第6章 定时计数器

知识回顾:

6定时/计数器

定时器/计数器（Timer/Counter）,是单片机内的重要部件，其作用主要包括产生各种时标间隔、记录外部事件的数量等。AT89S51单片机有2个16位的定时器/计数器、定时器/计数器0（T0）和定时器/计数器1（T1）。AT89S52包含3个16位的定时器/计数器：定时器/计数器0（T0），定时器/计数器1（T1）、定时器/计数器2（T2）。AT89S51单片机还包含有一个用作看门狗的14位定时器（T3）。

6.1AT89S51单片机的定时器/计数器的基本原理

定时器/计数器的核心是一个16位的加1计数器。作定时器时，其计数脉冲来源于时钟振荡器（经12分频后提供）。这个脉冲的周期称为单片机的机器周期，每一个机器周期定时寄存器自动加1，所以定时器也可看作是计算机器周期的计数器。作计数器时，其计数脉冲来源于单片机外部引脚T0（或T1）的脉冲。即Tx端口有从“1”到“0”的负跳变，计数器就自动加1。计算机是在每个机器周期S5P2状态时采样Tx端口，当前一个机器周期采样为1、后一个采样周期采样为0时，计数器即加一计数。计算机需用两个机器周期来识别1次计数，因而最大计数速率为振荡频率的1/24。

6.2定时器/计数器T0、T1的内部结构

AT89S51单片机的定时器/计数器和微处理器的关系，如图6-1所示，定时器/计数器T0由TH0、TL0构成，T1由TH1、TL1构成。TMOD用于控制和确定各定时器/计数器的功能和工作模式。TCON用于控制定时器/计数器T0、T1的启动和停止计数，同时包含定时/计数器的状态。它们属于特殊功能寄存器。这些寄存器的内容靠软件设置。系统复位时，寄存器的所有位都被清零。定时器/计数器的T0、T1的特殊功能寄存器有：方式寄存器TMOD、控制寄存器TCON、数据寄存器。

图6-1定时器/计数器的结构

AT89S51单片机有2个特殊功能寄存器TMOD和TCON:TMOD用于设置T/C的工作方式;TCON用于控制定时器T0、T1的启动与停止,并包含了定时器的状态。

1.定时/计数器T0、T1的方式寄存器-TMOD

定时器工作方式寄存器TMOD用于选择定时器的工作方式,它的高4位控制定时器T1,低4位控制定时器T0。TMOD中各位的定义如下：GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0T1T0TMOD89H

其中：：T/C功能选择位,当=1时为计数方式; 当=0时为定时方式。

M1M0：T/C工作方式定义位,其具体定义方式如表 6―1所示。表6―1定时/计数器工作方式

GATE：门控制位,用于控制定时器的启动是否受外部中断源信号的影响。GATE=0时,与外部中断无关,由TCON寄存器中的TRx位控制启动。GATE=1时,由控制位TRx和引脚共同控制启动,只有在没有外部中断请求信号的情况下(即外部中断引脚=1时),才允许定时器启动。

2.定时/计数器T0、T1的控制寄存器-TCONTCON控制寄存器各位的定义如下：

TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0D7D6D5D4D3D2D1D0TCON88H

其中：

TF0(TF1)：为T0(T1)定时器溢出中断标志位。当T0(T1)计数溢出时,由硬件置位,并在允许中断的情况下,发出中断请求信号。当CPU响应中断转向中断服务程序时,由硬件自动将该位清0。

TR0(TR1)：为T0(T1)运行控制位。当TR0(TR1)=1时启动T0(T1);TR0(TR1)=0时关闭T0(T1)。该位由软件进行设置。

TCON的低4位与外部中断有关,可参阅中断一节的有关内容。

TCON寄存器在复位时也被清0。

6.3定时/计数器的工作方式

MCS-51单片机的T/C有4种工作方式,分别由TMOD寄存器中的M1、M0两位的二进制编码所决定。

1.方式0

当M1M0=00时,T/C设定为工作方式0,构成13位的T/C。其逻辑结构如图6―3所示。在此工作方式下,T/C构成一个13位的计数器,由THx的8位和TLx的低5位组成,TLx的高3位未用,满计数值为213。T/C启动后立即加1计数,当TLx的低5位计数溢出时向THx进位,THx计数溢出则对相应的溢出标志位TFx置位,以此作为定时器溢出中断标志。当单片机进入中断服务程序时,由内部硬件自动清除该标志。

图6―3T/C方式0的逻辑结构图

2.方式1

当M1M0=01时,T/C设定为工作方式1,构成16位定时/计数器,其中THx作为高8位,TLx作为低8位,满计数值为216,其余同方式0类似。其逻辑结构如图6―4所示。图6―4T/C方式1的逻辑结构图

3.方式2

当M1M0=10时,T/C工作在方式2,构成1个自动重装载的T/C,满计数值为28。在方式0和方式1中,当计数满后,若要进行下一次定时/计数,需用软件向THx和TLx重新予置计数初值。在方式2中THx和TLx被当作两个8位计数器,计数过程中,THx寄存8位初值并保持不变,由TLx进行8位计数。计数溢出时,除产生溢出中断请求外,还自动将THx中的初值重新装到TLx中去,即重装载。除此之外,方式2也同方式0类似。其逻辑结构如图6―5所示。

图6―5T/C方式2的逻辑结构图

4.方式3

方式3只适用于定时器T0。当定时器T1处于方式3时相当于TR1=0,停止计数。当T0工作在方式3时,TH0和TL0被拆成2个独立的8位计数器。这时,TL0既可作为定时器使用,也可作为计数器使用,它占用了定时器T0所使用的控制位(C/、GATE、TR0、TF0),其功能和操作与方式0或方式1完全相同;而TH0只能作定时器用,并且占据了定时器T1的两个控制信号TR1和TF1。在这种情况下,定时器T1虽仍可用于方式0、1、2,但不能使用中断方式。图6―6T/C方式3的逻辑结构图

作业P1072、3、4、5知识回顾:

定时/计数器1的方式1的逻辑结构图6.5AT89S51单片机的定时器/计数器编程和应用6.5.1定时器/计数器溢出率的计算定时器/计数器运行前，在其中预先置入的常数，称为定时常数或计数常数（TC）。由于计数器是加1（向上）计数的，故而预先置入的常数均应为补码。其中：t—定时时间。 Tc—机器周期。

fosc—晶体振荡器频率。L—计数器的长度。

对于T0及T1：方式0L=13213=8192

方式1L=16216=65536

方式2L=828=256

对于T2：

L=16216=65536TC—定时器/计数器初值，即定时常数或计数常数。定时时间的倒数即为溢出率，即根据时间的定时时间t,计算出TC值，并将其转换成二进制数TCB，然后再分别送入THi、TLi（对于T0，i=0；对于T1，i=1）。对于定时器/计数器T0/T1：方式0时：TCB=TCH+TCL，TCH—高8位，TCL—低5位

MOVTHi，#TCH

；送高8位

MOVTLi，#TCL

；送低5位方式1时：TCB=TCH+TCL，TCH—高8位，TCL—低8位

MOVTHi，#TCH ；送高8位

MOVTLi，#TCL ；送低8位方式2时：TC—8位

MOVTHi，#TCBMOVTLi，#TCB6.5.2定时器/计数器的编程

定时器/计数器的编程可分为以下几步：1）写TMOD，只能用字节寻址。设置定时器/计数器的工作方式（M1，M0）、功能选择（）及是否使用门控（GATE）。2）将时间常数或计数常数写入THi及TLi，也只能用字节寻址。根据上面的计算结果写入THi及TLi。3）启动定时或计数，即写TCON，用字节寻址或用位寻址。如：

SETBTRi ；启动定时器

CLRTRi ；停止定时器4）定时器中断开放和禁止，即写IE。如：

SETBETi ；允许中断ETiSETBEA ；开放中断

CLRETi ；禁止中断ETiCLREA ；关闭中断

[例6-1]使用定时器/计数器T1的方式1，设定1ms定时。在P1.0引脚上产生周期为2ms的方波输出。晶体振荡器的频率为fosc=6MHz。解：（1）定时常数计算振荡器的频率fosc=6MHz=6×106Hz，计数器长度L=16，2L=216=65536。定时时间t=1ms=1﹡10-3s。定时常数TC转换成二进制TCB=1111111000001100B=0FE0CH所以TCH=0FEH（高8位），TCL=0CH（低8位）。（2）TMOD的设定（即控制字）（3）编程

ORG 000BH ；T0中断矢量地址

AJMP INQP ORG 0100H ；主程序入口

MOV SP,#60H ；堆栈设置

MOV TMOD，#10H ；写控制字

MOV TH1，#0FEH ；写定时常数

MOV TL1，#0CH SETB TR1 ；启动T1 SETB ET1 ；允许T1中断

SETB EA ；开放CPU中断

SJMP $ ORG 00XXH ；中断服务程序INQP： MOV TH1，#0F0H ；重写定时常数

MOV TL1，#0CH CPL P1.0 ；P1.0变反输出

RETI ；中断返回[例6-2]借助于单片机内的定时器/计数器，测量人体心率。假设单片机的晶振频率为6MHz。[测量频率]：由单片机T0实现1分钟的定时，T1负责对外计数，1分钟定时时间到，读出T1计数器中的数值就是心率。具体做法：

T0和T1都选方式1，这样最大定时时间 t=65536x2=131.072ms便于计算让计数器定时100ms，选30H，31H分别为秒和分存储单元。30H单元计数10次满1秒，31H单元计数60次满1分。分析：两种方法：频率测量法和周期测量法。预置：（TH0）=3CH，（TL0）=0B0HTMOD设置:MOVTMOD，#51H

时间常数计算：晶体振荡器为6MHz，基本定时时间为100ms，机器周期Tc为:

设置初值为xx=216—50000=15536=3CB0H[测周期]：（1）定时器T0设置利用定时器/计数器测定周期a)波形图案b)连接示意图

为高电平时，启动定时器；定时器/计数器T1为计数器，T1的电平由1到0，计数器计数。

定时器T0的TMOD的设置：GATEM1M01001门控定时器方式1控制字为9H。

时间常数计算：晶体振荡器为6MHz，基本定时时间为100ms，机器周期Tc为设置初值为xx=216—50000=15536=3CB0H预置：

（TH0）=3CH，（TL0）=0B0H（2）计数器设置定时器/计数器T1为计数器。计数值为2，当计数1时，启动定时器；当计数2时，中断计数器T1，并停止定时器T0的定时；中断方式，其优先级高于定时器T0。计数器T1的TMOD的设置：

C/GATEM1M00101

计数器方式1控制字为5H。计数初值为：FFFEH，预置：（TH1）=0FFH，（TL0）=0FEH。MOVTMOD，#59H注：课本上其余例子作为课堂练习小结：测量低频信号，为了快速测量又保证测量精度，一般采用测周法。高频信号采用测频法。问题1：频率测量和周期测量的界线如何确定？问题2：如何保证测量结果的准确性？总结要正确使用定时器/计数器，首先要根据要求确定选用那个定时器/计数器，工作在什么方式；如何启动定时器/计数器，如何停止定时器/计数器、如何利用定时器/计数器的中断来进行信号测量，都是需要考虑的问题。

测频程序:

MOV TMOD,#51H；写控制字

MOV TH0,#3CH ；写定时常数

MOV TL0,#0B0H MOV TH1,#00H;对心脏电信号脉冲进行计数

MOV TL1,#00H MOV 30H,#00H;秒存放单元

MOV 31H,#00H ；分存放单元

MOV 32H,#00H;心率存放单元

SETB TR0；启动T0定时

SETB TR1；启动T１计数

ACALLTEST

;调用心率测量程序

MOV 32H,TL1；将测量结果存放在32H单元

SJMP $TEST: JNB TF0,$ CLR TF0INC30H CLR C MOV A,30H CJNE A,#0AH,SECOND；判断是否到１秒钟

MOV 30H,#00H

;到１秒钟，清秒单元

INC 31H CLR C MOV A,31H CJNE A,#3CH,SECOND

;判断是否到１分钟

CLR TR0 CLR TR1 RETSECOND:MOV TH0，#3BH ；重写定时常数

MOV TL0，#0F0HAJMP TEST

测周期程序: ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH ；T0的中断入口

AJMP TIME0 ORG 001BH ；T1的中断入口

AJMP TIME1 ORG 0033H

MAIN：MOV SP，#60H MOV R3，#0 ；清除软件计数器

SETB P3.2 ；置P3.2，P3.5为输入状态

SETB P3.5 MOV TMOD，#59H MOV TH0，#3CH ；定时器初值