单片机原理及应用课件：第6章 定时计数器

第6章定时/计数器内容提要定时/计数器及时间的分辨率T0、T1的工作原理T0、T1应用举例定时/计数器T2原理及应用6.1定时/计数器及时间的表达 定时/计数器是单片机中的重要部件。事实上，几乎所有的控制系统都离不开定时/计数。

6.1.1时间的表达方式 时间表达分实时和相对时间两种方式。

实时时间。用阳历年、月、日、时、分、秒这一时间体系单位表示。

每台PC都有一个实时时钟。 相对时间与实时时间的区别仅在于：相对时间的零点是随意定的，不与任何时间体系对应，不能像实时时间那样表示出“时刻”意思，只能表示时间的长短。

在控制系统中相对时间的测量应用更为广泛。

相对时间向实时时间的转换，就是统一计时起点，即“对表”的过程，当然还要套用阳历的计时单位。本章只讨论相对时间的测量问题。

51机内置了二个16位的定时/计数器，分别称为T0、T1（T2只在52机以上才有）。6.1.2标准51定时/计数器结构

图6-1为标准51及其兼容机片内定时/计数器结构图。其中，T2只有52以上机才有。 定时计数器T0、T1由TMOD和TCON管理。T2由T2MOD和T2CON专门管理。

本章节只讨论T0和T1。6.2定时/计数器工作原理及时间分辨率6.2.1T0、T1的工作方式1．定时/计数器的特点 （1）可编程：有多种工作方式。每种工作方式又分定时和计数两种模式。定时/计数器的核心部件是一个加法计数器，对脉冲进行计数。只是计数脉冲来源不同：如果计数脉冲来自系统时钟，称为定时模式，此时计数器每机器周期得到一个计数脉冲，计数值加1，说明分辨率为一个机器周期；当计数脉冲取自单片机I/O引脚的外部信号时，则为计数模式。 51机复位后T0、T1默认为工作方式0、定时。因此，使用定时/计数器前必须初始化其工作方式。 （2）每个定时/计数器都有一个容器（THx和TLx），收集脉冲数。大小为16位二进制范围，即：FFH和FFFFH或256和65536。

定时器能量化的最小时间称为定时分辨率。 从理论上讲，定时/计数的测量上限是没有限制的（下限为分辨率），无论多长的定时或多大的计数，都可通过多次定时或计数累加而实现测量。

（3）每一个输入脉冲（下降沿）自动对T0、T1计数寄存器，作加“1”处理，当计数寄存器溢出（超过寄存器最大值）时，能向CPU发出中断请求，同时自动将计数寄存器清空，从0开始“计数”。 （4）定时/计数器可以从0开始计数，也可以从特定值开始计数，组成不同定时/计数值。定时/计数器又是可读写的寄存器，CPU可随时读出其值，用于测量。 从理论上讲，定时/计数器只有最小定时长度的限制。

2．定时/计数器的工作方式与模式

T0、T1工作方式有关的寄存器为TMOD和TCON。2.工作方式寄存器TMOD（89H，不可位寻址）

51机通过对其各位设置实现定时/计数器工作方式的定义。TMOD各位定义如表6-1所示。各位含义如下

TMOD上、下半字节对称，分别对应T0、T1的工作状态。以T0为例，各位的意义如下： ：此位为0，为定时模式，此位为1，为计数模式。

M1、M0：工作方式选择。该2位可组成00、01、10、11四种数字组合，对应为工作方式0、1、2、3。注意：T1没有工作方式3。

GATE——定时/计数器启动方式控制位。

复习：与定时器工作相关的寄存器

控制字寄存器TCON（88H，可位寻址）

TCON与T0、T1的控制有关，各位定义如图5-9所示。各位含义如下：

TF1：定时器1的溢出标志；

TF0：定时器0的溢出标志。CPU响应定时/计数器中断，标志自动清零；若CPU不响应此中断，则此标志需用软件清除。

TR0：定时器0运行控制位，靠软件置位或清除。置位时，定时/计数器0接通工作，TR0=0，定时器0停止工作。

TR1：是关于定时器1的，含义与TR0类似。

低4位说明如下：

IT0：IT0=0，选择外部中断0为电平触发方式；IT0=1，则选择外部中断为下降沿（后沿）触发方式。IT1是关于外部中断1的，与IT0类似。他们均需用软件置位或清零。

IE0：外部中断0的中断请求标志位。CPU在每个机器周期采样P3.2脚电平。当IT0=0时，若引脚为低电平，则置位IE0。当IT0=1时，若第一个机器周期采样到引脚为高电平，第二个机器周期采样到引脚为低电平时，由硬件置位IE0。IE0置位，意味着外部中断0在向CPU申请中断。当CPU响应中断转向中断服务程序时由硬件将IE0清零。

IE1外部中断1中断请求标志位。含义与IE0相同

6.2.2定时/计数工作原理 （1）工作方式0(13位定时/计数器，M1M0=00H)（少用） 方式0是为与被取代的MCS-48系列兼容而设置的。图6-2为其逻辑结构，当 =0时，计数脉冲来自CPU内部分频器，为定时，标准51计数脉冲频率是时钟信号的12分频；

=1时，计数脉冲来自T0或T1引脚，即处于计数方式。

（2）工作方式1

(16位定时/计数器，M1M0=01H)（常用）

图6-3为定时器/计数器工作于方式1的逻辑结构，除使用了THx和TLx全部16位外，与方式0完全相同。

（3）方式2(M1M0=10)（常用）

图6-4为定时器/计数器工作方式2的逻辑结构。此方式下，TLx作为可自动重装8位计数器，TLx的溢出不仅置位TFx，而且将THx的内容装入TLx。因此，THx的内容决定了定时/计数器的初值，称为重装常数。

（4）方式3(M1M0=11)（少用） 方式3是为了增至3个定时/计数器而设计的。方式3只适用于T0。此方式下，T0被分为两个独立的8位计数器TL0和TH0。TL0使用T0的状态位，而TH0被固定为一个8位定时器（不能用作外部计数），使用T1的状态位和T1的中断源。当T0处于方式3时，T1还可以工作于方式0、1、2，但不能使用中断，所以T1只能使用在不要任何中断的场合，作为串行口的波特率发生器。如错误地将T1设置为方式3，则T1停止工作，效果与将TR1设置为0相同。标准51d=126.3定时/计数器应用举例6.3.1查询方式 编程要点： （1）对TMOD写控制字，确定T0、T1的工作方式及模式。 （2）将初值写入计数寄存器TH0、TL0或TH1、TL1中。 （3）置位TRx，启动定时/计数（重要！见图6-1~图6-5）。 （4）查询TFx，以确定定时或计数是否到达终点。 （5）事件处理，决定下一步程序流程，清除TFx标志，一轮定时或计数完成。 （6）如需重复、连续工作，回到（4）重复定时或计数过程，直到全部工作完成。

【例6-1】应用T0产生1ms定时，并使P1.0输出周期为2ms，占空比为1:1的方波。设晶振频率为6MHz，T0工作于方式0。 解：通过P1.0输出周期为2ms、占空比为1:1的方波，可用定时器定时1ms，每次定时到，对P1.0的状态取反，但不要忘记装入时间常数。如此反复，即可达到目的。

第一步：定时器工作于方式0定时模式。本题与T1无关，所以TMOD的控制字定义为：00000000B；

第二步：装入T0的常数。机器周期为：

或

设所需初值为x，则 解得：x=7692=1E0CH=11110

0000

1100B

根据13位定时器的特性，TH0放x的高8位，TL0放低5位，我们将x值重排如下：x=1111000001100，即得本任务的时间常数为：TH0=F0H，TL0=0CH。

根据定时/计数器向上计数及计数寄存器容量，方式1时间常数也可按下式计算： （6-1） （6-2）

第三步：编写程序，参考程序清单如下： ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0050H MAIN： MOV SP，#60H ACALL PTMTESTTF0： JNB TF0，TESTTF0 CPL P1.0

；P1.0求反，以输出方波

MOV TL0，#0CH；用指令重装时间常数

MOV TH0，#0F0H CLR TF0 ；软件清除T0溢出标志 SJMP TESTTF0 ；将子程序隔开PTM： MOV TMOD，#00H MOV TL0，#0CH MOV TH0，#0F0H SETB TR0 RET END

请注意CLR TF0这条指令的意义。

查询方式下，一定要及时清除查询标志以保证一个事件，处理一次。

本例的C51程序清单如下：#include<Stc12C5A60S2.h>voidtime0int(void) { TL0=0x0c; //T0定时1ms TH0=0xf0;}voidmain(void){ SP=0x5f; TMOD=0x00; //T0工作于方式0定时

time0int(); TR0=1; //启动T0 while(1) { if(TF0) { time0int(); TF0=0; P1_0=~P1_0; //改变P1_0的状态

} }}

查询方式思路直观，但其最大的缺点是在整个查询方式过程中，CPU被占用，系统的实时性低。而在多数应用场合下，CPU的任务是繁重的，在查询阶段，宝贵的时间就浪费了。所以查询方式只适合用于工作速度较慢、任务轻的系统中。

如何才能既使用片内、外资源，又要保证CPU的效率和系统的实时性呢？6.3.2定时/计数器中断编程步骤 与定时/计数器中断编程有关的SFR有TMOD、TCON和IE。编程要点：

（1）确定工作方式及工作模式，即对TMOD寄存器进行赋值；

（2）计算计数初值，并写入TH0、TL0或TH1、TL1中；

（3）在相应的中断向量中加入长跳转指令，编写中断服务程序；

（4）置位ETx允许计数器中断；

（5）置位EA使CPU开中断；

（6）置位TRx，启动计数，等待中断发生。

与查询方式不同的是：中断方式不必访问TCON中的定时/计数器中断请求标志位，代之要在中断向量表中加入长跳转指令，并编写中断服务程序。在CPU响应中断后，中断请求标志位TFx自动由单片机清零。

【例6-2】以中断方式，应用定时器T1产生1ms的定时，并使P1.0输出周期为2ms，占空比为1:1的方波。设晶振频率为6MHz，定时器/计数器工作于方式1。 设所需初值为x，则

解得：x=65036=FE0CH FE0CH即为本任务的时间常数，其中：TH1=0FEH，TL1=0CH。

T1的中断向量是001BH，参考程序为：

根据定时/计数器向上计数及计数寄存器容量，方式1时间常数也可按下式计算： （6-3） （6-4） ORG 0000H AJMP MAIN

ORG 001BH LJMP TIME1INT ORG 0050H MAIN： MOV SP，#60H ACALL PTM SJMP $PTM： MOV TMOD，#10H MOV TL1，#0CH MOV TH1，#0FEH SETB ET1 ；允许T1中断

SETB EA ；开放总中断

SETB TR1 ；启动T1定时

RETTIME1INT： MOV TL1，#0CH ；重装常数

MOV TH1，#0FEH CPL P1.0 ；输出求反

RETI ；中断返回

END本例的C51程序清单如下：#include<Stc12C5A60S2.h>voidtimer1()interrupt3 //T1中断周期1ms{ TL1=0x0c; TH1=0xfe; //重装定时常数

P1_0=~P1_0; //改变P1_0的状态}voidmain(void){ SP=0x5f; //设置堆栈指针

TMOD=0x10; //T1工作于方式1定时

TL1=0x0c; TH1=0xfe; //T1定时1ms

ET1=1; EA=1; TR1=1; //开中断并启动定时

while(1); //等待中断}

【例6-3】用中断方式编写每计数3次产生中断的程序。设T1工作于方式2。 工程实际中，计数器的应用大致分两种。第一种是纯粹的计数，相对容易理解。本题就是如此。计数程序与定时程序不同之处仅在于对TMOD中位的设置上。本例TMOD的控制字就为01100000B，即60H。汇编参考程序如下：

ORG 0000H AJMP MAIN ORG 001BH LJMP TIME1INT ；中断向量中的长跳转

ORG 0030H MAIN： MOV SP，#5FH ACALL PTM SJMP $PTM： MOV TMOD，#60H ；TMOD=01100000B MOV TL1，#0FDH ；计数初值（常数）

MOV TH1，#0FDH SETB ET1 ；允许T1中断

SETB EA ；开放总中断

SETB TR1 ；启动T1定时

RETTIME1INT： CPL P1.0 ；服务内容：产生方波

RETI ；中断返回

END

计数的第二种应用是在限制时间内的计数，其典型应用就是测量信号的频率。比如V－F转换器，他将模拟电压转换为方波输出，V与F成比例。对模拟量进行采样的方法是，在一定时间内，对方波进行计数，通过计算得出信号的频率，进而推出V的值。

【例6-4】设V－F转换器的输出接至T1引脚P3.5。要测出在0.1S内V－F转换器输出信号的周期数，应如何编程实现其要求？设系统fosc=6MHz。

以C语言为主的教学，可直接讲C程序。

解：在明确任务后，首先要做的工作是规划系统资源。T1必然用于计数，方式1能装的数据最大，这个性能是由硬件决定的。另一个就是定时了，应取T0方式1定时?。设T0的初值为x，则

解得：x=15536=3CB0H 3CB0H即为本任务的时间常数，因此：TH0=3CH，TL0=0B0H。 参考程序清单如下：

TIML EQU 30H TIMH EQU 31H

ORG 0000H AJMP MAIN

ORG 000BH LJMP TIME0INT

ORG 0050H

MAIN： MOV SP，#60H ACALL PTMWAIT： JB TR1，WAIT MOV TIMH，TH1 ; MOV TIML，TL1 ；保存计数值

SJMP $ ；动态停机

PTM： MOV TMOD，#51H MOV TL1，#00H ；计数值清零

MOV TH1，#00H MOV TL0，#0B0H MOV TH0，#3CH SETB ET0 ；允许T0中断

SETB EA ；开放总中断

SETB TR1 ；启动T1定时

SETB TR0 RETTIME0INT： CLR TR1 ；计时到，关闭T1 CLR ET0 ；禁止T0中断

RETI ；中断返回

END

问题:51机对频率上限为?以内的V/F转换器适用？ 注意：标准51识别脉冲宽度的极限为12个时钟周期对应的时间长度。即有频率上限的限制。

连续频率测量，需要主程序和中断服务程序的配合。

本例的C51程序清单如下：#include<Stc12C5A60S2.h>voidtimer0()interrupt1 //T1中断周期1ms{ TR0=0; //停止计数

TL0=0xb0; TH0=0x3c; //重装定时常数

TR1=0; //停止计数 }voidmain(void){ SP=0x5f; //设置堆栈指针

TMOD=0x51; //T1方式1计数,T0方式1定时

TL0=0xb0; TH0=0x3c; //T0定时100ms(fosc=6M) TL1=0; TH1=0; //T1计数清零

ET0=1; EA=1; TR0=1; //启动T0定时

TR1=1; //启动T1计数

while(1) { if(TR1==0) //定时结束

{ ; //读计数值并进行处理

TL1=0; TH1=0; //计数值读完后要清零

TR0=1; //启动T0定时、T1计数

TR1=1; //开始新一轮采样

} }}

【例6-5】有条件启动、停止T0、T1的实例。应用T0产生100μs的定时，使P1.0输出周期为200μs，占空比为1:1的方波。要求在产生100个周期方波后，停止方波输出，CPU处于动态停机状态。设fosc=12MHz，T0工作于方式2。

解：通过一个全局变量，建立起主程序和中断服务程序之间的联系，是解决这类问题的要点。 系统fosc=12MHz，则定时器的计数间隔为1μS，则计数初值为

256–100=156=9CH。汇编语言参考程序如下：

ORG 0000H AJMP MAIN

ORG 000BH LJMP IT0P ORG 0050HMAIN： MOV SP，#60H LCALL PTMAGAIN： CLNE R7，#0，AGAIN CLR TR0STOP： SJMP STOPPTM： MOV R7，#200 MOV TMOD，#02H MOV TL0，#9CH MOV TH0，#9CH SETB ET0 SETB EA

SETB TR0 RET IT0P： CPL P1.0 DEC R7 RETI END

请注意DEC R7指令的意思。

在条件启停中断的应用时，初学者常犯的错误有以下两条： （1）从中断服务程序向主程序跳转。如【例5-5】的100个周期方波用如下汇编程序实现：

MOV R6，#0C8H ；200次STOP： SJMP STOPIT0P： CPL P1.0 MOV TL0，#18H MOV TH1，#0FCH DJNZ R6，STOP RETI

（2）使用无效的控制方法。以【例5-5】为例，有这样的汇编主程序

MOV R6，#0C8H ；200次STOP0： DJNZ R6，STOP0 STOP： SJMP STOP ；接下是中断服务程序

其实，条件控制是帮助程序员调试中断的有效方法。本题中，如程序正确，将在示波器上出现看到一串方波(在哪个脚?)，之后程序停在STOP上；若程序有BUG，在示波器上是看不到方波的，程序也停不到STOP：上。因此，从程序的运行效果上就可判断程序有无错误。 正确的编程方法应该是主程序和子程序或中断服务程序相呼应，仔细阅读例题，深刻理解“呼应”方法，对单片机应用水平的提高效果显著。C51参考程序如下：

#include<reg52a.h>#defineucharunsignedcharuchardataintcount=200;//100个周期，要进入中断200次voidtimer0()interrupt1 //T0中断周期100μs{ P1_0=~P1_0; intcount-=1;}void main(void){ TMOD=0x02; TL0=0x9c; TH0=0x9c; //T0工作于方式2定时

ET0=1; EA=1; TR0=1; //开中断并启动定时

while(intcount!=0); //等待过程结束

TR0=0; ET0=0; while(1); //100个周期后，程序停于此句}

【例6-6】定时器方式2应用。假设fose=12MHz，把T0作为外部中断请求输入线，T0第一次跳变，在P1.0引脚输出周期为200μs占空比为1:1的方波，T0第二次跳变则停止输出方波，依次类推。

解根据题意，本题需要两个定时器同时工作。产生方波已不成问题，可由定时器T1承担，由于定时时间在8位二进制初值内，T1可工作于方式2定时，免去重装定时常数的工作，为此T1的初值M为：256–100=156=9CH。 T0作为外部中断请求输入线用，意思是在T0的管脚上加一触发信号，该信号有效时可触发T0中断。因而T0只有工作于计数方式，才能响应外部的计数脉冲，设T0工作于方式2计数，计数初值应设为FF，这样才满足外部中断请求输入线一次跳变，改变一次方波输出状态的要求。 怎样才能有效地控制方波的启、停呢？，关键在于控制T1的中断，当T1不能中断时，方波自然不能产生。 参考程序如下（以C语言为主的教学，可直接讲C程序。）汇编语言参考程序如下：

ORG 0000H AJMP MAIN

ORG 000BH LJMP IT0P

ORG 001BH LJMP IT1P ORG 0050HMAIN： MOV SP，#60H LCALL PTMSTOP： SJMP STOPPTM： MOV TMOD，#26H MOV TL0，#0FFH MOV TH0，#0FFH MOV TL1，#9CH MOV TH1，#9CH SETB ET0 SETB ET1 SETB EA

SETB TR0 RET IT0P： CPL TR1

/*核心指令，见解释*/ RETIIT1P： CPL P1.0 RETI END

请注意CPL TR1 指令的用法。除了控制TR1外还有什么手段?

【例6-7】门控位GATE的应用。利用定时/计数器T1门控信号GATE功能，反复测量引脚上正脉冲信号的宽度（单位为机器周期）。

（以C语言为主的教学，可直接讲C程序。） 参考图5-11，当GATE位为1时，计数脉冲开关状态由位TR1和（即P3.3）引脚通过与门控制。51的这一结构是专门为准确测量脉冲宽度设置的。实现测量的思路是： （1）定时器寄存器清0，做好计时准备，此时须禁止 中断。

（2）在 管脚为低电平时，令TR1=1，将“与”门解锁，同时允许中断。 （3）在 中断服务程序中，首先要停止定时器T1工作，然后再读取TH1和TL1内容，进行处理（显示、决策等）。 （4）重复上述过程，进行正脉冲宽度连续测量。 程序采用查询与中断结合方式。参考程序如下： ORG 0000H AJMP MAI