定时器、计数器及实验

定时器/计数器及实验MCS-51单片机可提供两个16位的定时/计数器：定时/计数器1和定时/计数器0。它们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。12.1定时/计数器的结构及工作原理图12-1为定时/计数器的结构框图。由图12-1可见，定时/计数器的核心是一个加1计数器，加1计数器的脉冲有两个来源，一个是外部脉冲源，另一个是系统的时钟振荡器。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。当计数到计数器为全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TF0或TF1置1，作为计数器的溢出中断标志。如果定时/计数器工作于定时状态，则表示定时的时间到，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，至于其工作于定时还是计数状态，则取决于外接什么样的脉冲源。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，所以脉冲数乘以脉冲间隔时间就是定时时间，因此为定时功能。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，因此为计数功能。 图12-1定时/计数器结构框图用作“定时器”时，在每个机器周期寄存器加1，也可以把它看作是在累计机器周期。由于一个机器周期包括12个振荡周期，所以，它的计数速率是振荡频率的1/12。如果单片机采用12MHz晶体，则计数频率为1MHz，即每微秒计数器加l。这样不但可以根据计数值计算出定时时间，也可以反过来按定时时间的要求计算出应计数的预置值。用作“计数器”时，MCS-51在其对应的外输入端T0（P3.4）或T1（P3.5）有一个输入脉冲的负跳变时加1。最快的计数速率是振荡频率的1/24。定时/计数器T0由两个8位特殊功能寄存器TH0和TL0构成，定时/计数器T1由两个8位特殊功能寄存器TH1和TL1构成。方式寄存器TMOD用于设置定时/计数器的工作方式，控制寄存器TCON用于启动和停止定时/计数器的计数，并控制定时/计数器的状态。对于每一个定时/计数器其内部结构实质上是一个可程控加法计数器，由编程来设置它工作在定时状态或计数状态。8位特殊功能寄存器TH0和TL0（或TH1和TL1）可被程控为不同的组合状态（13位、16位、两个分开的8位等），从而形成定时/计数器四种不同的工作方式，这也只需用指令改变TMOD的相应位即可。12.2定时/计数器方式寄存器和控制寄存器方式寄存器TMOD和控制寄存器TCON用于控制定时/计数器的工作方式，一旦把控制字写入TMOD和TCON后，在下一条指令的第一个机器周期初（S1P1期间）就发生作用。两个寄存器格式如下：1.定时/计数器方式寄存器TMODD7D6D5D4D3D2D1D0TMODGATEC/TM1M0GATEC/TM1M0（89H）定时器T1方式字段定时器T0方式字段其中高4位控制定时器T1，低4位控制定时器T0。M1、M0：工作方式选择位。定时器/计数器具有4种工作方式，由M1M0位来定义，如表12-1。M1M0工作方式功能说明00方式013位定时/计数器01方式116位定时/计数器10方式2可自动再装入的8位定时/计数器11方式3把定时/计数器0分成两个8位的计数器，关闭定时/计数器T1。表12-1定时/计数器工作方式选择C/T：选择“计数器”或“定时器”功能，C/T=1为计数器功能（计数在T0或T1端的负跳变）。C/T=0为定时器功能（计机器周期）。GATE：选通控制。GATE=0，由软件控制TR0或TR1位启动定时器；GATE=1，由外部中断引脚INT0（P3.2）和INT1（P3.3）输入电平分别控制T0和T1的运行。2.定时/计数器控制寄存器TCONbit8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88HTCONTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT1（88H）与外部中断有关TF1：定时器T1溢出中断标志，当定时器T1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时，由内部硬件将TF1标志位清0。TR1：定时器T1运行控制位，由软件置位/清除来控制定时器T1开启/关闭。当GATE（TMOD.7）为0而TR1为l时，允许T1计数；当TR1为0时禁止T1计数。当GATE（TMOD.7）为l时，仅当TR1=1且INT1输入为高电平才允许T1计数，TR1=0或INT1输入低电平都禁止T1计数。TF0：定时器T0溢出标志，其含义与TF1类同。TR0：定时器T0的运行控制位，其含义与TR1类同。复位时，TMOD和TCON的所有位均清0。TCON的低4位与外部中断有关，在下一章再作介绍。12.3定时/计数器的工作方式2个16位定时器/计数器具有定时和计数两种功能，每种功能包括了4种工作方式。用户通过指令把方式字写入TMOD中来选择定时器/计数器的功能和工作方式，通过把计数的初始值写入TH和TL中来控制计数长度，通过对TCON中相应位进行置位或清0来实现启动定时器工作或停止计数。还可以读出TH、TL、TCON中的内容来查询定时器的状态。12.3.1方式0当M1M0两位为00时，定时器/计数器被选为工作方式0。其等效框图如图12-2所示。方式0是一个13位的定时器/计数器。定时器T1的结构和操作与定时器T0完全相同。在这种方式下，16位寄存器（TH0和TL0）只用13位。其中TL0的高3位未用，其余位占整个13位的低5位，TH0占高8位。当TL0的低5位溢出时向TH0进位，而TH0溢出时向中断标志TF0进位（硬件置位TF0），并申请中断。定时器T0计数溢出与否可通过查询TF0是否置位，或是否产生定时器T0中断而知道。图12-2定时器T0（或T1）方式0结构当C/T=0时，多路开关连接振荡器的12分频器输出，T0对机器周期计数，这就是定时工作方式。当C/T=l时，多路开关与引脚P3.4（T0）相连，外部计数脉冲由引脚T0输入。当外信号电平发生1到0跳变时，计数器加1，这时T0成为外部事件计数器。当GATE=0时，封锁“或”门，使引脚INT0输入信号无效。这时，“或”门输出为常“1”，打开“与”门，由TR0控制定时器T0的开启和关断。若TR0=1，接通控制开关，启动定时器T0，允许T0在原计数值上作加法计数，直至溢出。溢出时，计数寄存器值为0，TF0=1，并申请中断，T0从0开始计数。因此，若希望计数器按原计数初值开始计数，在计数溢出后，应给计数器重新赋初值。若TR0=0，则关断控制开关，停止计数。当GATE=1，且TR0=l时，“或”门、“与”门全部打开，外信号电平通过INT0直接开启或关断定时器计数。输入“1”电平时，允许计数，否则停止计数。这种操作方法可用来测量外信号的脉冲宽度等。当为计数工作方式时，计数值的范围是：1~8192（213）当为定时工作当时，定时时间的计算公式为：（213-计数初值）x晶振周期x12或（213-计数初值）x机器周期12.3.2方式1当M1M0两位为01时，定时器/计数器被选为工作方式1。其等效框图如图12-3所示。图12-3定时器T0（或T1）方式1结构方式1为16位计数结构的工作方式，计数器由8位TH0和8位TL0构成（定时器T1的结构和操作与定时器T0完全相同）。其逻辑电路和工作情况与方式0完全相同，所不同的只是组成计数器的位数。当为计数工作方式时，计数值的范围是：1~65536（216）当为定时工作方式时，定时时间计算公式为：（216-计数初值）x晶振周期x12或（216-计数初值）x机器周期12.3.3方式2当M1M0两位为10时，定时器/计数器被选为工作方式2。其等效框图如图12-4所示。图12-4定时器T0（或T1）方式2结构方式0和方式1的最大特点是计数溢出后，计数器全为0，因此循环定时或计数应用时就存在重新设置计数初值的问题，这不但影响定时精度，而且也给程序设计带来不便。方式2就是针对此问题而设置的，它具有自动重新加载功能，因此也可以说方式2是自动重新加载工作方式。在这种工作方式下，把16位计数器分为两部分，即以TL0作计数器，以TH0作预置寄存器，初始化时把计数初值分别装入TL0和TH0中。当计数溢出后，由预置寄存器以硬件方法自动加载。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TH0中的计数初值自动加载装入TL0中，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，而且有利于提高定时精度。但这种方式下计数值有限，最大只能到256。这种自动重新加载工作方式非常适用于连续定时或计数应用。当为计数工作方式时，计数值的范围是：1~256（28）当为定时工作方式时，定时时间计算公式为：（28-计数初值）x晶振周期x12或（28-计数初值）x机器周期12.3.4方式3当M1M0两位为11时，定时器/计数器被选为工作方式3。前三种工作方式下，对两个定时器/计数器的使用是完全相同的，但是在方式3下，两个定时器/计数器的工作却是不同的。定时器/计数器T0：在方式3下，定时器/计数器T0被拆成两个独立的8位计数器TL0和TH0，其中TL0既可以计数使用，又可以定时使用，定时器/计数器T0的各控制位和引脚信号全归它使用。其功能和操作与方式0和方式1完全相同，而且逻辑电路结构也极其类似，如图12-5。图12-5定时器T0（或T1）方式3结构但TH0则只能作为简单的定时器使用，而且由于定时器/计数器T0的控制位已被TL0所占用，因此只好借用定时器/计数器T1的控制位TR1和TF1，即计数溢出置位TF1，而定时的启动和停止则受TR1的状态控制。由于TH0只能作定时器使用而不能作计数器使用，因此在方式3下，定时器/计数器T0可以构成二个定时器；或一个定时器一个计数器。定时器/计数器T1：如果定时器/计数器T0已被设置为工作方式3，则定时器/计数器T1只能设置为方式0，方式1或方式2，因为它的运行控制位TR1及计数溢出标志位TF1已被定时器/计数器T0所占据，在这种情况下，定时器/计数器T1通常是作为串行口的波特率发生器使用，因为已没有计数溢出标志位TF1可供使用，因此就把计数溢出直接送给串行口，以决定串行通信的速率。当作为波特率发生器使用时，只需设置好工作方式，便自动运行。如要停止工作，只需送入一个把它设置为方式3的方式控制字就可以了。因为定时器/计数器T1不能在方式3下使用，如果硬把它设置为方式3，就停止工作。12.4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器/计数器前都要对其进行初始化，使其按设定的功能工作。初始化步骤一般如下：1.确定工作方式，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，则需给外引脚加启动电平。当实现了启动要求之后，定时器即按规定的工作方式和初值开始计数或定时。12.5使用定时器T1以方式0使单片机产生周期为1000μS等宽方波脉冲实验（1000Hz音频），在P1.7输出驱动蜂鸣器发音12.5.1实现方法LED输出试验板使用11.0592MHz晶振，可近似认为其为12MHz，这样一个机器周期为1μS。欲产生1000μS周期方波脉冲，只需在P1.7以500μS时间交替输出高低电平即可。1.T1为方式0，则M1M0=00H。使用定时功能，C/T=0。GATE=0。T0不用，其有关位设为0。这样，TMOD=00H。2.方式0为13位长度计数结构，设计数初值为X，则：（213-X）x1x10-6=500x10-6得X=7692DX=1111000001100B转成16进制后，高8位=F0H，低8位=0CH。即TH1=F0H，TL0=0CH。3.由控制寄存器TCON中的TR1位来控制定时的启动和停止，TR1=1启动，TR1=0停止。12.5.2源程序文件在我的文档中建立一个文件目录（S12-1），然后建立一个S12-1.uv2的工程项目，最后建立源程序文件（S12-1.asm）。输入下面的程序：序号：1 ORG0000H2 LJMPMAIN 3 ORG030H4MAIN: MOVTMOD,#00H5 MOVTH1,#0F0H6 MOVTL1,#0CH7 MOVIE,#00H8 SETBTR19 LOOP: JBCTF1,LOOP110 AJMPLOOP11 LOOP1: MOVTH1,#0F0H12 MOVTL1,#0CH13 CLRTF114 CPLP1.715 AJMPLOOPEND编译通过后，将S12-1文件夹中的hex文件烧录到89C51芯片中，将芯片插入到LED输出试验板上，接上5V稳压电源，蜂鸣器中立即响起悦耳的1KHz音频声。12.5.3程序分析解释 序号1：程序开始。序号2：跳转到MAIN主程序处。序号3：主程序MAIN从地址0030H开始。序号4：置T1为方式0。序号5、6：载入定时初值。序号7：禁止中断。序号8：启动定时器T1。序号9、10：查询T1的溢出标志TF1。TF1=0定时未到，转LOOP继续查询；TF1=1定时到，转LOOP1。序号11、12：重装定时初值。序号13：清除溢出标志。序号14：P1.7输出端取反。序号15：跳转到LOOP处重复循环。序号16：程序结束。12.6使用定时器T1以方式2计数实验，每计10次，进行累加器加1操作，并送P1口显示12.6.1实现方法LED输出试验板使用11.0592MHz晶振，可近似认为其为12MHz，这样一个机器周期为1μS。1.T1为方式2，则M1M0=10H。使用计数功能，C/T=1。GATE=0。T0不用，其有关位设为0。这样，TMOD=60H。2.方式2为8位长度自动重装载计数结构，设计数初值为：（28-10）=246D=11110110B=F6H，即TH1=0F6H，TL1=0F6H。3.由控制寄存器TCON中的TR1位来控制定时的启动和停止，TR1=1启动，TR1=0停止。12.6.2源程序文件在我的文档中建立一个文件目录（S12-2），然后建立一个S12-2.uv2的工程项目，最后建立源程序文件（S12-2.asm）。输入下面的程序：序号：1 ORG0000H2 LJMPMAIN 3 ORG030H4MAIN: MOVTMOD,#60H5 MOVTH1,#0F6H6 MOVTL1,#0F6H7 MOVIE,#00H8 SETBTR19 MOVP1,#00H10 ACALLDEL11 LOOP: JBCTF1,LOOP112 AJMPLOOP13 LOOP1: INCA14 MOVP1,A15 ACALLDEL16 AJMPLOOP17 DEL: MOVR7,#014H18 DEL1: MOVR6,#0FFH19 DEL2:MOVR5,#01FH20 DEL3: DJNZR5,DEL321 DJNZR6,DEL222 DJNZR7,DEL123 RET24 END编译通过后，将S12-2文件夹中的hex文件烧录到89C51芯片中，将芯片插入到LED输出试验板上，接上5V稳压电源，这时P1口外接的8个LED均点亮（输出状态为00H）。将LED输出试验板配带的试验线一端插到标示有“0”电平的排针上，另一端去触碰标示为P3.5（T1）的排针，可发现，每触碰10次后，P1口按二进制加1（→01H→02H…）。有些读者可能会发现，触碰不到10次，P1口也按二进制加1。其实这是由于触碰时的抖动效应，可能一下输入了好几个脉冲。这丝毫也不影响我们对程序的理解。12.6.3程序分析解释 序号1：程序开始。序号2：跳转到MAIN主程序处。序号3：主程序MAIN从地址0030H开始。序号4：置T1为方式2。序号5、6：载入定时初值。序号7：禁止中断。序号8：启动定时器T1。序号9：点亮P1口的LED。序号10：调用延时子程序，使于观察LED点亮状态。序号11、12：查询T1的溢出标志TF1。TF1=0定时未到，转LOOP继续查询；TF1=1定时到，转LOOP1。序号13：累加器加1。序号14：累加器内容送P1口显示。序号15：调用延时子程序，使于观察LED点亮状态。序号16：跳转到LOOP处重复循环。序号17~23：延时子程序。序号24：程序结束。12.7使用定时器T1以方式1定时实验，使P1.0端每隔1分钟取反一次12.7.1实现方法LED输出试验板使用11.0592MHz晶振，可近似认为其为12MHz，这样一个机器周期为1μS。在方式1最大定时时间=65536x12/（12x106）=65536μS=65.536mS，显然离1分钟还差十万八千里。这里我们将T1设定为定时50mS，另设两个软件计数器，采用30H、31H两个单元进行秒、分计数。30H内置常数20，31H内置常数60，这样50mSx20x60=60000mS=60S=1分钟。1.T1为方式1，则M1M0=01H。使用定时功能，C/T=0。GATE=0。T0不用，其有关位设为0。这样，TMOD=10H。2.方式1为16位长度计数结构，计数初值为：（216-X）x1x10-6=50x10-3，X=65536-50000=15536D=3CB0H，即TH1=3CH，TL1=0B0H。3.由控制寄存器TCON中的TR1位来控制定时的启动和停止，TR1=1启动，TR1=0停止。12.7.2源程序文件在我的文档中建立一个文件目录（S12-3），然后建立一个S12-3.uv2的工程项目，最后建立源程序文件（S12-3.asm）。输入下面的程序：序号：1