单片机定时计数器与串行接口

第7章单片机的定时/计数器单片机原理、接口及应用本章重点★7.1定时计数器基本知识★7.2定时计数器结构和工作原理★7.3定时计数器的控制寄存器★7.4定时器的四种工作方式

★7.5定时计数器的应用编程7.1定时计数器基本知识8051单片机中有两个计数器T0和T1，这两个计数器分别是由两个8位的RAM单元组成的，即每个计数器都是16位的计数器，最大的计数量是65536。8031中的计数器除了能作为计数之用外，还能用作时钟，时钟的用途当然很大，如打铃器，电视机定时关机，空调定时开关等等。定时器和计数器的原理是一样的，都是进行计数操作，每次加1，加满溢出后，再从0开始计数，定时器和计数器不同之处是输入的计数信号来源不同。计数器是记录的外界发生的事情，而定时器则是由单片机供给一个非常稳定的计数源。

这个计数源就是由单片机的晶体震荡器经过12分频后获得的一个脉冲源。晶体震荡器的频率当然很准，所以这个计数脉冲的时间间隔也很准。实现定时功能，比较方便的方法是利用单片机的定时器计数器，也可以采用下面的三种方法：软件定时：软件定时不占用硬件资源，但占用了cpu的时间，降低了cpu的利用率。采用时基电路定时：例如采用555电路，外界必要的元器件（电阻和电容），即可构成硬件定时电路。但在硬件连接好以后，定时值与定时范围不能由软件进行修改与控制，即不可编程。采用可编程芯片定时：这种定时芯片的定时值及定时范围很容易用软件来确定和修改，此种芯片定时功能强，使用灵活，在单片机的定时计数器不够用时，可以考虑进行扩展。7.28051定时/计数器结构和工作原理★

51系列单片机片内有二个十六位定时/计数器：定时器0(T0)和定时器1(T1)。★两个定时器都有定时或事件计数的功能，可用于定时控制、延时、对外部事件计数和检测等场合★定时/计数器实际上是16位加1计数器。

T0由2个8位持殊功能寄存器TH0和TL0构成，

T1由2个8位持殊功能寄存器TH1和TL1构成。★每个定时器都可由软件设置为定时工作方式或

计数工作方式。★T0和T1受特殊功能寄存器TMOD和TCON控制。

加1计数器输入的计数脉冲有两个来源,一个是由系统的时钟振荡器输出脉冲经12分频后送来；一个是T0或T1引脚输入的外部脉冲源。每来一个脉冲计数器加1，当加到计数器为全1时，再输入一个脉冲就使计数器回零，且计数器的溢出使TCON中TF0或TF1置1，向CPU发出中断请求（定时/计数器中断允许时）。如果定时/计数器工作于定时模式，则表示定时时间已到；如果工作于计数模式，则表示计数值已满。可见，由溢出时计数器的值减去计数初值才是加1计数器的计数值。1.定时工作方式

★设置为定时器模式时：加1计数器是对内部机器周期计数（1个机器周期等于12个振荡周期，即计数频率为晶振频率的1/12）。

★每经过一个机器周期定时器(T0或T1)的数值加1直至计数满产生溢出。★计数值N乘以机器周期Tcy就是定时时间t

。

计数值：N=满计数值-初始设定值t=计数值N×机器周期T如：当8051采用12MHz晶体时，每个机器周期为1μs，计5个机器周期即为5μs，即定时5μs。2.计数工作方式

★设置为计数工作方式时，通过引脚T0(P3．4)和T1(P3．5)对外部脉冲信号计数。★当输入脉冲信号产生由1至0的下降沿时，定时器的值加1,在每个机器周期CPU采样T0和T1的输入电平。若前一个机器周期采样值为高，下一个机器周期采样值为低，则计数器加1。★由于检测一个1至0的跳变需要二个机器周期，故最高计数频率为振荡频率的二十四分之一。★虽然对输入信号的占空比无特殊要求，但为了确保某个电平在变化之前至少被采样一次，要求电平保持时间至少是一个完整的机器周期。由T0或T1引脚输入计数脉冲。在每个机器周期的S5P2期间，CPU采样引脚输入电平。当前一机器周期采样到高电平，下一周期机器采样到低电平时，则计数器加1，更新的计数值在下一个机器周期的S3P1期间装入计数器。由于检测一个从1到0的下降沿需要2个机器周期，因此要求被采样的电平至少要维持一个机器周期，最高计数频率不超过振荡频率的1/24，当晶振频率为12MHz时，计数频率为1/2MHz，计数脉冲的周期要大于2s。

7.3定时计数器的控制寄存器★定时器共有两个控制寄存器：定时器控制TCON（88H)

定时器工作模式寄存器TMOD(89H)1.工作模式寄存器TMOD(89H)

TMOD用于控制T0和T1的操作模式。其各位的定义如下：TMODD7D6D5D4D3D2D1D0(89H)GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0定时器T0

定时器T1★

GATE：门控选择位

=0，非门控方式，定时/计数器由内部软件启动：

TRx=1，启动定时器工作；

TRx=0，停止定时器工作。

=1，门控方式，定时/计数器由内、外部启动：

TRx=1，同时必须引脚INTx=1，才启动。门控位GATE为1时，TRx=1，INTx=1才能启动定时器。利用这个特性可以测量外部输入脉冲的宽度。★

C/T：定时器/计数器选择位

C/T=1，计数方式，通过引脚T0（P3.4）和T1(P3.5)对外部信号进行计数。

C/T=0，定时方式，对机器周期计数。

★M1、M0——工作模式选择位。

由于有M1和M0两位，可以有四种工作方式。T0有4种工作模式，T1有3种工作模式。定时器/计数器T1不能工作在模式3。设置T1的M1M0=11，T1将停止工作。定时器/计数器的工作模式M1M0工作模式功能介绍00模式013位定时器/计数器01模式116位定时器/计数器10模式28位自动重置定时器/计数器11模式3定时器0：TL0可8位定时器/计数器，TH0为8位定时器。定时器1：不工作。TMOD各位定义及具体的意义

TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0T1请求有/无

T1工作启/停T0请求有/无T0工作启/停INT1请求有/无INT1方式下沿/低电平

INT0请求有/无INT0方式下沿/低电平2.控制寄存器TCON(88H)

TCON寄存器中定时器控制仅用了其中高四位，其意义如下：

★TF1：T1溢出中断请求标志。

TF1=1，T1有溢出中断请求。

TF1=0，T1无溢出中断请求。

★TR1：T1运行控制位。

TR1=1，启动T1工作。

TR1=0，停止T1工作。在程序中用指令“SETBTR1”使TR1位置1，定时器T1便开始计数。“CLRTR1”使TR1清0.GATE=0时，用软件使TR1置1，则启动定时器1，

用软件使TR1清0，则停止定时器1。GATE=1时，用软件TR1置1，如果检测到引脚INT1（P3.3）输入高电平时启动定时器1。

★TF0：T0溢出中断请求标志。

TF0=1，T0有溢出中断请求。

TF0=0，T0无溢出中断请求。

★TR0：T0运行控制位。

TR0=1，启动T0工作。

TR0=0，停止T0工作。同TR1定时计数器的内部逻辑电路结构

&>1C/TC/T7.4定时器的四种工作方式

对TMOD寄存器的M1、M0位的设置，可选择四种工作方式，即方式0、方式1、方式2和方式3。下面用THX、TLX（X=1或0）表示TH1TL1TH0TL0。

模式0以及定时器T0、T1模式0下的结构模式1以及定时器T0、T1模式1下的结构模式2以及定时器T0、T1模式2下的结构模式3以及定时器T0、T1模式3下的结构

13位定时/计数器，由TLx的低5位（高3位未用）和THx的8位组成。TLx的低5位溢出时向THx进位，THx溢出时，置位TCON中的TFx标志，向CPU发出中断请求。1）方式0（M1M0=00）计数外部脉冲个数：1～8192(213)定时时间：T～8192Tfosc=12MHz，T=1us时，最大定时时间：8.19ms初始化定时/计数器时，初值N计算:定时机器周期数:N＝t/T-------定时时间/机器周期计数初值：X=213-N

------计数最大值与计数值之差GATE=0时，经反相后使或门输出为1，此时仅由TRx控制与门的开启，与门输出1时，控制开关接通，计数开始；GATE=1时，由INT0引脚信号控制或门的输出，此时控制与门的开启由INT0引脚信号和TRx共同控制。

TRx=1时，INT0引脚信号高电平启动计数，低电平停止计数。常用来测量外中断引脚上正脉冲的宽度。

2）方式1（16位定时/计数器，M1M0=01

）计数外部脉冲个数范围：1～65536(216)定时时间范围：T～65536T初始化定时/计数器时，初值N计算:定时机器周期数:N＝t/T-------定时时间/机器周期计数初值：X=216-N

------计数最大值与计数值之差3）方式2（自动再装入8位定时/计数器，M1M0=00）TLx为8位加1计数器，THx为8位初值暂存器。TLx计数溢出时，一方面将TFx置位，另一方面，将THx的内容重新装入TLx，但不影响THx中的内容，用于需要重复定时和计数的场合，可实现每隔预定时间发出控制信号。计数外部脉冲个数范围：1～256(28)定时时间范围：T～256T初值N计算:定时机器周期数:N＝t/T计数初值：X=28-N4）方式3（M1M0=00）T0分成两个8位定时/计数器TL0和TH0；

TL0：既可计数也可定时，是一个8位定时/计数器。占用了T0

所有控制位：C/T,TR0,GATE,TF0和INT0、T0引脚；

TH0：只能作为定时器，因为T0已被TL0占用，TH0用T1的控制位：TR1、TF1；T0在方式3时T1的工作模式

如果定时/计数器T0工作在方式3，T1只能工作在0、1、2方式。此时由于T1的运行控制位TR1及计数溢出标志位TF1已被定时/计数器T0借用，这时，T1作为串行口的波特率发生器使用。

当作为波特率发生器使用时，只需要设置好工作方式，便可自动运行。如要停止工作，只需送入一个把T1设置为方式3的方式控制字。因为定时/计数器T1不能在方式3下工作，如果硬把它设置为方式3，则停止工作。T0在方式3时T1的工作模式(c)T1方式2定时器/计数器的功能和工作模式的选择是由工作模式控制寄存器TMOD和定时器控制寄存器TCON来控制的。●

工作模式控制寄存器TMOD示意图●定时器控制寄存器TCON示意图●

4种工作模式的特点1．最大定时时间不同（采用12MHz的晶体）模式0（13位）时：TMAX=8192s=8.192ms。模式1（16位）时：TMAX=65536s=65.536ms。模式2和3（两个8位）时：TMAX=256s=0.256ms。2．加载方式不同模式0和模式1的最大特点是计数溢出后，计数器全为0，因此，循环定时或计数时就要反复设置计数初值；模式2可以自动加载计数初值；模式3适合用于串行口数据传输率发生器。小结任意定时以及计数的方法：

我们采用预置数的办法，我要计100，那我就先放进65436，再来100个脉冲，就到了65536了。定时也是如此，每个脉冲是1微秒，则计满65536个脉冲需时65.536毫秒，但现在我只要10毫秒就能了，怎么办？10个毫秒为10000个微秒，所以，只要在计数器里面放进55536就可以了。以定时器T0在方式1下定时0.95ms为例，先将65536μs-950μs=64586μs换成十六进制数FC4AH，然后将此数的高位FC装入TH0；再将此数的低位4A装入TL0。再进行计数就可以了。还有一种简便计算方法，即将设计时初始值直接代入表中所提供的公式里，如使用定时器T0在模式0下定时1000s，设计初始值为1000，将1000分两次代入公式即可。定时计数器的初始化

在使用定时器/计数器前，应首先对其进行初始化编程。一、定时器的初始化步骤1、设置TMOD。选择工作模式和工作方式。2、设置定时器的计数初值。将初值写入TH0和TL0或TH1、TL1。3、如果需要中断，设置中断允许寄存器IE。4、设置TCON，启动定时器。可以使用位操作指令。例如：SETBTRx。使用定时器工作之前，先写入方式、控制寄存器，确定好定时器工作方式：MOVTMOD，#方式字;启动方式选择（内外共同启动/内启动） 功能选择—（计数/定时）位数选择—

（8/13/16位）MOVTHx，#XH

；计算时间常数X，MOVTLx，#XL；Tx时间常数初值装入数据寄存器

，(SETBEA ) ；开Tx中断(SETBETx)SETBTRx

；启动控制Tx定时器（启动/停止）定时器初始化编程：在主程序中进行

二、定时器/计数器初值计算

定时器/计数器的模式和方式不同，计数初值也将不同。计数器的长度为n，则计数的最大值为2n

。

1、工作于定时方式计数脉冲由内部的时钟提供，每个机器周期进行加1。设晶振频率为fosc，则计数脉冲的频率为fosc/12，计数脉冲周期T=1/（fosc/12）。如果进行定时时间为t，计数初值为X，则：初值X=2n

-t×fosc/122、工作于计数方式当工作在计数方式时，对外部脉冲计数。利用计数器计数结束产生溢出的特性，来计算初值X。则有：X=2n—计数次数上节练习与回顾1、下面哪一种仅适用于定时器T0（）A.方式0B.方式1C.方式2D.方式32、若51单片机的晶振频率是24MHz，则其内部定时器/计数器利用计数器对外部输入脉冲的最高计数频率是（）A.1MHzB.6MHzC.12MHzD.24MHz3、8031定时/计数器是否计满可采用等待中断的方法进行处理，也可通过对（）的查询方法进行判断。

A．OV标志B．CY标志C．中断标志D．奇偶标志4、在下列寄存器中，与定时/计数控制无关的是()A、TCON（定时控制寄存器）B、TMOD（工作方式控制寄存器）C、SCON（串行控制寄存器）D、IE（中断允许控制寄存器）答：有四种工作模式：模式0，模式1，模式2，模式3

（1）

模式0：选择定时器的高8位和低5位组成一个13位定时器/计数器。TL低5位溢出时向TH进位，TH溢出时向中断标志位TF进位，并申请中断。

定时时间t=(213-初值)×振荡周期×12；计数长度位213=8192个外部脉冲

（2）

模式1：与模式0的唯一差别是寄存器TH和TL以全部16位参与操作。定时时间t=(216-初值)×振荡周期×12；计数长度位216=65536个外部脉冲

（3）

模式2：把TL0和TL1配置成一个自动重装载的8位定时器/计数器。TL用作8位计数器，TH用以保存初值。TL计数溢出时不仅使TF0置1，而且还自动将TH中的内容重新装载到TL中。

定时时间t=(28-初值)×振荡周期×12；计数长度位28=256个外部脉冲

（4）

模式3：对T0和T1不大相同

若设T0位模式3，TL0和TH0被分为两个相互独立的8位计数器。TL0为8位计数器，功能与模式0和模式1相同，可定时可计数。

TH0仅用作简单的内部定时功能，它占用了定时器T1的控制位TR1和中断标志位TF1，启动和关闭仅受TR1控制。

定时器T1无工作模式3，但T0在工作模式3时T1仍可设置为0~2。

5、89C51定时器有哪几种工作模式？有何区别？6、根据定时器/计数器0方式1逻辑结构图，分析门控位GATE取不同值时，启动定时器的工作过程。

答：当GATE=0：软件启动定时器，即用指令使TCON中的TR0置1即可启动定时器0。GATE=1：软件和硬件共同启动定时器，即用指令使TCON中的TR0置1时，只有外部中断INT0引脚输入高电平时才能启动定时器0。7、单片机8031的时钟频率为6MHz,若要求定时值分别为0.1ms,1ms,10ms,定时器0工作在模式0、模式1和模式2时，其定时器初值各应是多少？

解：

（1）

0.1ms

模式0：

T0低5位01110B=0EH

T0高8位：11111110B=FEH

模式1：模式2：

（2）

1ms

模式0：

T0低5位01100B=0CH

T0高8位：11110000B=F0H

模式1：

模式2：

在此情况下最长定时为512μs，无法一次实现定时1ms，可用0.1ms循环10次

（3）

10ms

模式0：

T0低5位11000B=18H

T0高8位：01100011B=63H

模式1：

模式2：在此情况下最长定时为512μs，无法一次实现定时10ms，可用0.1ms循环100次8、3、设MCS-51单片机fosc=12MHz，要求T0定时150µs，分别计算采用定时方式0、方式1和方式2时的定时初值。答：方式0的定时初值：IF6AH方式1的定时初值：FF6AH方式2的定时初值：6AH9、

设MCS-51单片机fosc=6MHz，问单片机处于不同的工作方式时，最大定时范围是多少？

答：方式0的最大定时范围：131,072µs方式1的最大定时范围：16,384µs方式2的最大定时范围：512µs例1

设单片机的振荡频率为12MHz，用定时器/计数器0的模式1编程，在P1.0引脚产生一个周期为1000µs的方波，定时器T0采用中断的处理方式。定时器的分析过程。工作方式选择需要产生周期信号时，选择定时方式。定时时间到了对输出端进行周期性的输出即可。

工作模式选择

根据定时时间长短选择工作模式。

首选模式2，可以省略重装初值操作。定时器的应用举例

定时时间计算：周期为1000µs的方波要求定时器的定时时间为500µs，每次溢出时，将P1.0引脚的输出取反，就可以在P1.0上产生所需要的方波。定时初值计算：振荡频率为12MHz，则机器周期为1µs。

设定时初值为X，（65536-X）×1µs=500µs

X=65036=0FE0CH定时器的初值为：TH0=0FEH，TL0=0CH

C语言程序：#include<reg52.h> //包含特殊功能寄存器库sbit P1_0=P1^0; //进行位定义voidmain() { TMOD=0x01; //T0做定时器，工作在模式1 TL0=0x0c; TH0=0xfe; //设置定时器的初值

ET0=1; //允许T0中断

EA=1; //开中断

TR0=1; //启动定时器

while(1); //等待中断}

voidtime0_int(void)interrupt1{ //中断服务程序

TL0=0x0c; TH0=0xfe; //定时器重赋初值

P1_0=~P1_0; //P1.0取反，输出方波}

汇编语言程序：

ORG 0000H SJMP MAIN ORG 000BH LJMP TIME0MAIN:MOV TMOD,#01H ；T0定时，模式1 MOV TL0,#0CH ；置定时初值

MOV TH0,#0FEH SETB ET0 ；定时器T0开中断

SETB EA ；CPU开中断

SETB TR0 ；启动定时器T0 SJMP $ ；等待定时器溢出TIME0:MOV TL0,#0CH ;中断服务程序

MOV TH0,#0FEH ；重装定时初值

CPL P1.0 ；P1.0取反，输出方波

RETI ；中断返回

END例2

设单片机的振荡频率为12MHz，用定时器/计数器0编程实现从P1.0输出周期为500μs的方波。分析：定时时间：从P1.0输出周期为500μs的方波。定时250μs，定时结束对P1.0取反。

模式选择：当系统时钟频率为12MHz，机器周期为1µs，定时器/计数器0可以选择模式0、模式1和模式2。模式2最大的定时时间为256μs，满足250μs的定时要求，选择模式2（1）定时初值计算

（256-X）×1µs=250µs X=6； 则TH0=TL0=6采用中断处理方式的程序：

C语言程序：#include <reg52.h>//包含特殊功能寄存器库

sbit P1_0=P1^0;void main(){ TMOD=0x02; //选择定时器的工作模式

TL0=0x06; TH0=0x06; //为定时器赋初值

ET0=1; //允许定时0中断

EA=1; TR0=1; //启动定时器0 while(1); //等待中断} voidtime0_int(void)interrupt1 { P1_0=~P1_0;} 汇编语言程序：

ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH ；中断处理程序 CPL P1.0 RETI

ORG 0030H ；主程序

MAIN: MOV TMOD，#02H MOV TL0，#06H MOV TH0，#06H

SETB ET0 ；允许定时器0中断

SETB EA ；允许CPU中断 SETB TR0 ；启动定时器0 SJMP $ ；等待中断

END

采用查询方式处理的程序： C语言程序：#include<reg52.h> //特殊功能寄存器库sbit P1_0=P1^0;voidmain(){ TMOD=0x02; TL0=0x06; TH0=0x06;TR0=1;

while(1) { while(!TF0); //查询计数溢出

TF0=0; P1_0=~P1_0; }}

汇编语言程序:MAIN: MOV TMOD,#02H ；主程序

MOV TL0,#06H MOV TH0,#06H SETB TR0LOOP: JNB TF0,$ ；查询计数溢出

CLR TF0 CPL P1.0

SJMP LOOP END

门控位的应用

门控位GATE为1时，TRx=1，INTx=1才能启动定时器。利用这个特性可以测量外部输入脉冲的宽度。例3利用T0门控位测试INT0引脚上出现的正脉冲宽度，已知晶振频率为12MHz，将所测得值最高位存入片内71H单元，低位存入70H单元。解：设外部脉冲由(P3.2)输入，T0工作于定时方式1(16位计数)，GATE设为1。测试时，应在INT0低电平时，设置TR0为1(16位计数)；当INT0变为高电平时，就启动计数；再次变低时，停止计数。此计数值与机器周期的乘积即为被测正脉冲的宽度。因fosc=12MHZ，机器周期为1us，测试过程如下。源程序如下：

MOVTMOD，#09H;设T0为方式1MOVTL0，#00H；设计初值取最大值

MOVTH0，#00HMOVR0，#70HJBP3.2,$；等P3.2(INT0)变低

SETBTR0；启动T0准备工作

JNBP3.2,$；等待P3.2(INT0)JBP3.2,$;等待P3.2(INT0)CLRTR0;停止计数T0从0开始计数INT0

09H(TMOD)1TR0

0TR0T0停止计数

MOV@R0,TL0；存放结果

INCR0MOV@R0,TH0SJMP$

读者不难编出C语言程序。这种方案被测脉冲的宽度最大为65535个机器周期