1)//查詢定時器0溢出標志位是否為1 {

TF1=0; //清除定時器1溢出標志位

P2_0=~P2_0 //P2.0取反產(chǎn)生方波

TH1=0xD8; //設置T0初始值

TL1=0xF0;

} }}方法一：查詢方式實現(xiàn)#include<regx51.h>voidmain() { TMOD|=0X10; //設定定時器的相關條件

TH1=0XD8; //裝入初值

TL1=0XF0; ET1=1; //允許定時器1中斷

EA=1; //開放總中斷

TR1=1;//啟動定時器1 while(1); //等待中斷信號申請

}voidTimer1_ISR()interrupt3//定時器1中斷服務函數(shù){

TH0=0XD8; //重新賦值，保證下次定時的時間任然為10ms TL0=0XF0;

P2_0=~P2_0;//信號取反}方法二：中斷方式實現(xiàn)【解題思路】

周期為10ms的方波要求P2.0上的電平每5ms變更一次，但在方式2，T0的最大定時為256us，因此不能直接實現(xiàn)，可用T0產(chǎn)生250us定時，再用軟件計數(shù)20次，實現(xiàn)5ms定時。5ms10ms5ms例3：要求：采用定時器T0的方式2，從P2.0上輸出一個周期性周期為10ms方波（占空比為50%），已知晶振12MHz。（1）計算計數(shù)初值X

∵定時時間t=（2n-x）×TM

又∵

fOSC=12MHz

∴TM=12/fOSC=12/12MHz=1μs

本設計選用定時器的工作方式2，∴n=8。

∴（28-x）×1μs＝250us

∴x=28-250=256-250＝6=06HTH0＝0x06;TL0＝0x06;#include<regx51.H>unsignedcharcount=0;voidmain(){ TMOD|=0x02; //設定T0工作方式

TH0=0x06;//設置T0初始值

TL0=0x06; TR0=1; //啟動定時器0

while(1) { if(TF0==1) //查詢定時器溢出標志位是否為1 {

TF0=0; count++;

if(count==20) { count=0; P2_0=~P2_0 //P2.0取反產(chǎn)生方波

}

} }}方法一：查詢方式實現(xiàn)#include<regx51.h>voidmain(){ TMOD=0X02; TH0=0X06; TL0=0X06; ET0=1; //開放外部中斷0 EA=1; //開放總中斷

TR0=1;

while(1);//等待中斷申請，即等待TF0=1}voidTimer0_ISR()

interrupt1

{

count++;

if(count==20) { count=0; P2_0=~P2_0 }}方法二：中斷方式實現(xiàn)例4：設fosc=6MHz，利用單片機的T/C實現(xiàn)從P2.0端口引腳輸出1000個脈沖，脈沖周期為2ms。

P2.0T1(P3.5)AT89S51分析：由于fOSC=6MHz

∴TM=12/fOSC=12/6MHz=2μs

本設計選取T0定時；T1計數(shù)。

設T0采用中斷方式產(chǎn)生周期為2ms方波，T1對該方波計數(shù)，當輸出至第1000個脈沖時，使TF1置1。在主程序中用查詢方法，檢測到TF1變1時，關掉T0，停止輸出方波。1ms2ms1msT0、T1參數(shù)的確定：

(1)選用T0方式1實現(xiàn)定時：脈寬為脈沖周期的一半為1ms。 ∵（216-初值X）×TM＝定時時間 ∴（65536-初值X）×2μs＝1000us

∴初值X=65536-500=0xFE0C TH0=0xFE;TL0=0x0C；

(2)選用T1方式1實現(xiàn)計數(shù)：N=1000; ∵N＝216-初值X

則X=65536－1000=64536=0xFC18 TH1=0xFC;TL1=0x18；例4：設fosc=6MHz，利用單片機的T/C實現(xiàn)從P2.0端口引腳輸出1000個脈沖，脈沖周期為2ms。#include<regx51.h>voidmain(){ TMOD=0X51;

//設定T0,T1工作方式

TH0=0xFE;//賦定時初值

TL0=0x0C; TH1=0xFC;//賦計數(shù)初值

TL1=0x18;

ET0=1; EA=1; TR0=1; TR1=1;

while(TF1==0);//查詢1000個脈沖計夠沒有？

EA=0; //關閉總中斷

TR0=0;//關閉定時器0 TR1=0;//關閉定時器1 while(1);}//中斷產(chǎn)生周期為2MS的方波信號voidT0_ser()interrupt1using1{

TH0=0xFE; TL0=0x0C;

P2_0=~P2_0 }1ms2ms1ms例5、脈沖參數(shù)測量——GATE功能的使用。89S51P3.2P3.31被測信號21a3T0計數(shù)T1計數(shù)

試編程測量下圖所示，脈沖高電平（計數(shù)）長度值存于X中，脈沖低電平長度存于Y中。電路連接如下圖所示。大家試想為什么要加非門？振蕩器TF0啟動控制溢出標志中斷÷12GATE≥&TR0C/T=1TH0TL0N位

+1計數(shù)器C/T=0T0（