单片机原理及应用：第7章 定时器计数器及应用

第7章定时器/计数器及应用内容

定时/计数技术概述7.180C51单片机的定时器/计数器7.2定时器/计数器的应用7.37.1定时/计数技术概述定时和计数都是利用计数器对脉冲进行计数。定时是对周期固定的内部机器周期脉冲进行计数，定时时间为脉冲周期与脉冲个数的乘积。计数是对外界产生的脉冲进行计数。计数器的计数方式可以是加1计数，也可以是减1计数。在单片机控制系统中定时/计数的实现方法有3种：软件定时/计数器、数字电路定时/计数器和可编程定时/计数器。7.1.1软件定时/计数器软件定时是靠执行一段循环程序以实现时间延迟。如本书前面常用的voidDelayMS(uintxms)延时子函数：voidDelayMS(uintxms){ uinti,j; for(i=0;i<xms;i++)for(j=0;j<110;j++);}7.1.2数字电路定时/计数需要计数较多或定时时间较长，常使用硬件电路完成。硬件定时/计数的特点是定时/计数功能全部由硬件电路完成，不占用CPU的时间，但需要通过改变电路中的元件参数来调节定时时间和计数长度，使用上不够灵活。7.1.3可编程定时/计数为了使用方便并增加单片机的功能，很多单片机内部都集成了可编程的定时/计数器。80C51单片机内部就有可编程的定时/计数器，其中51子系列内部有2个，52子系列内部有3个。本章只介绍51子系列内部的定时器/计数器。7.280C51单片机的定时器/计数器51子系列单片机内部有两个独立的16位可编程定时/计数器，分别称为定时器0(简称T0)和定时器1(简称T1)，它们可以编程选择工作于定时模式或外部事件计数模式，此外它们的工作方式、定时时间、计数值、启动、是否允许中断等都可以由程序设定。7.2.1定时器/计数器的结构定时器/计数器的内部结构框图如图7-1所示。图7-1定时器/计数器0、1的内部结构框图7.2.2定时器/计数器的工作原理定时器/计数器T0、T1的工作原理图如图7-2所示。图7-2定时器/计数器的工作原理图(a)定时器/计数器0(T0)工作原理图7.2.2定时器/计数器的工作原理定时器/计数器T0、T1的工作原理图如图7-2所示。图7-2定时器/计数器的工作原理图(b)定时器/计数器1(T1)工作原理图1.工作方式寄存器TMOD

TMOD用来选择定时器/计数器的工作模式和工作方式，字节地址为89H，不能进行位寻址，低4位用于定时器/计数器T0，高4位用于定时器/计数器T1，其格式如下所示：

8位分为2组，高4位控制T1，低4位控制T0。各位的含义说明如下：(1)M1、M0：工作方式选择位定时器/计数器有四种工作方式，由M1、M0进行设置，如表7-1所示。表7-1定时器/计数器0、1的工作方式选择M1M0工作方式00方式0，为13位定时器/计数器01方式1，为16位定时器/计数器10方式2，具有自动重装初值的8位定时器/计数器11方式3，仅适用于T0，T0分成两个独立的8位计数器，T1停止计数(2)：定时器/计数器工作模式选择位。＝0，为定时器工作模式；＝1，为计数器工作模式。(3)GATE：门控位。GATE=0，定时器/计数器0、1的启动计数由TCON中的TR0、TR1控制，当TR0或TR1为1时，就可以启动定时器/计数器0或1工作。GATE=1，定时器/计数器0、1的启动计数由TCON中的TR0、TR1和外部中断引脚、一起控制。当TR0或TR1为1，同时或也为高电平时，才能启动定时器/计数器0或1工作。例7-1若定时器T1工作于方式2计数模式，定时器T0工作于方式1定时模式，GATE=0，要求设置TMOD。解：根据TMOD各位的定义，得TMOD=01100001B=61H。2．控制寄存器TCONTCON的字节地址为88H，可位寻址，位地址为88H～8FH，TCON的格式如下：

低4位与外部中断有关，已在第6章中介绍，高4位的功能如下：(1)TF1：定时器/计数器T1溢出中断请求标志位。定时器/计数器T1计数溢出后，硬件自动将TF1置1。使用查询方式时，查询到TF1=1后，应该及时用软件方法将TF1清0。使用中断方式时，CPU响应中断后，进入中断服务程序后由硬件自动将TF1清0。(2)TR1：定时器/计数器T1的运行控制位。TR1=1，启动定时器/计数器工作；TR1=0，停止定时器/计数器工作。(3)TF0：定时器/计数器T0的溢出中断请求标志位，其功能与TF1类似。(4)TR0：定时器/计数器T0的运行控制位，其功能与TR1类似。3.定时器/计数器的工作模式选择定时器/计数器的工作模式选择由决定，如图7-3所示

位控制的电子开关S1决定了定时器/计数器的工作模式，电子开关打在上面＝0，电子开关打在下面＝1。＝0时为定时器工作模式，以系统晶振频率12分频后的信号，即Tcy信号作为计数器基准信号。＝1时为计数器工作模式，计数脉冲为P3.4引脚上的外部输入脉冲，当引脚上发生负跳变时，计数器加1。4.定时器/计数器的运行控制定时器/计数器的运行控制如图7-4所示，电子开关S2闭合时定时器/计数器启动计数，S2断开时定时器/计数器停止计数。电子开关S2由门控位GATE、运行控制位及外部中断输入引脚共同控制。

当门控位GATE=0时，或门A输出为1，定时器/计数器T0启动运行受TR0一个条件控制。当门控位GATE=1时，定时器/计数器T0启动运行受TR0和外部中断0引脚的状态两个条件控制。此时，定时器T0的运行情况如表7-2所示。表7-2GATE=1时，与门B输出与定时器T0的运行情况TR0与门B输出定时器工作情况111启动运行010停止运行100停止运行000停止运行7.2.3定时器/计数器的工作方式定时器/计数器的工作方式有4种，由TMOD中的M1M0控制。1.方式0当TMOD的M1M0=00时，定时器/计数器工作于方式0，为13位的定时器/计数器方式。由TL0的低5位和TH0的高8位构成13位的计数器，如图7-5所示。TL0低5位计数溢出则向TH0进位，TH0计数溢出则置位TCON中的溢出标志位TF0。单片机内部的定时器/计数器为加法计数器，假设N是计数值，x为计数初值，n为定时器/计数器的位数，它们之间的关系如下：N=2n-x如果定时器/计数器工作于定时器工作模式，晶振频率为fosc，要求的定时时间为T，则机器周期Tcy为12/fosc，定时时间、计数初值和机器周期的关系如下：T＝(2n-x)×Tcy方式0中初值x的设置范围：0~8191(0~213-1)，TH0、TL0从初值开始加法计数，直至溢出，所以设置的初值不同，定时时间或计数值也不同。因此方式0工作时计数值和定时值分别为：N=213-x=8192-xT＝(2n-x)Tcy=(8192-x)Tcy由于为加1计数器，当x取为8191时，计数值最小，为1；当x取为0时，计数值最大，为8192。因此方式0的计数范围为：1~8192，定时范围：(1~8192)Tcy。注意：方式0加法计数器TH0溢出后，必须用程序重新对TH0、TL0设置初值，否则下一次TH0、TL0将从0开始加法计数。例7-2已知晶振频率fosc=12MHz，要求定时器0产生1ms的定时时间，问送入TH0和TL0的计数初值各为多少？试对定时器进行初始化编程。解：由于晶振频率为12MHz，所以机器周期Tcy=1μs，定时器0选用方式0时最大定时时间为8192μs，即8.192ms，而题目要求的定时时间为1ms，小于8.192ms，所以可以选用方式0。(1)计算TH0、TL0的计数初值T=(2n-x)×Tcy＝(213-x)×1μs=1ms=1000μs，所以x=8192-1000=7192=1C18H=0001110000011000B，取其低13位，放入TH0和TL0，则TH0=E0H，TL0=18H。(2)TMOD寄存器初始化根据题目要求，GATE(TMOD.3)=0，(TMOD.2)=0，M1(TMOD.1)=0，M0(TMOD.0)=0，定时器/计数器1没有使用，相应的各个位随意状态，均取为0，则(TMOD)=00H。(3)初始化程序voidinit_time0(void){ TMOD=0x00;//设置T0为定时器模式，工作在方式0 TH0=0xE0; TL0=0x18; TR0=1;// 启动T0}方式0是13位定时器/计数器，目的是为了兼容早期的MCS-48单片机，计数初值有高8位和低5位构成，确定初值比较麻烦，所以在实际应用中已应用不多。2.方式1当TMOD的M1M0=01时，定时器/计数器工作于方式1，工作于16位的定时器/计数器方式。由8位TL0和8位TH0构成16位计数器，如图7-6所示。TL0计数溢出则向TH0进位，TH0计数溢出则置位TCON中的溢出标志位TF0。方式1和方式0的差别仅在于计数器的位数不同，方式1是16位定时器/计数器，由TH0高8位和TL0低8位构成，方式0是13位定时器/计数器。方式1中初值x的设置范围：0~65535(0~216-1)，TH0、TL0从初值开始加法计数，直至溢出。选择方式1工作时计数值和定时值分别为：N=216-x=65536-xT＝(216-x)Tcy=(65536-x)Tcy当x取为65535时，计数值最小，为1；当x取为0时，计数值最大，为65536。因此方式1的计数范围为：1~65536，定时范围：(1~65536)Tcy。注意：方式1加法计数器TH0溢出后，必须用程序重新对TH0、TL0设置初值，否则下一次TH0、TL0将从0开始加法计数。例7-3已知晶振频率fosc=12MHz，要求定时器0产生10ms的定时时间，试对定时器进行初始化编程。解：由于晶振频率为12MHz，机器周期Tcy=1μs，选用方式0时最大定时时间8.192ms，选择方式1时，最大定时时间为65.536ms，要求的定时时间为10ms，所以不能选择方式0，只能选用方式1。(1)计算TH0、TL0的计数初值由于晶振频率为12MHz，所以机器周期Tcy=1μs，则定时时间为：T=(2n-x)×Tcy＝(216-x)×1μs=10ms，所以x=65536-10000=55536=D8F0H即TH0=D8H，TL0=F0H，或者TH0=55536/256，TL0=55536%256(2)TMOD寄存器初始化根据题目要求，GATE(TMOD.3)=0，(TMOD.2)=0，M1(TMOD.1)=0，M0(TMOD.0)=1，定时器/计数器1没有使用，相应的各个位状态随意，均取为0，则(TMOD)=01H。(3)初始化程序voidinit_time0(void){ TMOD=0x01;//设置T0为定时器模式，工作在方式1 TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; TR0=1;// 启动T0}3.方式2当TMOD的M1M0=10时，定时器/计数器工作于方式2，工作于8位自动重装初值的8位定时器/计数器方式。方式2计数器构成如图7-7所示，TL0作为8位计数器使用，TH0作为初值寄存器用，TL0计数溢出后，将TF0置1，同时发出自动重装初值的信号，使三态门打开，将TH0中初值自动送入TL0，使TL0从初值开始重新计数。方式2中初值x的设置范围：0~255(0~28-1)，TL0从初值开始加法计数，溢出后TH0中初值重新置入TL0。方式2工作时计数值和定时值分别为：

N=28-x=256-xT＝(28-x)Tcy=(256-x)Tcy当x取为255时，计数值为1；当x取为0时，计数值为256。因此方式2的计数范围为：1~256，定时范围：(1~256)Tcy由于工作方式2有自动重新装载初值的功能，因此特别适用于定时控制。例7-4已知晶振频率fosc=12MHz，要求每隔200μs产生一定时信号，试对定时器进行初始化。解：选择定时器0，工作在方式2。(1)计算TH0、TL0的计数初值由于晶振频率为12MHz，所以机器周期Tcy=1μs，则(2n-x)×Tcy＝(28-x)×1μs=200μs，所以x=256-200=56=38H即TH0=38H，TL0=38H或者TH0=(256-200)/256，TL0=(256-200)%256。(2)TMOD寄存器初始化GATE(TMOD.3)=0，(TMOD.2)=0，M1(TMOD.1)=1，M0(TMOD.0)=0，定时器/计数器1没有使用，相应的各个位状态随意，均取为0，则(TMOD)=02H。(3)初始化程序voidinit_time0(void){ TMOD=0x02;//设置T0为定时器模式，工作在方式1 TH0=0x38; TL0=0x38; TR0=1;// 启动T0}4.方式3方式3只适用于定时器/计数器T0，当TMOD的M1M0=11时，定时器/计数器T0工作于方式3，定时器/计数器T1不能工作在方式3。定时器/计数器T0工作于方式3的工作原理如图7-8所示。(a)TL0作8位定时器/计数器(b)TH0作8位定时器图7-8定时器/计数器T0方式3原理图方式3时，T0分成两个独立的8位计数器：TL0和TH0，TL0是8位定时器/计数器，TH0是8位定时器，TL0使用T0的状态控制位、GATE、TR0、，当TL0计数溢出时，由硬件将TF0置1，向CPU发出中断请求。TH0固定为定时器方式，是8位定时器模式，只能对机器周期Tcy进行计数，不能作为计数器模式，对外部脉冲进行计数。由于TL0已占用了TR0和TF0，因此TH0借用了定时器/计数器T1的TR1和TF1，TH0的启动和停止受TR1控制，TH0定时时间到，将TF1置1。定时器/计数器T0工作在方式3时，定时器/计数器T1虽然还可以选择为方式0、方式1或方式2，但是由于TH0借用了定时器/计数器T1的TR1和TF1，不能产生溢出中断请求信号，这时T1就不能用于需要中断方式的场合，而通常用作串行口的波特率发生器。定时器/计数器T0工作在方式3时的计数范围为：1~256，定时范围：(1~256)Tcy。7.2.4定时器/计数器对输入信号的要求定时器/计数器的作用是用来精确地确定某一段时间间隔(作为定时器用)，或累计外部输入的脉冲个数(作为计数器用)。当用做定时器时，在其输入端输入周期固定的脉冲，根据定时器/计数器中累计(或事先设定)的周期固定的脉冲个数，即可计算出所定时间的长度。当80C51内部的定时器/计数器被选定为定时器工作模式时，计数输入信号是内部机器周期脉冲，每个机器周期产生一个脉冲，计数器增1，定时器/计数器的输入脉冲频率为时钟振荡频率的1/12。当采用12MHz频率的晶体时，计数速率为1MHz，输入脉冲的周期间隔为1μs。由于定时的精度决定于输入脉冲的周期，因此当需要高分辨率的定时，应尽量选用频率较高的晶振(80C51最高为40MHz)。对输入信号的基本要求如图7-9所示，图中Tcy为机器周期。图7-9对输入信号的基本要求7.3定时器/计数器的应用定时器/计数器是单片机应用系统中重要的功能部件，通过灵活应用其不同的工作方式可以减轻CPU的负担，简化外围电路，本节通过几个典型的例子，介绍定时器的使用方法。例7-5已知晶振频率fosc=12MHz，编程使P2.0引脚上产生100ms的方波程序。解：分析：方波的周期为100ms，要求高、低电平的持续时间各为50ms，采用定时器定时，中断工作方式。每50ms时间到时，在中断服务程序中将P2.0引脚电平状态取反，即可获得所需要的波形。晶振频率fosc=12MHz，Tcy＝12/fosc=1μs，选择定时器T1的方式1。(1)确定计算初值(2n-x)×Tcy＝(216-x)×1μs=50ms，x=65536-50000=15536=3CB0H即TH1=3CH，TL1=B0H或者TH1=(65536-50000)/256，TL1=(65536-50000)%256。(2)TMOD寄存器初始化GATE(TMOD.7)=0，(TMOD.6)=0，M1(TMOD.5)=0，M0(TMOD.4)=1，定时器/计数器0没有使用，相应的各个位状态随意，均取为0，则(TMOD)=10H。(3)程序如下：#include<reg51.h>#defineuintunsignedintsbitfangbo=P2^0;voidmain(){ TMOD=0x10;//设置T1为定时器模式，工作在方式1 TH1=0x3C; TL1=0xB0; EA=1;//开总中断

ET1=1;//允许T1中断

TR1=1;// 启动T1 while(1); }voidtimer1()interrupt3//定时器1中断服务程序{ TH1=(65536-50000)/256; TL1=(65536-50000)%256; fangbo=~fangbo; }P2.0引脚上输出的周期位100ms的方波仿真结果如图7-10所示。图7-10P2.0引脚上的100ms方波信号仿真图(每小格为10ms)例7-6利用单片机的定时器设计一个秒表，使它从0～59s计数，晶振频率fosc=12MHz，设计秒表的proteμs仿真电路，并编写程序。 解：(1)分析：已知晶振频率fosc=12MHz，Tcy=1μs，选定时器T0或定时器T1均可，但是应该选择方式0、1、2或3中的哪一种呢？

各种方式的定时时间计算公式为(2n-x)×Tcy，当计数初值x为0时，各种方式最长的定时时间如下：方式0：213×Tcy＝8192μs＝8.192ms；方式1：216×Tcy＝65536μs＝65.536ms，方式2：28×Tcy＝256μs，方式3：28×Tcy＝256μs。方式1是定时时间最长的一种方式，它的最长定时时间为65.536ms，也达不到1s。因此要达到1s的延时，只能采用多次中断的方式。选择定时器T0，方式1，设定T0的定时时间为50ms，每隔50ms中断1次，中断20次即为1s。(2)确定计算初值(2n-x)×Tcy＝(216-x)×1μs=50ms，x=65536-50000=15536=3CB0H即TH0=3CH，TL0=B0H(3)TMOD寄存器初始化GATE(TMOD.3)=0，(TMOD.2)=0，M1(TMOD.1)=0，M0(TMOD.0)=1，定时器/计数器1没有使用，相应的各个位随意状态，均取为0，则(TMOD)=01H。(4)Proteus仿真电路设计秒表的Proteus电路如图7-11所示，采用两位共阴极数码管显示秒数，数码管段选由P1口控制，十位数码管的位选由P2.0控制，个位数码管的位选由P2.1控制。(5)程序设计如下：#include<reg51.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharuchartemp,aa,shi,ge;ucharcodetable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//共阴极数码管码表voiddisplay(ucharshi,ucharge);//显示子程序voiddelay(uintz);//延时子程序voidinit();//定时器初始化子程序voidmain(){ init();//初始化子程序 while(1) { if(aa==20) { aa=0; temp++; if(temp==59) { temp=0; } shi=temp/10; ge=temp%10;

display(shi,ge); }}voiddelay(uintz)//延时子程序{ uintx,y; for(x=z;x>0;x--) for(y=110;y>0;y--);}voiddisplay(ucharshi,ucharge)//显示子程序{

P2=0xfe;//送入十位数码管位选信号，显示数字

P1=table[shi];//送入十位数码管的段选信号 delay(5); P2=0xfd;//送入个位数码管位选信号，显示数字 P1=table[ge];//送入个位数码管的段选信号 delay(5);}voidinit()//定时器初始化程序{ temp=0; TMOD=0x01;//设置T0为定时器模式，工作在方式1 TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256;

EA=1;//开总中断 ET0=1;//允许T0中断 TR0=1;// 启动T0}voidtimer0()interrupt1//定时器T0中断服务子程序{ TH0=(65536-50000)/256;//重新设置定时器初值 TL0=(65536-50000)%256; aa++; //中断次数加1}例7-7利用单片机的定时器设计交通信号灯控制电路，用Proteus仿真软件验证。解：(1)分析：交通灯有四个方向，南北向是同样的工作模式，东西向是同样的工作模式，只要将交通灯的工作模式列出来，采用定时器实现定时控制，当定时时间到的时候，进行模式切换，就可以实现交通灯的控制。设交通灯有如下四种工作模式(为了便于演示，切换时间较短)：①东西向绿灯与南北向红灯亮5s；②东西向绿灯灭，黄灯闪烁5次；③东西向红灯与南北向绿灯亮5s；④南北向绿灯灭，黄灯闪烁5次；定时器的四种定时方式中方式1是定时时间最长的一种方式，但它的最长定时时间也只为65.536ms，无法达到5s的延时，所以本题仍然采用定时器延时50ms的方法，在定时器的中断程序中采用软件计数的方法来加长延时时间。(2)Proteus仿真电路设计交通灯的Proteus仿真电路如图7-12所示，将交通灯通过反相器7405接在P0口上，P0口通过上拉电阻接+5V。#include<reg52.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcha