单片机应用技术课件：定时器 计数器应用

任务１延时控制任务２脉宽调制调速任务３计数测量知识点◎定时器/计数器的工作原理；◎定时器/计数器中断相关寄存器的设置；◎T0、T1在不同方式下定时的初始值计算；◎定时器/计数器中断服务程序的执行过程。技能点◎能编写定时器/计数器中断的初始化程序；◎能编写定时器/计数器中断的服务程序；◎能将定时器/计数器用于实现定时。任务１延时控制在机电控制系统中，经常需要对时间进行精确控制。单片机系统常采用定时中断来实现精确定时，并可极大地提高工作效率。本任务是要使用AT89S51单片机实现阀门的延时关闭，具体控制要求为：按下按键后打开阀门并开始计时，定时3s，时间到后再关闭阀门。任务提出根据任务目标，以单片机为控制核心并负责延时任务，按键作为系统输入，阀门及其驱动电路作为系统输出部分，整个系统的结构框图如图所示。任务分析阀门延时控制系统框图系统的结构非常简单，但本任务功能的关键是要实现精确定时3s。要完成3s的定时，可以采用循环指令延时的方式，但在这种方案中，单片机在定时期间，不能进行其他操作，利用率极低；也可以采用依靠执行其他任务来达到延时的方式，但这种方案中，执行任务的耗时与期望定时的时间不尽相同，因此不能实现精确定时。为了解决精确定时与执行其他任务之间的矛盾，常采用单片机“定时器/计数器”定时中断的方式来实现精确定时。采用定时中断时，定时的任务是由定时器硬件单独完成的，而单片机就可以正常地执行其他程序，只有当定时时间到了，才中断正在执行的程序，转去执行中断服务程序，中断服务程序执行完成后，自动回到断点，继续执行被中断的程序。一、定时器/计数器简介在8051系列单片机中有两个可编程的定时器/计数器，分别叫T0和T1。在8052系列单片机中，除了上述两个定时器/计数器外，还有一个定时器/计数器T2，它的功能更强大一些。它们既可以编程作为定时模式，也可以编程作为计数器使用。T2和T1还可以作为串口的波特率发生器。相关知识定时器/计数器实质上就是一个加1计数器，而且定时器也是以计数方式工作，只是它对固定频率的脉冲计数，由于脉冲周期固定，因此由计数值可以计算出定时时间。当定时器/计数器工作于定时器方式时，它对具有固定时间间隔的内部机器周期进行计数，每个机器周期使寄存器的值加1。定时器/计数器的工作方式是由特殊功能寄存器TMOD控制的。定时器/计数器与TMOD和TCON的工作关系如图所示，图中TMOD控制定时器/计数器的工作方式，TCON控制定时器/计数器的启动、停止，当计数溢出时，启动中断。通过TMOD和TCON两个寄存器的设置，实现其对定时器/计数器的控制。图中以T0为例，T1与T0的工作控制方式相同。定时器/计数器的工作关系图二、定时器/计数器的模式控制寄存器TMOD模式控制寄存器TMOD是对定时器T0和定时器T1的计数方式和计数器控制方式进行设置的寄存器，低4位用于T0，高4位用于T1。TMOD位于内部特殊寄存器区的89H单元，TMOD寄存器的8位控制功能如下所示：1．GATE：定时器动作开关控制位，也称门控位2．

定时器/计数器模式选择位3．M1、M0：定时工作方式选择位三、定时器/计数器的工作方式1．方式0定时器/计数器工作方式0的结构图2．方式1定时器/计数器工作方式1的结构图其3．方式2定时器/计数器工作方式2的结构图4．方式3定时器/计数器T0工作方式3的结构图四、定时器/计数器中断的实现过程在外部中断模块中已介绍过中断控制寄存器TCON，TCON的低4位用于外部中断控制，而TCON的高4位则用于定时器/计数器的启动和中断申请，TCON位于内部特殊功能寄存器区的88H单元，高四位的功能如下所示：为了说明定时器/计数器中断时各寄存器的设置和工作过程，图给出了定时器/计数器T0中断设置和工作示意图。定时器/计数器中断设置和工作示意图五、定时器/计数器的初始化设置定时器/计数器的初始化是非常重要的，初始化编程格式如下所示：TMOD=方式字；

//选择定时器的工作方式THx=高八位初始值；//装入Tx时间常数，x为0或1TLx=低八位初始值；ETx=1；

//开Tx中断EA=1；

//总中断允许，如果有其他中断，可共用本条指令TRx=1；

//启动Tx定时器六、定时器/计数器中断服务程序的编写在对定时器/计数器初始化设置好后，当达到定时时间或计数次数时，CPU会执行定时器/计数器的中断服务程序。因此在编写中断服务程序时，应该完成此时相应的操作处理，根据不同的任务，具体的操作处理也不相同，但通常情况下需要重置定时器/计数器的初值（工作方式2除外），以完成下一轮定时或计数的任务。一、硬件设计本任务主要实现阀门的延时关闭，单片机检测按键输入信号，当按下按键时打开阀门并开始计时，定时3s，时间到后再关闭阀门。故系统硬件电路由单片机最小系统、按键、阀门及其驱动电路组成。在本任务中选择AT89S51单片机芯片为系统控制芯片，其参数选择原则见相关说明，选择系统晶振频率为12MHz。任务实施本任务中单片机应用系统的硬件电路如图所示。延时控制系统电路原理图二、软件设计根据任务分析和硬件电路原理，采用外部中断的方式检测按键，定时中断的任务是实现3s定时，因此主程序只需要完成对外部中断和定时中断的初始化设置，主程序的流程图如图a所示。当检测到按键按下时，进入外部中断0的服务程序，此时，单片机输出信号，控制开启阀门和点亮LED指示灯，并且启动定时器定时。外部中断0的服务程序框图如图b所示。延时控制程序框图a）主程序流程图

b）外部中断0服务程序流程图c）定时中断0服务程序流程图三、Proteus仿真参照前面任务介绍的方法和步骤进行Proteus仿真。注意：在Proteus中，RTE24005F元件是一个绕组工作电压为5V的电磁继电器模型。继电器控制的对象是220V交流电驱动的电灯，用以替代阀门。在仿真时，当按下启动按键后，电灯和LED指示灯点亮，保持3s后，自动关闭，实现了任务要求。如图所示是延时控制仿真效果图。延时控制仿真效果图任务2

脉宽调制调速知识点◎脉宽调制的基本原理；◎脉宽调制的用途和实现方法。技能点◎能熟练编写定时器/计数器中断的初始化程序；◎能熟练编写定时器/计数器中断的服务程序；◎能使用PWM控制外部设备。在机电控制系统中，广泛采用脉宽调制技术来驱动各类模拟器件，如电动机调速、照明调光等。要实现脉宽调制除了可采用专用的集成电路外，还可以采用程序控制单片机定时器及通用IO端口来实现。任务提出本任务是使用AT89S51单片机通过脉宽调制技术控制直流电动机的转速。具体控制要求如下：1．用按键调节驱动直流电动机的脉冲宽度，以改变直流电动机的转速；2．电动机从静止到全速运行分为11个挡位（0~10挡）。直流电动机是一个模拟元件，而单片机的输出是数字信号。要实现单片机对直流电动机转速的控制，可以采用数/模转换电路进行D/A转换；也可以采用无须进行数/模转换的脉宽调制方式实现。根据任务目标，以单片机为控制核心并负责脉宽调制任务，按键作为系统输入，改变单片机输出脉冲的宽度实现对直流电动机速度的调节。任务分析脉宽调制的输出就是不同宽度的脉冲，也就是单片机改变输出的高低电平的时间。单片机的引脚负载能力极弱，需要功率驱动电路对单片机的输出信号进行放大后，再驱动直流电动机。整个系统的硬件结构框图如图所示。脉宽调制调速系统框图一、脉宽调制的基本原理脉冲宽度调制（PulseWidthModulation），简称脉宽调制（PWM），是利用数字信号输出对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。这种技术广泛应用于功率控制、测量和通信等领域。脉宽调制就是输出一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变输出电压的大小，也可改变输出频率，这就是PWM控制技术。相关知识PWM的优点之一是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无须进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是会将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。二、定时器在脉宽调制中的应用在单片机应用系统中要实现PWM控制，需要依靠定时器来实现。具体的实现方式可以利用定时器定时一个单位时间，每隔单位时间在定时中断服务程序中去判断是否已达到电平需要保持的时间，从而输出对应的高低电平，实现脉宽调制。另一种实现方式是根据高低电平需要保持的时间来确定定时器定时的时间，并在定时中断服务程序中将电平取反输出，两种方法实现的方式不同，但实际效果是一致的。一、硬件设计本任务主要用脉宽调制的方式实现用按键控制直流电动机的转速，电动机从静止到全速运行分为多个挡位。整个系统硬件电路由单片机最小系统、按键、直流电动机及其驱动电路组成。在本任务中选择AT89S51单片机芯片为系统控制芯片，其参数选择原则见相关说明，选择系统晶振频率为12MHz。任务实施单片机输出控制信号不能直接驱动电动机，需要外接H桥电路等驱动直流电动机。为了简化电动机驱动电路，在本任务中选择3V直流电动机，且采用分立元件构成的H桥电路。在实际应用系统中可采用如L298等H桥集成电路，也可以根据需要采用由功率MOS管构成的H桥电路，来驱动高电压、大电流的直流电动机。根据硬件电路和元器件的选择，本任务中单片机实现脉冲宽度调速的硬件电路如图所示。脉宽调制调速电路原理图二、软件设计本任务主要实现脉宽调制调速，采用外部中断的方式检测换挡按键，定时中断的方式用固定定时和软件计数实现脉宽控制，因此主程序只需要完成对外部中断和定时中断的初始化设置，主程序的流程图如图所示。脉宽调制调速程序框图a）主程序流程图

b）外部中断0服务程序流程图c）定时中断0服务程序流程图三、Proteus仿真1.打开ProteusISIS软件，绘制Proteus仿真电路，如图所示。仔细检查，保证线路连接无误。2.在Keil软件开发环境下，创建项目，编辑源程序，编译生成HEX文件，并装载到Proteus虚拟仿真硬件电路中AT89C51芯片中。3.运行ProteusISIS软件，仔细观察运行结果，如果有不完全符合设计要求的情况，调整源程序并重复步骤1、2，直至完全符合本项目提出的各项设计要求。脉宽调制调速仿真电路图任务３计数测量知识点◎光电传感器、磁电传感器的测量原理；◎计数值的设定方法。技能点◎能熟练编写定时器/计数器中断的初始化程序和服务程序；◎能利用定时器/计数器编程实现计数。在机电控制系统中，经常需要对脉冲信号进行检测和计数，如对电动机转速或机械行程进行测量、对产品数量进行计数等。本任务是使用AT89S51单片机实现对产品的计数、显示及装箱控制，具体控制要求为：1．用按键设定每箱的计件数量并显示；2．对产品数量进行计数并显示；3．当计件数达到设定值时操作装箱。任务提出用单片机实现对脉冲计数，可以利用外部中断对脉冲进行软件计数，也可以利用单片机的定时器/计数器对脉冲进行硬件计数。本任务选用单片机的定时器/计数器对产品计数，当计数值达到按键所设定计件数量时，进行装箱操作处理，并将计数值重置，开始再次重新计数。在开始计件数之前，首先需要对每箱的计件数量使用按键进行设定，在设定计件数量和计件状态时，都需要将对应的数据显示出来。任务分析根据任务目标，以单片机为控制核心并负责计件任务，传感器及其产生的计数脉冲与按键作为系统输入部分，数码显示电路与装箱操作的驱动电路作为系统输出部分，整个系统的结构框图如图所示。计件装箱系统框图一、光电传感器、磁电传感器测量原理计数脉冲的获取可以采用光电检测传感器、霍尔器件等方式。在产品传送带的两侧可安装一个红外发光二极管和一个红外传感器。传送带上的产品会阻隔发光二极管发出的光线，因此另一边的传感器就接收到有无光的信号，经过整形放大形成电脉冲，实现光电检测。相关知识霍尔传感器的磁场由磁钢提供，所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。在霍尔传感器检测转速的应用中，在非磁材料的圆盘边上粘贴一块磁钢，将霍尔传感器固定在圆盘外缘附近。圆盘每转动一圈，霍尔传感器便输出一个脉冲。通过单片机测量产生脉冲的频率就可以得出圆盘的转速。霍尔传感器具有体积小、响应速度快的特点，适合应用在高转速场合。二、计数值设定方法当定时器/计数器工作在计数状态时，对来自P3.4或P3.5引脚输入的脉冲信号进行计数。若单片机的工作频率fOSC＝12MHz，工作在计数状态下的T0，最大计数值为fOSC/24，因此T0能计数的脉冲最大计数频率为12MHz/24=500kHz。对于频率大于此值的脉冲，需要在计数前面加上分频器，分频后再进行计数。本任务中要求对传送带上的产品计数，其脉冲频率远小于500kHz，所以无须分频。若应用中需要得到脉冲的计数值，可将定时器/计数器的初始值赋为0。同时，由于定时器/计数器的最大计数值为65536，若需要计数的值很大，完全有可能产生溢出，对此，采用与定时3s类似的方法，使用软件来记录计数器有几次溢出。若溢出了A次，最后一次的计数值为B，则脉冲的计数值为：count=A×65536+B若应用中需要对一个已知计数次数的脉冲计数，则可将定时器/计数器的初始值设定为这个已知计数次数，例如计数2000次的计数器初始值设为：TH0=（65536-2000）/256；TL0=（65536-2000）%256；一、硬件设计本任务主要用单片机的定时器/计数器对产品计数，当计数值达到按键所设定的计件数量时，进行装箱操作处理，按键对每箱的计件数量进行设定，将对应的数据显示出来。故整个系统硬件电路由单片机最小系统、功能按键、传感器检测及脉冲输出电路、显示电路和装箱操作驱动电路组成。任务实施在本任务中选择AT89S51单片机芯片为系统控制芯片，其参数选择原则见相关说明，选择系统晶振频率为12MHz。1．输入部分系统控制按键设有两个，一个作为每箱的计件数量设定按键，每按下一次按键，计件数加1，长按一定时间则清零。另一个按键作为启动按键，使系统切换到运行状态，开始计件。2．输出部分显示模块可以采用数码管、液晶等多种显示形式和电路，在本任务中采用共阳数码管动态显示电路，其显示原理及驱动程序原理在中已详细介绍。计件装箱系统电路原理图二、软件设计本任务主要实现计件装箱操作，根据任务分析和硬件电路原理，在系统的软件设计上，分为两个状态：第一个是设置状态。第二个是运行状态。本系统用到了两个外部中断和两个定时器/计数器，因此主程序还需要完成对外部中断和定时中断的初始化设置，主程序的流程图如图所示。主程序流程图连接至P3.2的按键功能是设置每箱的产品数量。连接至P3.3的按键功能是启动运行。进入运行状态后的动态显示是利用定时中断完成的，每500μs时间到就会进入定时中断