单片机14定时器计数器的结构及原理.doc

80C51单片机内部设有两个16位的可编程定时器/计数器。可编程的意思是指其功能（如工作方式、定时时间、量程、启动方式等）均可由指令来确定和改变。在定时器/计数器中除了有两个16位的计数器之外，还有两个特殊功能寄存器（控制寄存器和方式寄存器）。定时器/计数器的结构： 从上面定时器/计数器的结构图中我们可以看出，16位的定时/计数器分别由两个8位专用寄存器组成，即：T0由TH0和TL0构成；T1由TH1和TL1构成。其访问地址依次为8AH-8DH。每个寄存器均可单独访问。这些寄存器是用于存放定时或计数初值的。此外，其内部还有一个8位的定时器方式寄存器TMOD和一个8位的定时控制寄存器TCON。这些寄存器之间是通过内部总线和控制逻辑电路连接起来的。TMOD主要是用于选定定时器的工作方式；TCON主要是用于控制定时器的启动停止，此外TCON还可以保存T0、T1的溢出和中断标志。当定时器工作在计数方式时，外部事件通过引脚T0（P3.4）和T1（P3.5）输入。定时计数器的原理：16位的定时器/计数器实质上就是一个加1计数器，其控制电路受软件控制、切换。当定时器/计数器为定时工作方式时，计数器的加1信号由振荡器的12分频信号产生，即每过一个机器周期，计数器加1，直至计满溢出为止。显然，定时器的定时时间与系统的振荡频率有关。因一个机器周期等于12个振荡周期，所以计数频率fcount=1/12osc。如果晶振为12MHz，则计数周期为：T=1/（12106）Hz1/12=1s这是最短的定时周期。若要延长定时时间，则需要改变定时器的初值，并要适当选择定时器的长度（如8位、13位、16位等）。当定时器/计数器为计数工作方式时，通过引脚T0和T1对外部信号计数，外部脉冲的下降沿将触发计数。计数器在每个机器周期的S5P2期间采样引脚输入电平。若一个机器周期采样值为1，下一个机器周期采样值为0，则计数器加1。此后的机器周期S3P1期间，新的计数值装入计数器。所以检测一个由1至0的跳变需要两个机器周期，故外部事年的最高计数频率为振荡频率的1/24。例如，如果选用12MHz晶振，则最高计数频率为0.5MHz。虽然对外部输入信号的占空比无特殊要求，但为了确保某给定电平在变化前至少被采样一次，外部计数脉冲的高电平与低电平保持时间均需在一个机器周期以上。当CPU用软件给定时器设置了某种工作方式之后，定时器就会按设定的工作方式独立运行，不再占用CPU的操作时间，除非定时器计满溢出，才可能中断CPU当前操作。CPU也可以重新设置定时器工作方式，以改变定时器的操作。由此可见，定时器是单片机中效率高而且工作灵活的部件。综上所述，我们已知定时器/计数器是一种可编程部件，所以在定时器/计数器开始工作之前，CPU必须将一些命令（称为控制字）写入定时/计数器。将控制字写入定时/计数器的过程叫定时器/计数器初始化。在初始化过程中，要将工作方式控制字写入方式寄存器，工作状态字（或相关位）写入控制寄存器，赋定时/计数初值。下面我们就提出的控制字的格式及各位的主要功能与大家详细的讲解。控制寄存器 定时器计数器T0和T1有2个控制寄存器-TMOD和TCON，它们分别用来设置各个定时器计数器的工作方式，选择定时或计数功能，控制启动运行，以及作为运行状态的标志等。其中，TCON寄存器中另有4位用于中断系统。定时器/计数器方式寄存器TMOD：定时器方式控制寄存器TMOD在特殊功能寄存器中，字节地址为89H，无位地址。TMOD的格式如下图所示。 由图可见，TMOD的高4位用于T1，低4使用于T0，4种符号的含义如下：GATE：门控制位。GATE和软件控制位TR、外部引脚信号INT的状态,共同控制定时器计数器的打开或关闭。CT：定时器计数器选择位。C/T1，为计数器方式；CT0，为定时器方式。M1M0：工作方式选择位，定时器计数器的4种工作方式由M1M0设定。 定时器/计数器方式控制寄存器TMOD不能进行位寻址，只能用字节传送指令设置定时器工作方式，低半字节定义为定时器0，高半字节定义为定时器1。复位时，TMOD所有位均为0。 例：设定定时器1为定时工作方式，要求软件启动定时器1按方式2工作。定时器0为计数方式，要求由软件启动定时器0，按方式1工作。我们怎么来实现这个要求呢？大家先看上面TMOD寄存器各位的分布图第一个问题：控制定时器1工作在定时方式或计数方式是哪个位？通过前面的学习，我们已知道，C/T位（D6）是定时或计数功能选择位，当C/T=0时定时/计数器就为定时工作方式。所以要使定时/计数器1工作在定时器方式就必需使D6为0。第二个问题：设定定时器1按方式2工作。上表中可以看出，要使定时/计数器1工作在方式2，M0（D4） M1（D5）的值必须是1 0。第三个问题：设定定时器0为计数方式。与第一个问题一样，定时/计数器0的工作方式选择位也是C/T（D2），当C/T=1时，就工作在计数器方式。第四个问题：由软件启动定时器0，前面已讲过，当门控位GATE=0时，定时/计数器的启停就由软件控制。第五个问题：设定定时/计数器工作在方式1，使定时/计数器0工作在方式1，M0（D0） M1（D1）的值必须是0 1。从上面的分析我们可以知道，只要将TMOD的各位，按规定的要求设置好后，定时器/计灵敏器就会按我们预定的要求工作。我们分析的这个例子最后各位的情况如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D00 00 0 1 0 1二进制数00100101=十六进制数25H。所以执行MOV TMOD,#25H这条指令就可以实现上述要求。 定时器/计数器控制寄存器TCON：TCON在特殊功能寄存器中，字节地址为88H，位地址(由低位到高位)为88H一8FH，由于有位地址，十分便于进行位操作。TCON的作用是控制定时器的启、停，标志定时器溢出和中断情况。TCON的格式如下图所示。其中，TFl，TRl，TF0和TR0位用于定时器计数器；IEl，ITl，IE0和IT0位用于中断系统。 各位定义如下：TF1：定时器1溢出标志位。当字时器1计满溢出时，由硬件使TF1置“1”，并且申请中断。进入中断服务程序后，由硬件自动清“0”，在查询方式下用软件清“0”。TR1：定时器1运行控制位。由软件清“0”关闭定时器1。当GATE=1，且INT1为高电平时，TR1置“1”启动定时器1；当GATE=0，TR1置“1”启动定时器1。TF0：定时器0溢出标志。其功能及操作情况同TF1。TR0：定时器0运行控制位。其功能及操作情况同TR1。IE1：外部中断1请求标志。IT1：外部中断1触发方式选择位。IE0：外部中断0请求标志。IT0：外部中断0触发方式选择位。 TCON中低4位与中断有关，我们将在下节课讲中断时再给予讲解。由于TCON是可以位寻址的，因而如果只清溢出或启动定时器工作，可以用位操作命令。例如：执行“CLR TF0”后则清定时器0的溢出；执行“SETB TR1”后可启动定时器1开始工作（当然前面还要设置方式定）。 定时器/计数器的初始化： 由于定时器/计数器的功能是由软件编程确定的，所以一般在使用定时/计数器前都要对其进行初始化，使其按设定的功能工作。初始货的步骤一般如下： 1、确定工作方式（即对TMOD赋值）；2、预置定时或计数的初值（可直接将初值写入TH0、TL0或TH1、TL1）；3、根据需要开放定时器/计数器的中断（直接对IE位赋值）；4、启动定时器/计数器（若已规定用软件启动，则可把TR0或TR1置“1”；若已规定由外中断引脚电平启动，则需给外引脚步加启动电平。当实现了启动要求后，定时器即按规定的工作方式和初值开始计数或定时）。 下面介绍一下确定时时/计数器初值的具体方法。因为在不同工作方式下计数器位数不同，因而最大计数值也不同。 现假设最大计数值为M，那么各方式下的最大值M值如下：方式0：M=213=8 192方式1：M=216=65 536方式2：M=28=256方式3：定时器0分成两个8位计数器，所以两个M均为256。 因为定时器/计数器是作“加1”计数，并在计数满溢出时产生中断，因此初值X可以这样计算：X=M-计数值 下面举例说明初值的确定方法。例1、选择T1方式0用于定时，在P1.1输出周期为1ms方波，晶振fosc=6MHz。解：根据题意，只要使P1.1每隔500us取反一次即可得到1ms的方波，因而T1的定时时间为500us，因定时时间不长,取方式0即可。则M1 M0=0；因是定时器方式,所以C/T=0；在此用软件启动T1，所以GATE=0。T0不用，方式字可任意设置，只要不使其进入方式3即可，一般取0，故TMOD=00H。系统复位后TMOD为0，可不对TMOD重新清0。下面计算500us定时T1初始值：机器周期T=12/fosc=12/（6106）Hz=2s 设初值为X，则：（1013-X）210-6s=50010-6s X=7942D=1111100000110B=1F06H 因为在作13位计数器用时，TL1的高3位未用，应填写0，TH1占用高8位，所以X的实际填写应为 X=111100000000110B=F806H结果：TH1=F8H，TL1=06H 源程序如下： ORG 2000H MOV TL1,#06H ;给TL1置初值MOV TH1,#0F8H ;给TH1置初值SETB TR1 ;启动T1LP1:JBC TF1,LP2 ;查询计数溢出否？AJMP LP1LP2:MOV TL1,#06H ;重新设置计数初值MOV TH1,#0F8HCPL P1.1 ;输出取反AJMP LP1 ;重复循环定时器/计数器的四种工作方式： 定T0或T1无论用作定时器或计数器都有4种工作方式：方式0、方式1、方式2和方式3。除方式3外，T0和T1有完全相同的工作状态。下面以T1为例，分述各种工作方式的特点和用法。 工作方式0： 13位方式由TL1的低5位和TH1的8位构成13位计数器（TL1的高3位无效）。工作方式0的结构见下图： 为定时计数选择：CT0，T1为定时器，定时信号为振荡周期12分频后的脉冲；CTl，T1为计数器，计数信号来自引脚T1的外部信号。定时器T1能否启动工作，还受到了R1、GATE和引脚信号INT1的控制。由图中的逻辑电路可知，当GATE0时，只要TR11就可打开控制门，使定时器工作；当GATE1时，只有TR11且INT11，才可打开控制门。GATE，TR1，CT的状态选择由定时器的控制寄存器TMOD，TCON中相应位状态确定，INT1则是外部引脚上的信号。在一般的应用中，通常使GATE0，从而由TRl的状态控制Tl的开闭：TRl1，打开T1；TRl0，关闭T1。在特殊的应用场合，例如利用定时器测量接于INT1引脚上的外部脉冲高电平的宽度时，可使GATE1，TRl1。当外部脉冲出现上升沿，亦即INT1由0变1电平时，启动T1定时，测量开始；一旦外部脉冲出现下降沿，亦即INT1由l变O时就关闭了T1。定时器启动后，定时或计数脉冲加到TLl的低5位，从预先设置的初值(时间常数)开始不断增1。TL1计满后，向THl进位。当TL1和THl都计满之后，置位T1的定时器回零标志TFl，以此表明定时时间或计数次数已到，以供查询或在打开中断的条件下，可向CPU请求中断。如需进一步定时/计数，需用指令重置时间常数。 方式0是13位计数结构的工作方式，其计数器由TH0全部8位和TL0的低5位构成。当TL0的低5 位计数溢出时，向TH0进位，而全部13位计数溢出时，则向计数溢出标志位TF0进位。 在方式0下，当为计数工作方式时，计数值的范围是： 18192（213）当为定时工作方式时，定时时间的计算公式为：（213-计数初值）晶振周期12 或 （213-计数初值）机器周期其时间单位与晶振周期或机器周期相同（ms）。 例题1：当某单片机系统的外接晶振频率为6MHz，该系统的最小定时时间为：213-（213-1）1/（6106）12210-62（ms）最大定时时间为：（213-0）1/（6106）121638410-616384（ms）或：最小定时单位101316384（ms） 例题2： 设某单片机系统的外接晶振频率为6MHz，使用定时器1以方式0产生周期为500ms的等宽正方波连续脉冲，并由P1.0输出。以查询方式完成。 计算计数初值 欲产生500ms的等宽正方波脉冲，只需在P1.0端以250ms为周期交替输出高低电平即可实现，为此定时间应为250ms。使用6MHz晶振，根据上例的计算，可知一个机器周期为2ms。方式0为13位计数结构。设待求的计数初值为X，则： （213-X）210-625010-6 求解得： X213-（2502）8067。 二进制数表示为1111110000011。十六进制表示，高8位为FCH，放入TH1，即TH1FCH；低5位为03H。放入TL1，即TL103H。 TMOD寄存器初始化 为把定时器/计数器1设定为方式0，则M1M000；为实现定时功能，应使C/T0；为实现定时器/计数器1的运行控制，则GATE0。定时器/计数器0不用，有关位设定为0。因此TMOD寄存器应初始化为00H。 由定时器控制寄存器TCON中的TR1位控制定时的启动和停止 TR11启动，TR10停止。 程序设计：MOV TMOD，00H ；设置T1为工作方式0MOV TH1，OFCH ；设置计数初值MOV TL1，03HMOV IE，00H ；禁止中断LOOP： SETB TR1 ；启动定时JBC TF1，LOOP1 ；查询计数溢出AJMP LOOPLOOP1：MOV TH1，FCH ；重新设置计数初值MOV TL1，03HCLR TF1 ；计数溢出标志位清0CPL P1.0 ；输出取反AJMP LOOP ；重复循环 工作方式1： 方式1是16位计数结构的工作方式，计数器由TH0全部8位和TL0全部8位构成。与工作方式0基本相同，区别仅在于工作方式1的计数器TL1和TH1组成16位计数器，从而比工作方式0有更宽的定时/计数范围。 当为计数工作方式时，计数值的范围是：165536（216） 当为定时工作方式时，定时时间计算公式为：（216-计数初值）晶振周期12或 （216-计数初值）机器周期 例题1：当某单片机系统的外部晶振频率为6MHz，则最小定时时间为：216-（216-1）1/610-612210-62（ms） 最大定时时间为：（216-0）1/610-61213107210-6（s）131072（ms）131（ms） 例题2： 某单片机系统外接晶振频率为6MHz，使用定时器1以工作方式1产生周期为500ms的等宽连续 正方波脉冲，并在P1.0端输出。，但以中断方式完成。 计算计数初值TH1FFH TL1=83H TMOD寄存器初始化TMOD10H 程序设计主程序：MOV TMOD，10H ；定时器1工作方式MOV TH1，0FFH ；设置计数初值MOV TL1，0A1HSETB EA ；开中断SETB ET1 ；定时器1允许中断LOOP： SETB TR1 ；定时开始HERE： SJMP ；等待中断 中断服务程序： MOV TH1，0FFH ；重新设置计数初值MOV TL1，0A1HCPL P1.0 ；输出取反RETI ；中断返回 工作方式28位自动装入时间常数方式。由TLl构成8位计数器，THl仅用来存放时间常数。启动T1前，TLl和THl装入相同的时间常数，当TL1计满后，除定时器回零标志TFl置位，具有向CPU请求中断的条件外，THl中的时间常数还会自动地装入TLl，并重新开始定时或计数。所以，工作方式2是一种自动装入时间常数的8位计数器方式。由于这种方式不需要指令重装时间常数，因而操作方便，在允许的条件下，应尽量使用这种工作方式。当然，这种方式的定时计数范围要小于方式0和方式1。工作方式2的结构见下图当计数溢出后，不是像前两种工作方式那样通过软件方法，而是由预置寄存器TH以硬件方法自动给计数器TL重新加载。变软件加载为硬件加载。初始化时，8位计数初值同时装入TL0和TH0中。当TL0计数溢出时，置位TF0，同时把保存在预置寄存器TH0中的计数初值自动加载TL0，然后TL0重新计数。如此重复不止。这不但省去了用户程序中的重装指令，而且也有利于提高定时精度。但这种工作方式下是8位计数结构，计数值有限，最大只能到255。这种自动重新加载工作方式非常适用于循环定时或循环计数应用，例如用于产生固定脉宽的脉冲，此外还可以作串行数据通信的波特率发送器使用。例题1： 使用定时器0以工作方式2产生100ms定时，在P1.0输出周期为200ms的连续正方波脉冲。已知晶振频率fosc6MHz。 计算计数初值6MHz晶振下，一个机器周期为2ms，以TH0作重装载的预置寄存器，TL0作8位计数器，假设计数初值为X，则： （28-X）210-610010-6求解得：X206D11001110B0CEH把0CEH分别装入TH0和TL0中：TH00CEH，TL00CEH TMOD寄存器初始化定时器/计数器0为工式方式2，M1M010；为实现定时功能 C/T0；为实现定时器/计数器0的运行GATE0；定时器/计数器1不用，有关位设定为0。综上情况TMOD寄存器的状态应为02H。 程序设计（查询方式）MOV IE，00H ；禁止中断MOV TMOD，02H ；设置定时器0为方式2MOV TH0，0CEH ；保存计数初值MOV TL0，0CEH ；设置计数初值SETB TR0 ；启动定时LOOP： JBC TF0，LOOP1 ；查询计数溢出AJMP LOOPLOOP1： CPL P1.0 ；输出方波AJMP LOOP ；重复循环由于方式2具有自动重装载功能，因此计数初值只需设置一次，以后不再需要软件重置。 程序设计（中断方式）主程序：MOV TMOD，02H ；定时器0工作方式2MOV TH0，0CEH ；保存计数初值MOV TL0，0CEH ；设置计数初值SETB EA ；开中断SETB ET0 ；定时器0允许中断LOOP： SETB TR0 ；开始定时HERE： SJMP ；等待中断CLP TF0 ；计数溢出标志位清0AJMP LOOP中断服务中断：CPL P1.0 ；输出方波RETI ；中断返回 例题2： 用定时器1以工作方式2实现计数，每计100次进行累加器加1操作。 计算计数初值28-100156D09CH 则 TH109CH，TL109CH TMOD寄存器初始化M1M010，C/T1，GATE0 因此TMOD60H 程序设计MOV IE, 00H ；禁止中断MOV TMOD, 60H ；设置计数器1为方式2MOV TH1, 9CH ；保存计数初值MOV TL1, 9CH ；设置计数初值SETB TR1 ；启动计数DEL： JBC TF1, LOOP ；查询计数溢出AJMP DELLOOP： INC A ；累加器加1AJMP DEL ；循环返回 工作方式3 2个8位方式。工作方式3只适用于定时器0。如果使定时器1为工作方式3，则定时器1将处于关闭状态。当T0为工作方式3时，THo和TL0分成2个独立的8位计数器。其中，TL0既可用作定时器，又可用作计数器，并使用原T0的