第四章 定时器

第四章

定时器/计数器原理及应用9/22/20231

在单片机应用系统中，常常会需要定时或计数，通常采用以下三种方法来实现：

1．硬件法硬件定时功能完全由硬件电路完成，不占用CPU时间。但当要求改变定时时间时，只能通过改变电路中的元件参数来实现，很不灵活。2．软件法软件定时是执行一段循环程序来进行时间延时，优点是无额外的硬件开销，时间比较精确。但牺牲了CPU的时间,所以软件延时时间不宜长，而在实时控制等对响应时间敏感的场合也不能使用。

概述9/22/20232

3．可编程定时器／计数器 可编程定时器／计数器最大特点是可以通过软件编程来实现定时时间的改变，通过中断或查询方法来完成定时功能或计数功能。有专门的可编程定时器／计数器芯片可供选用，比如Intel8253。还有一些日历时钟芯片，如菲利浦公司的PCF8583等。8051包含有两个16位的定时器／计数器：T0和T1；8052包含有三个16位的定时器／计数器：T0、T1和T2；在8051系列的部分产品（如Philips公司的80C552）中，还包含有一个用做看门狗的8位定时器（T3）。定时器／计数器的核心是一个加1计数器．其基本功能是计数加1。9/22/20233 若是对单片机的T0、T1引脚上输入的一个1到0的跳变进行计数增l，即是计数功能。 若是对单片机内部的机器周期进行计数，从而得到定时，这就是定时功能。 定时功能和计数功能的设定和控制都是通过软件来设定的。

8051的定时器/计数器除了可用作定时器或计数器之外，还可用作串行接口的波特率发生器。9/22/20234定时/计数器的特点：（1）有多种工作方式；计数方式、定时方式；（2）

计数值是可变的；计数的最大值有一定限制，这取决于计数器的位数。计数的最大值也就限制了定时的最大值。（3）产生中断申请；可以按照规定的定时或计数值,在定时时间到或者计数终止时，发出中断申请，以便实现定时控制。9/22/20235定时器／计数器T0、T1定时器/计数器的结构9/22/20236图4–1定时器/计数器T0、T1的内部结构框图计数器TH0、TL0和TH1、TL1；特殊功能寄存器TMOD、TCON；时钟分频器；输入引脚T0、T1。9/22/20237D7 D6 D5D4 D3D2D1D0GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0T1T0

GATE——门控位

GATE＝1时，由外部中断引脚和TR0、TR1共同来启动定时器。当外部中断引脚为高电平时，TR0置位启动定时器T0；TR1置位，启动定时器T1。

GATE＝0时，仅由TR0和TR1置位来启动定时器T0和T1。

⒈T0、T1的方式寄存器——TMOD

字节地址为89H。与T0、T1有关的特殊功能寄存器9/22/20238

C／T——功能选择位C/T＝1时，选择计数功能；C/T＝0时，选择定时功能。①定时器，设置C/T＝0

计数输入信号是内部时钟脉冲，每个机器周期使寄存器的值增1。计数速率为振荡周期的1／12。当采用12MHz的晶体时，计数速率为1MHz。定时器的定时时间，与系统的振荡频率fosc、计数器的长度和初始值等有关。②计数器，设置C/T＝1

通过引脚T0（P3.4）和T1(P3.5)对外部信号进行计数。在每个机器周期的S5P2期间，CPU采样引脚的输入电平。若前一机器周期采样值为1，下一机器周期采样值为0，则计数器增1，此后的机器周期S3P1期间，新的计数值装入计数器。检测一个1到0的跳变需要两个机器周期，故计数脉冲频率不能高于振荡脉冲频率的1／24。9/22/20239

M1、M0——工作方式选择位。由于有M1和M0两位，可以有四种工作方式，如表4－1所示。M1M0工作方式

计数器配置

00方式013位计数器

01方式116位计数器

10方式2自动重装载的8位计数器

11方式3T0分为两个8位计数器，T1停止计数

表4–1定时器/计数器的工作方式9/22/202310

控制寄存器TCON是一个逐位定义的8位寄存器，字节地址为88H，位寻址的地址为88H～8FH。其格式如下： 位地址

8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88H位功能

TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0其中各位的意义如下：

TF1（TCON．7）——定时器／计数器T1的溢出标志。

T1溢出时，该位由内部硬件置位。若中断开放，即响应中断，进入中断服务程序后，由硬件自动清0；若中断禁止，可用于判跳，用软件清0。

TR1（TCON．6）——T1的运行控制位。用软件控制，置l时，启动T1；清0时，停止T1。

⒉定时器／计数器T0、T1的控制寄存器——TCON9/22/202311

TF0（TCON．5）——T0的溢出标志。

TR0（TCON．4）——T0的运行控制位。

IE1（TCON．3）——外部中断1触发标志位。

IE0（TCON．1）——外部中断0触发标志位。

IT1（TCON．2）——外部中断1触发方式控制位。

IT0（TCON．0）——外部中断0触发方式控制位。复位后，TCON的所有位均清0。T0和T1均是关断的。9/22/202312

⒊T0、T1的数据寄存器由TH1(地址为8DH)、TL1(地址为8BH)和TH0(地址为8CH)、TL0(地址为8AH)寄存器所组成。复位后，所有这四个寄存器全部清零。⒋定时器/计数器中断⑴中断允许寄存器IE

EA位--中断允许总控制位

ET0位、ET1位--T0、T1的中断允许控制位。 某位=0，则禁止对应定时器/计数器的中断。 某位=1，则允许对应定时器/计数器的中断。9/22/202313⑵

中断矢量

定时器T0：000BH

定时器T1：001BH ⑶中断优先级寄存器IP PT0位、PT1位--T0、T1中断优先级控制位。 某位为0，则相应的定时器/计数器的中断为低优先级； 某位为1，则相应的定时器/计数器的中断为高优先级。9/22/202314

根据对TMOD寄存器中M1和M0的设定，T0可选择四种不同的工作方式，而T1只有三种工作方式（即方式0、方式1和方式2）。⒈方式0：13位定时器/计数器当TMOD中的M1＝0、M0＝0时，选定方式0工作。从图4–2中可看到： C/T位的电平为0或1，用来设定是作定时器或计数器。定时器／计数器T0、T1的工作方式9/22/202315图4–2方式0时，定时器/计数器T0、T1的逻辑结构图9/22/202316门控位GATE可用作对INTx引脚上的高电平时间进行计量。由图可看出，当GATE＝0时，A点为高电平，定时器／计数器的启动／停止由TRx决定。TRx＝1，定时器／计数器启动；TRx＝0，定时器／计数器停止。当GATE＝1时，A点的电位由INTx决定，因而B点的电位就由TRx和INTx决定，即定时器／计数器的启动／停止由TRx和INTx两个条件决定。

计数时，TLx的低5位溢出后向THx进位，THx溢出后将TFx置位，并向CPU申请中断。这种方式下，计数寄存器由13位组成，即THx高八位(作计数器)和TLx的低5位(32分频的定标器)构成。TLx的高3位未用。

计数溢出时，TFx置位。如果中断允许，CPU响应中断并转入中断服务程序，由内部硬件清TFx。TFx也可以由程序查询和清零。

9/22/202317例1 用定时器1，方式0实现1s的延时。解：因方式0采用13位计数器，其最大定时时间为：8192*1μs=8.192ms，因此，可选择定时时间为5ms，再循环200次。定时时间选定后，在确定计数值为5000，则定时器1的初值为

X=M–计数值=8192–5000=3192=C78H=0110001111000B

因13位计数器中TL1的高3位未用，应填写0，TH1占高8位，所以，X的实际填写值应为

X=0110001100011000B=6318H

即TH1=63H，TL1=18H，又因采用方式0定时，故TMOD=00H。9/22/202318可编得1s延时子程序如下：DELAY： MOV R3，#200 ；置5ms计数循环初值

MOV TMOD，#00H ；设定时器1为方式0 MOV TH1，#63H ；置定时器初值

MOV TL1，#18HCLRET1 SETB TR1 ；启动T1LP1： JBC TF1，LP2 ；查询计数溢出

SJMP LP1 ；未到5ms继续计数LP2： MOV TH1，#63H ；重新置定时器初值

MOV TL1，#18H DJNZ R3，LP1 ；未到1s继续循环

RET ；返回主程序9/22/202319当TMOD中的M1＝0、M0＝l时，选定方式1工作。方式1时，T0、T1的逻辑结构如图4－3所示。这种方式下，计数寄存器由16位组成，THx高8位和TLx的低8位。计数时，TLx溢出后向THx进位，THx溢出后将TFx置位，如果中断允许，CPU响应中断并转入中断服务程序，由内部硬件清TFx。TFx也可以由程序查询和清零。

⒉方式1：16位定时器/计数器9/22/202320图4–3方式1时，定时器/计数器T0、T1的逻辑结构图9/22/202321

当TMOD中的M1＝1、M0＝0时，选定方式2工作。这种方式是将16位计数寄存器分为两个8位寄存器，组成一个可重装载的8位计数寄存器。方式2时定时器/计数器T0、T1的逻辑结构如图4－4所示。⒊方式2：定时常数自动重装载的8位定时器/计数器9/22/202322图4–4方式2时定时器/计数器T0、T1的结构简图9/22/202323在方式2中，TLx作为8位计数寄存器，THx作为8位计数常数寄存器。当TLx计数溢出时，一方面将TFx置位，并向CPU申请中断；另一方面将THx的内容重新装入TLx中，继续计数。

方式2适合于作为串行口波特率发生器使用。9/22/202324例2、试用定时器1，方式2实现1s延时。解：因方式2是8位计数器，其最大定时时间为：256

1μs=256μs，为实现1s延时，可选择定时时间为250μs，再循环4000次。定时时间选定后，可确定计数值为250，则定时器1的初值为：

X=M–计数值=256–250=6=6H

采用定时器1，方式2工作，因此，TMOD=20H。9/22/202325可编得1s延时子程序如下：DELAY： MOV R5，#28H ；置25ms计数循环初值

MOV R6，#64H ；置250μs计数循环初值

MOV TMOD，#20H ；置定时器1为方式2 MOV TH1，#06H ；置定时器初值

MOV TL1，#06HCLRET1 SETB TR1 ；启动定时器LP1： JBC TF1，LP2 ；查询计数溢出

SJMP LP1 ；无溢出继续计数LP2： DJNZ R6，LP1 ；未到25ms继续循环

MOV R6，#64H DJNZ R5，LP1 ；未到1s继续循环

RET 9/22/202326⒋方式3

当TMOD中的M1＝l、M0＝1时，选定方式3工作。这种方式是将T0分为一个8位定时器／计数器和一个8位定时器，TL0用于8位定时器／计数器，TH0用于8位定时器。方式3时定时器／计数器T0、T1逻辑结构分别如图4–5、图4–6所示。9/22/202327图4–5 定时器/计数器T0方式3时的逻辑结构图9/22/202328图4–6定时器/计数器T0方式3时，T1的逻辑结构图9/22/202329

⑴工作方式3下的定时器/计数器T0方式3时，定时器0被分解成两个独立的8位计数器TL0和TH0。TL0占用原定时器0的C/、GATE、TR0、TF0和T0（P3.4）、

（P3.2）、中断源（000BH）。可定时亦可计数。TH0占用原定时器1的TF1、TR1、中断源(001BH)，只能用作简单的内部定时。

⑵工作方式3下的定时器/计数器T1方式3时，定时器1仍可设置为方式0、方式1或方式2。定时器1仅由控制位C/切换其定时或计数功能，当计数器计满溢出时，只能将输出送往串行口。一般用作串行口波特率发生器或不需要中断的场合。其启动和关闭较为特殊，当设置好工作方式时，定时器1即自动开始运行。若要停止操作，只需送入一个设置定时器1为方式3的方式字即可。

9/22/202330例3、用定时器0，方式3实现1s延时。解：根据题意，定时器0中的TH0只能为定时器，定时时间可设为250μs；TL0设置为计数器，计数值可设为200。TH0计满溢出后，用软件复位的方法使T0（P3.4）引脚产生负跳变，TH0每溢出一次，T0引脚便产生一个负跳变，TL0便计数一次。TL0计满溢出时，延时时间应为50ms，循环20次便可得到1s的延时。由上述分析可知，TH0计数初值为

X=（256–250）=6=06H TL0计数初值为

X=（256–200）=56=38H TMOD=00000111B=07H9/22/202331DELAY： MOV R3，#14H ；置50ms计数循环初值

MOV TMOD，#07H ；置定时器0为方式3计数

MOV TH0，#06H ；置TH0初值

MOV TL0，#38H ；置TL0初值

CLRET1CLRET0 SETB P3.4SETB TR0 ；启动TL0 SETB TR1 ；启动TH0LP1： JBC TF1，LP2 ；查询TH0计数溢出

SJMP LP1 ；未到250μs继续循环LP2： MOV TH0，#06H ；重置TH0初值

CLR P3.4 ；T0引脚产生负跳变

NOP ；负跳变持续

NOP SETB P3.4 ；T0引脚恢复高电平

JBC TF0，LP3 ；查询TL0计数溢出

SJMP LP1 ；200次未到继续计数LP3： MOV TL0，#38H ；重置TL0初值

DJNZ R3，LP1 ；未到1s继续循环

RET可编得1s延时子程序如下9/22/202332由于MCS-51单片机的定时/计数器是可编程的,因此在使用之前需要进行初始化。在编程时主要注意两点：第一要能正确写入控制字；第二能进行计数初值的计算。一般情况下,包括以下几个步骤：

(1)确定工作方式，即对TMOD寄存器进行赋值。

(2)计算计数初值,并写入寄存器TH0、TL0或TH1、TL1中。

(3)根据需要,置位ETx允许T/C中断。

(4)置位EA使CPU开中断(需要时)。

(5)置位TRx启动计数。定时器/计数器的应用编程9/22/202333计数初值的计算方法如下：由于定时/计数器是以加1的方式计数,因此同常用的减1计数器的算法不同。在定时方式下：假定时间常数为Tc,定时时间为T，而T=Tc·Tp,则时间常数为其中Tp为机器周期,即12/晶振频率。应装入定时/计数器的初值为

X=2n-Tc(n为计数器的位数)

在计数方式下：假定计数值为N,则应装入的计数初值为

X=2n-N(n同上)9/22/202334例1：若晶振频率为6MHz,试计算MCS-51单片机定时/计数器的最小定时时间和最大定时时间。解：先确定机器周期：

①计算最小定时时间：对于定时器的几种工作方式来说,最小定时时间都是一样的，即Tmin=Tc·Tp=1×2μs=2μs②计算最大定时时间：当T/C工作在方式1下的定时时间最长,则最大定时时间为

Tmax=Tc·Tp=216×2μs=131072μs=131ms晶振频率9/22/202335例2:若单片机的晶振频率为6MHz,要求定时/计数器T0产生100ms的定时,试确定计数初值以及TMOD寄存器的内容。解：当晶振频率为6MHz时,产生100ms的定时接近最大值(131ms),故只能采用方式1(16位定时器)。机器周期为：晶振频率时间常数为：计数初值为：9/22/202336设置TMOD方式字：对于T0来说：

M1M0=01，、GATE=0。由于T1不用,可任意设置,现取为全0，因此，TMOD寄存器的内容为：

TMOD=00000001B=01H9/22/202337例3：利用定时/计数器T0通过P1.0引脚输出周期为2ms的方波,设晶振频率为12MHz。试确定计数初值、TMOD内容及编制相应程序。解：若要产生周期为2ms的方波,只要每1ms将信号的幅值由0变到1或由1变到0即可,可采用取反指令CPL来实现。为了提高CPU的效率,可采用定时中断的方式,每1ms产生一次中断,在中断服务程序中将输出信号取反即可。定时器T0的中断入口地址为000BH。

①计算计数初值：对于定时1ms来说,用定时器方式0就可实现。9/22/202338机器周期为：晶振频率时间常数为：计数初值为：

则其高8位为EOH,低5位为18H,故TH0=E0H,TL0=18H。②确定TMOD方式字：对于定时器T0来说,M1M0=00H、=0、GATE=0。定时器T1不用,取为全0。于是

TMOD=00000000B=00H

9/22/202339③程序设计：

ORG000BH;T0中断服务程序入口

LJMPINT;转至INT处

ORG2000H;主程序

MOVTMOD,＃00H;置T0为定时方式0MOVTH0,＃0E0H

;设置计数初值

MOVTL0,＃18H

SETBEA

;CPU开中断

SETBET0

;允许T0中断

SETBTR0

;启动T0HALT:SJMP$

;暂停,等待中断INT:CPLP1.0

;输出方波

MOVTH0,＃0E0H;重新装入计数初值

MOVTL0,＃18H

RETI

;中断返回9/22/202340需要说明的是：以上程序在定时器初始化之后,即进入虚拟的主程序,暂停等待定时器溢出中断。这种主程序处于暂停状态等待中断的方法一般只用于例题程序,而在实际系统中则很少采用,因为这涉及到CPU的效率。还有一点要注意：当采用方式0、1、3时,只要不关闭定时/计数器,那么每当计数器回0溢出时,都需要重新装入计数初值,以保证计数值不变。9/22/202341例4：用查询方式产生例3中所要求的方波。解：程序和例3很相似，不同之处为不需要中断和中断服务程序。查询的对象是定时器T0的溢出标志TF0，在计数过程中，TF0为0；当定时时间到，计数器溢出使TF0置1。由于未采用中断，TF0置1后不会自动复位为0，故需用指令使TF0复位为0。计数初值的计算以及TMOD的选取同例3。9/22/202342

MOVTMOD,＃00H;置定时器T0为方式0MOVTH0,＃0E0H;设置计数初值

MOVTL0,＃18HMOVIE,＃00H;禁止中断

SETBTR0;启动T0定时LOOP:JBCTF0,LOOP1;查询计数溢出

SJMPLOOP;TF0=0,则反复查询LOOP1:CPLP1.0;输出方波

MOVTH0,＃0E0H;重新装入计数初值

MOVTL0,＃18HSJMPLOOP;重复循环9/22/202343例5：软件扩展定时设片内RAM的70H单元的初值为01H，要求每1秒钟将其内容左环移一位，采用定时器T1，晶振频率为6MHz。解：当晶振频率为6MHz时，一个定时器的最大定时值为131ms，现要求定时1s，已超过该最大定时值，故只能采用定时器定时和软件计数相结合的方法来扩展定时时间。在本例中，要获得1s定时，可将定时器的定时值设为100ms，另设一个软件计数器(常用Rn寄存器)，初值为10。每100ms定时时间一到，产生定时溢出中断，在中断服务程序中首先使软件计数器减1，若不为0，则立即退出中断；若已减为0，说明1s定时时间已到；可进入中断处理。当中断处理完后，再重新设置软件计数器。其它要求与前例类似。9/22/202344①计算计数初值：采用定时方式1，计数初值为：x=3CB0H(参阅例2)。

②确定TMOD方式字：对于定时器T1来说,M1M0=01、

=0、GATE=0，而定时器T0不用,取为全0。于是

TMOD=00010000B=10H③程序设计：9/22/202345

ORG001BH;T1中断入口

LJMPINT;转至INT处

ORG2000H;主程序

MOVTMOD,＃10H;T1工作于方式1MOVTH1＃3CH;设置计数初值

MOVTL1,＃B0HSETBEA;CPU开中断

SETBET1;允许T1中断

SETBTR1;启动T1定时

MOV70H,＃01H;将初值送入70H单元中9/22/202346MOVR0,＃0AH;设置软件计数器HALT:SJMP$;暂停,等待中断

INT:DJNZR0,NEXT;中断服务程序

MOVA,70H;时间到，70H单元内容送ARLA;左环移一位

MOV70H,A;回送

MOVR0,＃0AH;重新设置软件计数器NEXT:MOVTH1,＃3CH;重新设置计数初值

MOVTL1,＃B0HRETI;中断返回9/22/202347例6：设晶振频率为6MHz、定时/计数器T0工作于方式3，TL0和TH0作为两个独立的8位定时器，要求TL0使P1.0产生400μs的方波，TH0使P1.1产生800μs的方波。解：当采用方式3时，对于TH0来说，需要借用定时器T1的控制信号。

①计算计数初值：

X0=28-200×10-6/2×10-6=156=9CHX1=28-400×10-6/2×10-6=56=38H②确定TMOD方式字：对定时器T0来说,M1M0=11、

=0、GATE=0,定时器T1不用,取为全0。于是

TMOD=00000011B=03H9/22/202348③程序设计：

ORGMAIN;主程序MAIN:MOVTMOD,＃03H;T0工作于方式3MOVTL0,＃9CH;置计数初值

MOVTH0,＃38HSETBEA;CPU开中断

SETBET0;允许T0中断(用于TL0)SETBET1;允许T1中断(用于TH0)SETBTR0;启动TL0SETBTR1;启动TH09/22/202349HALT:SJMPHALT;暂停，等待中断

ORG000BH;TL0中断服务程序

CPLP1.0;P1.0取反

MOVTL0,＃9CH;重新装入计数初值

RETI;中断返回

ORG001BH;TH0中断服务程序

CPLP1.1;P1.1取反

MOVTH0,＃38H;重新装入计数初值

RETI;中断返回9/22/202350例7、要求在P1.0引脚上产生周期为2ms的方波输出。 已知晶体振荡器的频率为fosc=6MHz。可使用T0作定时器，设为方式0，设定lms的定时，每隔1ms使P1.0引脚上的电平变反。

(1)解：定时常数计算振荡器的频率fosc＝6MHz，机器周期为2μs，方式0计数器长度L＝13(213＝8192)，定时时间t＝1ms＝0.001s定时常数：9/22/202351TC为7692＝1E0CH，二进制数TCB＝00011110000

01100B，取低13位，其中高8位TCH＝F0H，低5位为TCL＝0CH.计数长度为1E0CH=7692，定时为(8192—7692)×2μs=0.001STMOD的设定（即控制字）

9/22/202352(2)编程 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH ；T0中断矢量

AJMPINQP ORG 0030HMAIN：MOVTMOD，＃00H；设定时器T0为方式0 MOV TH0，＃0F0H；写定时常数(定时1ms) MOV TL0，＃0CH SETB TR0

；启动T0

SETB ET0

；允许T0中断

SETB EA

；开放CPU中断

AJMP$；定时中断等待

ORG XXXXH

；T0中断服务程序

INQP：MOVTH0，＃0F0H

；重写定时常数

MOVTL0，＃0CH CPL P1．0

；P1.0变反输出

RETI

；中断返回

9/22/202353例8、使用T1的方式1，设定1ms的定时。在P1.0引脚上产生周期为2ms的方波输出。晶体振荡器的频率为fosc＝6MHz。⑴解：

定时常数计算定时常数TC转换成二进制TCB＝1111111000001100B＝FE0CH，所以TCH＝FEH（高8位），TCL＝0CH（低8位）TMOD的设定（即控制字）9/22/202354⑵

编程

ORG0000H AJMPMAIN ORG 001BH ；T1中断矢量地址

AJMPINQP ORG 100H ；主程序入口MAIN：MOVTMOD，＃10H ；定时器T1为方式1 MOV TH1，＃0FEH ；写定时常数，定时1ms MOV TL1，＃0CH SETB TR1 ；启动T1SETB ET1 ；允许T1中断

SETB EA ；开放CPU中断

AJMP ＄

ORG XXXXH ；T1中断服务程序INQP：MOVTH1，＃0FEH ；重写定时常数

MOV TL1，＃0CH CPL P1.0 ；P1.0变反输出

RETI ；中断返回

9/22/202355

门控位GATE可用作对INTx引脚上的高电平持续时间进行计量。当GATE位设为“1”，并设定时器/计数器启动位TRx为“1”，这时定时器/计数器定时完全取决于INTx引脚，仅当INTx引脚电平为“1”时，定时器才工作，换另一角度看，定时器实际记录的时间就是相应INTx引脚上高电平的持续时间。通过反相器，则可测得相应INTx引脚上低电平的持续时间。二个时间的和即为INTx引脚上输入波形的周期，其倒数即为INTx引脚上输入波形的频率。还可算出占空比等参数。门控位GATE的应用9/22/202356

例9、利用定时器／计数器测定图4－7所示波形的一个脉冲宽度。 利用门控信号GATE启动定时器的方法。T1为定时器，

INT1为高电平时，启动定时器；P3.3(INT1)TR1置1T1开始计时TR1清零图4–7波形脉冲宽度测试原理9/22/202357编程：

ORG 0100HSTART：MOVTMOD，#90H ；设置T1为定时器， ；方式1，GATE位置1 MOVTL1，#00H ；置为最大定时值

MOVTH1，#00H LP1：

JBP3.3，