单片机技术与项目训练 课件 第5章 定时计数器

定时/计数器第5章定时/计数器是单片机最重要的资源之一，应用非常广泛，凡是涉及计数、定时有关的操作，都可以用定时/计数器来解决，如定时控制、延时、频率/周期的测量、信号产生、串行通信等。定时/计数器是单片机的学习重点，也是难点之一，使用起来比I/O口应用复杂，只有熟悉其工作原理才能很好地掌握其用法。本章着重介绍定时/计数器的工作原理与不同工作方式的特点及其应用方法。引言目录定时/计数器概述1定时/计数器的基础应用案例2本章小结5定时/计数器的高级应用3本章习题6行业PPT模板/hangye/项目训练数字电子钟设计45.1定时/计数器概述行业PPT模板/hangye/定时器/计数器简介8051单片机内部有两个16位的定时/计数器T0和T1，它们本质上是计数器。在它们作为定时器使用时，计数脉冲来自内部的机器周期（振荡周期的12倍）。当它们作为计数器使用时，用来计引脚上的脉冲信号（下降沿）数。T0和T1的外部引脚是P3口的第二功能，对应的是P3.4和P3.5引脚.定时/计数器是中断系统的一部分。5.1.1与定时/计数器有关的SFR1．定时/计数器的控制寄存器TCONTCON的大部分功能在第4章中已经介绍过，此外，还有两位与定时/计数器的运行有关，即TR0、TR1，如表5-1所示，它们控制定时器的运行。（1）TR0（Timer0Run）——定时/计数器T0运行控制位。TR0=1，启动T0运行（与TMOD中的GATE位有关）；TR0=0，T0停止运行。（2）TR1（Timer1Run）——定时/计数器T1运行控制位。它的功能同TR0。TCOND7D6D5D4D3D2D1D0位地址8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88H位定义TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT05.1.1与定时/计数器有关的SFR2．定时/计数器的工作方式控制寄存器TMODTMOD用于设定定时/计数器的工作方式。它的高4位控制T1，低4位控制T0；其字节地址是89H，不可位寻址，只能按字节（8位一起）整体赋值。TMOD的各位如表5-2所示。（1）GATE——门控位。GATE一般情况下设置为0，此时，定时/计数器的运行仅受TR0/TR1的控制。如果将GATE设置为1，则定时/计数器的运行还受对应外部中断引脚（INT0/INT1）输入信号的控制。只有在外部中断引脚输入高电平，且TR0/TR1=1时，定时/计数器才运行。有时可以用门控位进行时钟信号的测量。（2）C/T（Counter/Timer）——定时/计数选择位。=0为定时方式，对内部的机器周期脉冲进行计数；=1为计数方式，对引脚上的脉冲信号计数，负跳变有效。5.1.1与定时/计数器有关的SFR2．定时/计数器的工作方式控制寄存器TMOD（3）M1、M0——工作方式选择位。M1和M0的组合可以作为定时/计数器不同的工作方式来使用M1M0位组合方式名称功能备注00方式013位定时/计数器—01方式116位定时/计数器—10方式28位定时/计数器初值自动重装11方式3两个8位定时/计数器仅适用于T05.1.1与定时/计数器有关的SFR3．定时/计数器的计数寄存器定时/计数器内部有一个16位计数器用来计脉冲数，称为计数寄存器。它是由由两个8位寄存器（TH0和TL0）组成的。这两个8位寄存器可以单独进行读/写操作。它们的定义如下。TH0——T0的高8位。TL0——T0的低8位。TH1——T1的高8位。TL1——T1的低8位。5.1.2定时/计数器的工作方式1．方式0当M1M0=00B时，定时/计数器工作于方式0，T0和T1的内部结构类似，以T0为例，其逻辑结构如图5-1所示（以T0为例），它是一个13位的计数器。5.1.2定时/计数器的工作方式1．方式0定时/计数器一般都是利用其计满产生溢出标志产生中断的特性来工作的，通过要定时的时间来计算定时器初始值:

定时时间=(最大计数值‒计数初值)×脉冲周期

计数初值=2N-定时时间/脉冲周期

=2N-t/T方式0中，N=13，t为定时时间，T为机器周期计算得出的13位的二进制数的初值，低5位存放在TL0（TL1）中，高8位存放在TH0（TH1）中。定时/计数器的工作方式2．方式1当M1M0=01B时，定时/计数器工作于方式1方式1的结构和方式0相同，唯一不同的是它的位数是16位，计算初值时得出的16位的二进制数的初值，低8位存放在TL0（TL1）中，高8位存放在TH0（TH1）中。5.1.2定时/计数器的工作方式3．方式2当M1M0=10B时，定时/计数器工作于方式2，其逻辑结构如图所示。方式2是一个8位定时/计数器，其工作原理和方式0类似。只是它内部结构有所改变，它具有初值自动重装功能。TL0为计数寄存器，TH0中存放重装值。当TL0计满产生溢出标志时，将TH0中的值传送到TL0中。其他功能与方式0、方式1一样。方式2的特点是可以自动反复地定时，溢出时自动重装初值。而其它方式都不具备重装功能，当定时器溢出时，如果想再次定时，就需要人为给它装入初值。4．方式3当M1M0=11B时，定时/计数器T0工作于方式3，其逻辑结构如图所示。单片机内部的两个定时器中只有T0可以工作于方式3。T0工作于方式3时将16位定时/计数器拆成两个8位定时/计数器。TL0作为一个8位的计数单元与T0的其他资源构成一个8位定时/计数器，其结构原理与其他工作方式类似。TH0作为另外一个8位的计数单元，用定时/计数器T1的TR1控制计数的启停，用TF1作为TH0计满溢出的标志，构成一个8位定时器。因其启动控制和溢出标志均使用了定时器的启动位（TR1）与溢出位（TF1），因此，T1在此方式下就不能作为定时/计数器来使用了，但T1仍可以工作在其他方式下。5.1.2定时/计数器的工作方式5.1.3定时/计数器的使用方法1．硬件定时/计数器在对外部信息或事件进行计数时，需要通过适当的电路将其转换成脉冲信号后加到定时/计数器的引脚上。外部被测脉冲信号的周期不能小于两个机器周期，即最高频率不能超过系统时钟频率的1/24。例如，对于晶振为12MHz的单片机系统，其机器周期是1µs，对应的频率是1MHz，此时检测外部脉冲的频率就不能超过500kHz。5.1.3定时/计数器的使用方法1．硬件定时/计数器在对外部信息或事件进行计数时，需要通过适当的电路将其转换成脉冲信号后加到定时/计数器的引脚上。外部被测脉冲信号的周期不能小于两个机器周期，即最高频率不能超过系统时钟频率的1/24。例如，对于晶振为12MHz的单片机系统，其机器周期是1µs，对应的频率是1MHz，此时检测外部脉冲的频率就不能超过500kHz。5.1.3定时/计数器的使用方法2．软件（1）初始化。初始化一般包括4部分。一是通过对TMOD进行设置来选择定时/计数器及其工作方式。二是根据设置的工作方式计算计数初值三是启动定时/计数器（TR0、TR1），在有些情况下，其启动/停止受其他程序控制。四是开通有关的中断允许控制位（ET0、ET1、EA）。（2）入口地址。单片机工作在中断方式时，在程序结构上，需要用伪指令定义中断的入口地址，其形式与外部中断一样。例如，T0的入口地址可用下面的汇编指令定义：ORG000BHLJMPINTET0; //转移到T0服务程序如果使用C语言编程，则无须设置入口地址，只需在中断服务程序中指定中断编号即可。5.1.3定时/计数器的使用方法【例5-2】

已知系统晶振是12MHz，在P1.0引脚上输出2ms的方波，编写程序实现。实现方法分析：从例5-1中得知，定时器需要反复产生1ms的定时，机器周期为1µs，计数1000个机器周期即1ms，选择T0，工作于方式1，定时1ms的初值计算见前面部分。方波的实现方法：在中断程序中重新给定时器赋初值，并把P1.0引脚的电平取反后输出。#include<reg51.h>sbitP1_0=P1^0;

//定义方波输出引脚位变量

voidsetup(void)//初始化设置子函数

{TMOD=0x01; //T0，方式1，定时

TH0=0xFC;

//计数初值高位TL0=0x18;

//计数初值低位TR0=1;

//启动运行ET0=1;

//开通定时器0中断允许控制位EA=1;

//开通总的允许位}voidmain(void){setup();//调用设置子程序while(1)

//等待中断{};}voidINTET0(void)interrupt1using1//中断子程序{TH0=0xFC; //重装计数初值TL0=0x18;P1_0=!P1_0;//输出取反}5.1.3定时/计数器的使用方法【例5-2】

已知系统晶振是12MHz，在P1.0引脚上输出2ms的方波，编写程序实现。实现方法分析：从例5-1中得知，定时器需要反复产生1ms的定时，机器周期为1µs，计数1000个机器周期即1ms，选择T0，工作于方式1。方波的实现方法：在中断程序中重新给定时器赋初值，并把P1.0引脚的电平取反后输出。//初始化设置子函数

voidsetup(void) {TMOD=0x01; //T0，方式1，定时

TH0=0xFC;

//计数初值高位TL0=0x18;

//计数初值低位TR0=1;

//启动运行ET0=1;

//开通定时器0中断允许控制位EA=1;

//开通总的允许位}初值计算：定时时间=(最大计数值‒计数初值)×脉冲周期工作方式1，最大计数值为216计数初值=2N-定时时间/脉冲周期

=2N-t/T

=216-1000/1us

=

65536-1000

=

64536=0xFC18因此，TH0=0xFC，TL0=0x18;5.1.3定时/计数器的使用方法#include<reg51.h>sbitP1_0=P1^0; //定义方波输出引脚位变量voidmain(void){setup();//调用设置子程序while(1)//等待中断{};}voidINTET0(void)interrupt1using1//中断子程序{TH0=0xFC; //重装计数初值TL0=0x18;P1_0=!P1_0;//输出取反}仿真视频5.1.3定时/计数器的使用方法【例5-3】在例3-4的基础上设计一个时钟，数码管高2位显示分，低2位显示秒，系统晶振频率为12MHz。时钟实现的方法：首先要产生秒信号，系统机器周期是1µs，能产生的最大定时时间是65536µs，约66ms。可以将定时器的定时时间设置为50ms，通过重复定时来累计定时器中断的次数，20次就是1s。计数初值计算如下： 初值=216-50ms/1µs=65536-50000=15536TH0=15536/256=60,TL0=15536%256=1765.1.3定时/计数器的使用方法主要程序：voidsetup(void) //初始化设置函数声明{TMOD=0x01;

//T0方式1定时

TH0=60; //50ms初值高位TL0=176; //50ms初值低位TR0=1; //启动运行ET0=1;

//开通允许位EA=1; //开通总的允许位

}voidmain(void){

setup(); //调用设置子程序while(1) //等待中断{display();

//显示函数（略）}}voidINTET0(void)interrupt1using1//中断服务子程序{

TH0=60;

//重装计数初值TL0=176;counter++;

//计数加1if(counter!=20)

//判断是否计到1sreturn;

//不到1s退出，继续计时else

//否则1s后，计数清零，秒变量加1{counter=0;second++;

if(second==60)

//判断是否计到60s

{ second=0; //秒清零 minute++; //代表分的值加1 if(minute==60) //判断是否计到60

minute=0; //代表分的值清零

} }}

5.2

定时/计数器

的基础应用案例5.2.1输出矩形波【例5-4】已知系统晶振是12MHz，在P1.0引脚上输出如图5-6所示的矩形波。方法一：用T0反复产生5ms的定时、T1反复产生2ms的定时，如图5-7所示。当T1定时时间到时，使P1.0引脚输出低电平，并停止定时；当T0定时时间到时，使P1.0引脚输出高电平，启动T1，一起开始下一个周期波的定时。

T0中断子程序voidINTET0(void)interrupt1using0{TH0=0xEC; //T0中断服务程序TL0=0x78; //重装5ms初值P1_0=1; //P1.0引脚输出高电平TR1=1; //启动T1}

T1中断子程序voidINTET1(void)interrupt3using1{TR1=0;

//T1停止运行TH1=0xF8;TL1=0x30; //重装2ms初值P1_0=0; //P1.0引脚输出低电平}5.2.1输出矩形波【例5-4】已知系统晶振是12MHz，在P1.0引脚上输出如图5-6所示的矩形波。方法二：用T1产生2ms的定时、T0产生3ms的定时，如图5-8所示。开始时，T1定时、T0不定时，当T1定时时间到时，使P1.0引脚输出低电平，自己停止定时，同时启动T0；当T0定时时间到时，使P1.0引脚输出高电平，自己停止定时，同时启动T1。这样反复进行，可实现要输出的波形。

T0中断子程序voidINTET0(void)interrupt1using1{TR0=0; //T0停止运行TH0=0xF4;TL0=0x48;//重装3ms初值P1_0=1; //P1.0引脚输出高电平TR1=1; //启动T1}

T1中断子程序

voidINTET1(void)interrupt3using2{ TR1=0; //T1停止运行 TH1=0xF8; TL1=0x30; //重装2ms初值 P1_0=0; //P1.0引脚输出低电平 TR0=1; //启动T0}5.2.1输出矩形波【例5-4】已知系统晶振是12MHz，在P1.0引脚上输出如图5-6所示的矩形波。方法三：前面两种方法都用到了两个定时器，本方法只用一个定时器。本方法用T0代替方法二中的T1，即用T0交替产生2ms和3ms的定时，如图所示，用一个位变量a来表示2ms和3ms的状态，如a=0表示2ms定时、a=1表示3ms定时。

T0中断子程序

voidINTET0(void)interrupt1using0{ P1_0=!P1_0; //对P1.0引脚的输出取反 a=!a; //定时状态取反 if(a==0) //如果a=0，则2ms初值重装 {

TH0=0xF8;

TL0=0x30; //重装2ms初值 } else {

TH0=0xF4; //a=1

TL0=0x48; //重装3ms初值 }}5.2.2频率测量【例5-5】如图5-10所示，用定时/计数器测量脉冲信号的频率，系统晶振频率为6MHz。

voidINTET1(void)interrupt3using1//T1中断子程序{ TR0=0;

//停止计数 TR1=0;

//停止定时 freq=TH0;/

//读取计数寄存器的高位值

freq=(freq<<8|TL0)*10;//将高位值和低位值组合后换算为频率 TH1=0x3C; TL1=0xB0;

//重装定时初值 TH0=0; TL0=0;

//计数初值为0 TR1=1;

//启动下一轮定时 TR0=1;

//启动下一轮计数}实现方法分析：频率是指周期信号1s内重复的次数。用单片机测量频率需要用两个定时/计数器，一个用于定时，一个用于计外部脉冲数。选择的闸门(定时)时间为0.1s，T1用于定时，T0用于计数。5.2.3脉冲宽度及周期测量在测量较低的频率时，通常是通过测量信号周期的方法来实现的，由周期计算出频率。图

5-11所示为测量周期示意图。

【例5-6】用定时/计数器测量脉冲信号的周期，系统晶振频率为6MHz。实现方法分析：将脉冲信号加到外部中断引脚上，脉冲的下降沿作为中断的触发信号。定时/计数器工作在计数模式下，在外部中断的服务程序中启动计数器，计内部的机器周期数。外部中断再次触发时停止计数，在两次中断触发的期间内计得的机器周期数就是被测信号的周期。voidINTEX0(void)interrupt0using1//外部中断0子程序{ TR0=1; //启动定时器，开始计数 n++; //中断次数加1 if(n==2)

//判断是否2次中断 {

TR0=0;

//停止计数机器周期

Tp=TH0;

//读取计数寄存器的高位值

Tp=(Tp<<8|TL0)*2;//将高位值和低位值组合后换算为周期（机器周期为2µs）

TH0=0;

//计数值清零

TL0=0;

//为下一轮测量做准备

n=0;

//中断次数清零 }}5.2.3脉冲宽度及周期测量【例5-7】用定时/计数器测量脉冲的宽度，系统晶振频率为6MHz。

将定时器T0的TMOD的GATE位设置为1，即定时器的启动控制除了受到TR0的控制，还受到INT引脚的控制。此时的定时器只有在引脚是高电平期间内才计数，在低电平期间内不计数，故测出的是高电平的宽度。5.2.3脉冲宽度及周期测量【例5-7】用定时/计数器测量脉冲的宽度，系统晶振频率为6MHz。

实现方法：在例5-6的程序上进行修改，即将TMOD设置改为：TMOD=0x09;并修改周期的计算方法，因测得的是半个周期，故整个周期的数值要乘2（仅针对方波信号）。voidINTEX0(void)interrupt0using1

//外部中断0子程序{ TR0=1; //启动定时器，开始计数 n++; //中断次数加1 if(n==2)

//判断是否2次中断 {

TR0=0;

//停止计数机器周期

Tp=TH0;

//读取计数寄存器的高位值

Tp=(Tp<<8|TL0)*2*2;//计算周期

TH0=0;

//计数值清零

TL0=0;

//为下一轮测量做准备

n=0; //中断次数清零 }}5.2.4超声波测距应用

把40kHz的脉冲输入超声波发射器中，超声波元件将脉冲信号转换为超声波信号，以声速（340m/s）向前传播。超声波在遇到障碍物时会被反弹回来，最终被超声波传感器接收。通过记录从发射到接收所经历的时间，就可以计算出超声波到障碍物的距离：距离=340×(t/2)（t是超声波从发射到接收所经历的时间，单程时间要除以2）。图5-12超声波测距原理超声波模块5.2.4超声波测距应用

HC-SR04超声波模块的时序图如图所示。给超声波模块的触发引脚（Trig）一个启动触发信号，模块收到启动信号之后便产生8个连续的40kHz的脉冲信号，通过超声波发射器（T）发射出超声波信号；超声波遇到障碍物后反弹回来被超声波接收器（R）接收，在模块的Echo引脚上产生与距离成正比的高电平回响信号，通过测量此高电平的宽度就可以测得超声波到障碍物的距离。5.2.4超声波测距应用

【例5-8】利用单片机和超声波测距模块进行距离的测量，编写程序实现。实现方法分析：通过超声波测距的原理可知，超声波测距通过一个10µs的脉冲来启动，接收的回响信号由Echo引脚产生高电平指示。测量该高电平信号的宽度就可以获得距离。参考例5-7可以测量高电平的宽度。主要程序：T0中断服务子程序，用来计定时器计满溢出次数voidINTET0(void)interrupt1using1{ Time_Count++; //定时器计满溢出次数加1 TL0=0x00; //设置定时初值低8位 TH0=0x00; //设置定时初值高8位}INT0中断服务子程序，用来停止定时器计数voidINTEX0(void)interrupt0using2{ TR0=0;

//停止计数 END=1;

//置完成标识}//程序功能：测距计算voidmeasure(void){ StartModule(); TR0=1;//开启定时器，等待高电平到来 while(!END);

//等待回响信号结束 END=0; time=TH0; time=time<<8|TL0;

time=time+(Time_Count*65535);

//计算总时长 TH0=0;

//定时/计数器清零 TL0=0; Time_Count=0; //溢出次数清零

S=time/58;//按照给定的公式计算距离，得到以cm为单位的距离}

5.3定时/计数器

的高级应用5.3.1多个时间的延时要实现多个延时也可以借鉴时钟产生的方法，其基本的思想如下。（1）根据给定的定时设置多个时间的最小定时单位。（如50ms）（2）给每个定时时间设置一个启动标识（start_flag）和一个结束标识（end_flag）。（3）通过查看定时的结束标识是否为1（end_flag==1）来判断定时时间到达与否。5.3.2无阻塞延时要实现无阻塞延时，可以参考5.3.1节中介绍的多个时间的定时方法，采用定时器方式来延时，同时配以相关的标识来指示延时结束。如例3-5中的按键扫描程序，给按键扫描设定一个周期，如每5ms扫描一次，用定时器实现定时。设定按键相关标识如下：

key_count=0;

//按键按下计数变量

key_release=0;

//按键释放标识实现延时消抖功能，通过定时器定时5ms中断次数的计数来实现。按键的释放判断通过定义按键释放标识变量key_release来标示是否有按键被按下，以及按键是否被释放。当有按键被按下时，key_release=1，当检测到没有按键被按下时，把按键按下计数变量和按键释放标识清零，表示一次按键动作结束。5.3.3多任务的管理、调度时间片轮询调度算法的程序框架（1）任务结构体。任务结构体包含了一个任务需要的所有信息，包括运行状态标志、计时器、任务运行间隔时间，以及这个任务对应的函数指针。typedefstructTask{unsignedcharRun;//程序运行标志：0表示不运行，1表示运行

unsignedintTimer;//计时器

uinsignedintItvTime;//任务运行间隔时间

void(*TaskHook)(void);//要运行的任务函数}Task_TypeDef;（2）任务数组。任务数组其实就是任务的结构体数组，包含各个任务的参数。当需要添加一个任务到时间片轮询队列中时，只需在任务数组中添加函数指针，并设置好相关参数即可。staticTask_TypeDefTaskComps[]={{0,0,20,Task_DisplayClock}, //显示时钟{0,0,50,Task_KeyScan}, //按键扫描{0,0,100,Task_DispStatus}, //显示工作状态 ...... //在这里添加新的任务};5.3.3多任务的管理、调度时间片轮询调度算法的程序框架（1）任务结构体。任务结构体包含了一个任务需要的所有信息，包括运行状态标志、计时器、任务运行间隔时间，以及这个任务对应的函数指针。typedefstructTask{unsignedcharRun;//程序运行标志：0表示不运行，1表示运行unsignedintTimer;//计时器uinsignedintItvTime;//任务运行间隔时间void(*TaskHook)(void);//要运行的任务函数}Task_TypeDef;（2）任务数组。任务数组其实就是任务的结构体数组，包含各个任务的参数。当需要添加一个任务到时间片轮询队列中时，只需在任务数组中添加函数指针，并设置好相关参数即可。staticTask_TypeDefTaskComps[]={{0,0,20,Task_DisplayClock}, //显示时钟{0,0,50,Task_KeyScan}, //按键扫描{0,0,100,Task_DispStatus}, //显示工作状态 ......

//在这里添加新的任务};5.3.3多任务的管理、调度（3）任务列表。任务列表的作用主要是给任务数组的元素标注名称，用到了C语言的枚举变量enum。枚举变量的元素编号是从0开始的，依次递增。typedefenumTASK_LIST{TAST_DISP_CLOCK,//0，显示时钟TAST_KEY_SAN,//1，按键扫描TASK_DISP_WKST,//2，工作状态显示...... //在这里添加新的任务TASKS_MAX //任务最大值，表明可供分配的定时任务的数目}TASK_LIST_TypeDef;5.3.3多任务的管理、调度（4）标志位处理函数。标志位处理函数是用来更新每个任务的计时器及其运行标志位的，在单片机的定时器中断服务函数中调用它。voidTaskRemarks(void){uint8i;for(i=0;i<TASKS_MAX;i++) //对每个任务的计时时间进行处理{if(TaskComps[i].Timer) //时间不为0{TaskComps[i].Timer--; //采用递减计数方式，减去一个节拍if(TaskComps[i].Timer==0) //计时结束{TaskComps[i].Timer=TaskComps[i].ItvTime;//恢复计时初值TaskComps[i].Run=1; //任务可以运行}}}}5.3.3多任务的管理、调度（5）各个任务函数（略）整个程序的执行流程：定时中断服务函数不断检查并刷新每个任务的状态，实时更新任务数组的数据（时间和标志）。任务处理函数根据这些状态来判断要执行哪些函数，如果条件满足，就调用相应的任务函数执行。时间片轮询调度算法的程序的框架流程图如图所示。5.4

项目训练：

数字电子钟设计5.4.1项目要求本项目的具体任务是用单片机设计一个简单的数字电子钟，能显示时、分、秒，并能进行调整。具体要求如下。（1）开机时，显示12:00:00，开始计时。（2）按键1控制“秒”的调整，每按一次加1s。（3）按键2控制“分”的调整