第五章定时计数器

第5章定时/计数器定时/计数器的结构及工作原理定时/计数器方式和控制寄存器定时/计数器的工作方式定时/计数器的编程举例运行中读定时/计数器值定时/计数器2单片机的51子系列有两个16位的定时/计数器：定时器0和定时器1。均可用作定时器或事件计数器，为单片机系统提供计数和定时功能。以实现控制系统中所要求的定时或延时控制、外部事件计数。52子系列单片机(8032/8052)除了有上述2个定时/计数器外，还有一个定时计数器2，后者的功能比前两者强。5.1定时/计数器的结构及工作原理定时/计数器的核心部件是一个加1计数器，其脉冲有两个来源：外部脉冲源、系统的时钟振荡器。计数器对两个脉冲源之一进行输入计数，每输入一个脉冲，计数值加1。当计数到计数值为全1时，再输入一个脉冲就使计数值回零，同时从最高位溢出一个脉冲使特殊功能寄存器TCON(定时器控制寄存器)的某一位TFx置1，作为计数器的溢出中断标志。定时/计数器的结构框图振荡器÷12加1计数器TFx中断TX端C/T=0C/T=1控制信号TRx若工作于定时状态，则表示定时时间到；若工作于计数状态，则表示计数回零。所以，加1计数器的基本功能是对输入脉冲进行计数。用作定时器时,在每个机器周期计数器加1,所以可以把它看作累加机器周期,1个机器周期包括12个振荡周期,则计数频率为振荡频率的十二分之一。工作于何种方式，取决于脉冲源，当脉冲源为时钟振荡器(等间隔脉冲序列)时，由于计数脉冲为一时间基准，脉冲数乘以脉冲间隔就是定时时间，表现为定时功能；当脉冲源为间隔不等的外部脉冲发生器时，就是外部事件的计数器，表现为计数功能。用作计数器时，计数脉冲来自外部输入引脚T0或T1，当输入信号发生一个由1到0的跳变时，计数器加1。在每个机器周期的S5P2期间采样外部输入信号，当一个周期的采样值为高电平、下一个周期的采样值为低电平时，计数器加1。新的计数值在紧接着检测到一个跳变后的下一个周期的S3P1期间在寄存器中出现。即在第一个机器周期的S5P2检测到高电平，在第二个机器周期的S5P2检测到低电平，在第三个机器周期的S3P1改变计数值。由于识别一个从1到0的跳变要用两个机器周期，所以最快的计数频率是振荡器频率的二十四分之一。对外部输入信号的占空比没有限制，为确保某一给定的电平在变化之前至少被采样一次，该信号至少保持一个完整的机器周期。图中的两个模拟开关，前者决定定时/计数器工作状态：计数还是定时；后者受控制信号的控制，决定脉冲源是否加到计数器输入端，即决定了加1计数器的开启与运行。对输入信号的基本要求>Tp>TpTp为机器周期在实际线路中，这两个模拟开关由TMOD与TCON的相应位控制。用户可通过对TMOD和TCON的各位进行写入或更改操作，从而选择不同的工作状态或启动工作，并可设置相应的控制条件，即定时/计数器是可编程的。16位的加1计数器由两个8位的特殊功能寄存器THx和TLx组成(x=0或1)。由特殊功能寄存器TMOD控制，可被程控为不同的组合状态，从而形成定时/计数器的四种工作方式。TMOD、TCON与T0、T1结构框图微处理器μPTH1TL1TH0TL0TCONTMOD工作方式工作方式5.2定时/计数器方式和控制寄存器由结构框图可以看到，特殊功能寄存器TMOD和TCON用来确定定时/计数器的工作方式，并控制其功能。每当执行一条改变TMOD和TCON内容的指令时，所改变的值在下一条指令的第一个机器周期的S1P1期间进入特殊功能寄存器，并立即产生效果。TMOD控制定时/计数器的工作方式；TCON控制定时器T0、T1的启动和停止计数，并包含了定时器的状态。5.2.1定时器工作方式控制寄存器TMOD的格式位76543210GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0定时器1定时器0GATE:选通控制。当GATE=1时，同时INTx为高电平，且TRx置位时，选通定时器x。当GATE=0时，每当TRx置位时，就选通定时器x。C/T:选择定时器功能还是计数器功能。该位置位时选择计数器功能(计数出现在T0或T1引脚上的负跳变)；该位清零时选择定时器功能(计机器周期)。M1M0:这两位指定定时/计数器的工作方式,可形成四种编码，对应四种工作方式：M1M0方式说明000TLx低5位与THx中8位构成13位计数器011TLx与THx构成16位计数器102可自动再装入的8位计数器,当TLx计数溢出时,THx内容自动装入TLx。113对定时器0,分成两个8位的计数器；对定时器1,停止计数。5.2.2定时器控制寄存器TCON的格式位76543210TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0TF1：定时器1溢出标志位。当定时/计数器1溢出时，由内部硬件置位，申请中断。当单片机转向中断服务程序后，由内部硬件自动清除。TR1：定时器1的运行控制位。由软件置位/清除来控制定时/计数器1的开启/关闭。TF0：定时器0溢出标志位。当定时/计数器0溢出时，由内部硬件置位，申请中断。当单片机进入中断服务程序后，由内部硬件自动清除。TR0：定时器0的运行控制位。由软件置位/清除来控制定时/计数器0的开启/关闭。IE1：外部中断1边沿触发请求标志位。当IT1=0时，每个机器周期的S5P2采样INT1，若INT1为低电平，将直接触发外部中断。当IT1=1时，当第一个机器周期采样到INT1为高电平、第二个机器周期采样到INT1为低电平时，由硬件置位中断标志IE1，并以此向CPU请求中断，当CPU响应中断、转向中断服务程序后由硬件清除。

IT1：外部中断1类型控制位。控制外部中断1是选择边沿触发还是电平触发方式。当IT1=0时，选择为电平触发方式，INT1低电平有效；当IT1=1时，选择为边沿触发方式，当INT1输入脚上出现电平由高到低的负跳变时有效。IT1由软件置位或清除。IE0：外部中断1边沿触发请求标志位。当IT0=0时，每个机器周期的S5P2采样INT0，若INT0为低电平，将直接触发外部中断。当IT0=1时，当第一个机器周期采样到INT0为高电平、第二个机器周期采样到INT0为低电平时，由硬件置位中断标志IE0，并以此向CPU请求中断，当CPU响应中断、转向中断服务程序后由硬件清除。

IT0：外部中断0类型控制位。控制外部中断0是选择边沿触发还是电平触发方式。当IT0=0时，选择为电平触发方式，INT0低电平有效；当IT0=1时，选择为边沿触发方式，当INT0输入脚上出现电平由高到低的负跳变时有效。IT0由软件置位或清除。由于定时/计数器T0、T1是可编程的，所有在任何一个定时/计数器开始工作之前，必须对其写入相应的控制字。5.3定时/计数器的工作方式寄存器TMOD中的M1、M0两位的四种不同取值，导致了THx、TLx的四种不同组合，从而形成定时/计数器的四种不同工作方式。其中前三种工作方式对两者都是一样的，方式3对两者是不同的。可以说，只有定时/计数器0有方式3。5.3.1方式0振荡器÷12TFx中断Tx端C/T=0C/T=1GATEINTx端TRxTLx(低5位)THx(8位)控制&≥ll当M1M0=00时，定时/计数器被选择为工作方式0。在此工作方式下，定时/计数器构成一个13位寄存器，由THx的8位与TLx的低5位组成，TLx的高3位未用。当单片机进入中断服务程序后，再由内部硬件自动清除该标志TFx。在一般情况下，GATE=0，定时/计数器运行控制仅由TRx位的状态确定(TRx=1启动，TRx=0停止)。只有在启动计数要由外部输入INTx控制时，才使GATE=1，由框图可知，GATE=1，TRx=1时，只有INTx引脚输入高电平，Tx才被允许计数。

利用GATE的这一功能，可以很方便的测量脉冲宽度。当TLx的低5位计数溢出时，则向THx进位，THx溢出时，则把其对应的定时/计数器的溢出标志位TFx置位，并以此作为定时/计数器溢出中断标志。5.3.2方式1振荡器÷12TFx中断Tx端C/T=0C/T=1GATEINTx端TRxTLx(8位)THx(8位)控制l&≥l方式1与方式0的差别仅在于计数器的位数不同，方式1为16位的计数器，由THx作为高8位和TLx作为低8位构成。其余和方式0类似。5.3.3方式2振荡器÷12TFx中断Tx端C/T=0C/T=1GATEINTx端TRxTLx(8位)THx(8位)控制重新装入l≥l&定时/计数器构成一个自动再装入功能的8位计数器。

此时由TLx计数，而THx在此方式中作为一个数据缓冲器。当TLx计数溢出时，在置位溢出标志TFx的同时，还自动地将THx中的常数送到TLx，使TLx从刚刚装入的初值开始重新计数。再装入后，THx中的内容保持不变。5.3.4方式3T0端C/T=0C/T=1GATEINT0端TR0振荡器÷12振荡器÷12TF0中断TL0(8位)TF1中断TH0(8位)TR1控制控制l≥l&方式3可使MCS-51单片机增加一个附加的8位定时/计数器，此种方式只适应于定时/计数器0。定时/计数器1处于方式3时，相当于TR1=0，停止计数。定时/计数器0在方式3下，TL0和TH0被作为两个独立的计数器。在此方式下，TL0使用了定时器0的所有控制位：C/T、GATE、TR0、INT0和TF0；TH0则被限制为一个定时器，对机器周期计数，同时借用了定时器1的TR1和TF1，即借用了其运行控制位和溢出标志。一般来说，只有当系统需要增加一个额外的8位定时器时，才把定时/计数器0设置为方式3。当定时/计数器0工作于方式3时，由于TH0借用了定时/计数器1的运行控制位和溢出(中断)标志，此时定时/计数器1虽然可以设置为方式0、方式1和方式2，但是只能用在不需要中断控制的场合。例如，工作于自动重装载方式(方式2)，作为串行通讯的波特率发生器使用。5.4定时/计数器的编程举例定时/计数器的应用编程应注意：⑴正确写入控制字，即初始化；⑵时间常数的正确计算。定时计数器操作控制次序：①确定工作方式，写入TMOD定时/计数器工作方式寄存器；②计算定时/计数初值，装入THx及TLx；③置位TRx以启动计数；④置位ETx以允许定时/计数器x中断(若需要，不需要可略)；⑤置位EA以使CPU开放中断，即接收中断信号。由于定时/计数器以加1方式计数，假设计数值为x，则应装入定时/计数器的初值为：(n为不同方式下计数器的位数)。当工作于定时状态时，由于定时/计数器是计数机器周期的，而机器周期频率恒定，每个机器周期包括12个振荡周期，若晶振频率为6MHz，则：一个机器周期:计数个数为：其中：Tp为机器周期则应装入的计数初值为：例5-1.要求定时为1mS，晶振频率为12MHz。解：因为:Tc=x×Tp=1mS所以:对方式0,应装入的初值为:此时，THx=0E0H(11100XXX)，TLx=18H对方式1，应装入的初值为：此时，THx=0FCH，TLx=18H例5-2.设定时/计数器T0为定时状态，工作于方式1，定时时间为2mS，每当2mS到申请中断，在中断服务程序中将A的内容左环移一次，送P1口显示。已知晶振频率为12MHz。解答：定时时间为2mS，即:Tc=x×Tp=2mS所以，计数个数为：采用方式1，应装入的时间常数为：则：TH0=0F8H，TL0=30H编程如下：ORG 0000HLJMP MAIN ;转主程序ORG 000BH ;T0中断服务程序MOV TL0,#30HMOV TH0,#0F8H ;重新送2mS时间常数初值RL A ;(A)左环移一次MOV P1,A ;送P1口显示RETMAIN:MOVTMOD,#01H;送控制方式字MOV TL0,#30H ;T0初始化MOV TH0,#0F8HMOV A,#01H ;累加器A置初值SETB TR0 ;启动T0计数SETB ET0 ;允许T0中断SETB EA ;CPU开中断SJMP $ ;等待中断发生(无事可做)例5-3.设定时/计数器T0工作于方式3，TL0、TH0作为两个独立的8位定时/计数器，分别产生250S和500S的定时中断，使P1.1和P1.2产生500S和1000S的方波。设晶振频率为6MHz。解答：TL0计数个数:250s/2s=125初值:

28-125=131=83HTH0计数个数:500s/2s=250

初值:

28-250=6=06H编程如下：ORG 0000HLJMP MAIN ;转主程序ORG 000BH ;定时器0中断服务子程序入口LJMP TINT0ORG 001BH ;定时器1中断服务子程序入口LJMP TINT1MAIN:MOVTMOD,#03H;T0工作方式3MOV TL0,#83H ;TL0送时间常数MOV TH0,#06H ;TH0送时间常数SETB TR0 ;启动定时SETB TR1;等价于MOVTCON,#50HSETB ET0 ;允许中断SETB ET1;等价于MOVIE,#8AH

SETB EA ;CPU开中断SJMP $ ;等待TINT0: MOV TL0,#83H ;定时器0中断服务子程序 CPL P1.1 RETITINT1: MOV TH0,#06H ;定时器1中断服务子程序 CPL P1.2 RETI例5-4.设定时/计数器0工作于方式2,TL0为8位计数器,产生500s定时中断,在中断服务程序中将(A)减1,然后送P1口显示,设晶振为6MHz。编程如下: ORG 0000H AJMP MAIN ;转主程序 ORG 000BH DEC A ;T0中断服务子程序 MOV P1,A RETIMAIN:MOV TMOD,#02H ;初始化 MOV TL0,#06H ;送500S时间常数 MOV TH0,#06H SETB TR0 ;启动T0计数 SETB ET0 ;允许T0中断 SETB EA ;CPU开中断 SJMP $5.5运行中读定时/计数器值在MCS-51中，随时可以读写计数寄存器的内容，但是读取时需要特别加以注意；由于不能在同一时刻读取THx和TLx的内容。如不注意，读取的计数器有可能出错。比如先读(TLx)，后读(THx)，由于定时器在不断运行，读(THx)前，若恰好产生TLx溢出向THx进位，则读得的(TLx)完全不对。同样先读(THx)再读(TLx)也可能出错（同样问题）。解决错读问题的一种方法是:先读(THx)，后读(TLx)，再读(THx)，若2次读得的(THx)没有发生变化，则可确定读得的内容是正确的，否则再重复上述读THx、TLx过程，这样读得的(THx)，(TLx)就是正确的。下面程序把读得的TH0、TL0放在R1、R0中：RDTIME: MOV A,TH0 ;读(TH0) MOV R0,TL0 ;读(TL0) CJNE A,TH0,RDTIME ;比较2次读得的(TH0),不同重读

MOV R1，A RET5.6定时/计数器2只有52子系列单片机拥有定时/计数器2。定时/计数器2是一个具有16位自动重装载或捕获能力的定时/计数器，特殊功能寄存器T2CON是它的控制寄存器。定时/计数器2具有两种工作方式：定时/计数器方式和波特率发生器方式。5.6.1定时/计数器方式RCAP2HRCAP2LTH2TL2CINCINCOUTCOUTCP/RL2T2EXEXEN2EXF2中断置TF2置EXF2TF2振荡器÷12T2C/T2TR2&&≥l&≥l&用作定时器时，寄存器TH2和TL2对机器周期计数；用作计数器时，外部计数脉冲由T2(P1.0)输入，工作情况和时序关系与定时/计数器0和1的完全一样，对外部计数脉冲的要求也与定时/计数器0和1的完全一样。在定时器和计数器工作方式下，可以通过对T2CON中的控制位CP/RL2的操作来选择捕获能力或重装载能力，TH2和TL2内容的捕获或自动重装载通过一对捕获/重装载寄存器RCAP2H和RCAP2L来实现，TH2、TL2和RCAP2H、RCAP2L之间接有双向缓冲器(三态门)。当CP/RL2=1时，选择捕获功能，数据传送方向为把TH2和TL2中的内容自动装入RCAP2H和RCAP2L；当CP/RL2=0时，选择自动重装载功能，数据传送方向为把RCAP2H和RCAP2L的数据自动装入TH2和TL2。捕获或自动重装载发生在下述情况下：⑴定时器2的寄存器TH2和TL2溢出时：当寄存器TH2和TL2溢出时，如果CP/RL2=0，则打开重装载的三态缓冲器，把RCAP2H和RCAP2L的内容自动装载到TH2和TL2中，同时溢出标志TF2置位为1，申请中断。⑵当EXEN2=1且T2EX(P1.1)端的信号有负跳变时：当EXEN2=1且T2EX(P1.1)端的信号有负跳变时，根据CP/RL2是1或0，发生捕获操作或自动重装载操作，同时标志EXF2置位，申请中断。如果定时/计数器2的中断是被允许的，不管发生TF2=1还是EXF2=1，CPU都会响应中断，中断的入口地址为002BH。响应中断后，应当用软件清除中断标志，以避免无休止地发生中断。TF2、EXF2都是直接可寻址位，可采用CLRTF2和CLREXF2指令实现撤消中断申请的功能。5.6.2波特率发生器方式RCAP2HRCAP2LTH2TL2CINCINCOUTCOUTC/T2TR2OSC2T2÷2定时器1溢出SMOD=0SMOD=1"0""1""0""1"÷16RCLKTCLK÷16TXCLOCKRXCLOCKT2EXEXEN2EXF2&&波特率发生器用于控制串行口的数据传输速率。在T2CON中的RCLK和TCLK两位用于选择定时/计数器1或2作为串行通讯的波特率发生器。RCLK和TCLK两位的值用来控制2个电子开关的位置。当这两位为0时，选用定时/计数器1作为波特率发生器；当这两位为1时，选用定时/计数器2作为波特率发生器。其中RCLK选择串行通讯接收波特率发生器，TCLK选择发送波特率发生器。当选用定时/计数器2作波特率发生器时，其溢出脉冲用作串行口的时钟，时钟频率可由内部时钟决定，也可由外部时钟决定。如果C/T=0，选用外部时钟，时钟信号由T2(P1.0)端输入，每当外部脉冲负跳变时，计数器值加1，外部脉冲频率不能超过振荡器频率的1/24。由于溢出时，RCAP2H和RCAP2L的内容自动装载到TH2和TL2，所以波特率的值还决定于装载值。

当定时/计数器2用作波特率发生器时，如果EXEN2置位，则T2EX端的信号发生负跳变时，EXF2将置位，但不会发生重装载或捕获操作，此时T2EX可以作为一个附加的外部中断源。在波特率工作方式下，TH2、TL2和RCAP2H、RCAP2L的内容不能读或被修改。5.6.3定时/计数器2控制寄存器T2CONTR2EXEN2TCLKRCLKEXF2TF2含义01234567位TF2(T2CON.7)：定时器2