《单片机技术及 仿真与应用》-7

７.１定时／计数器的结构和工作原理本７.１.１定时／计数器的结构定时／计数器的实质是１６位加１计数器，当计数值满、产生溢出时，产生定时或计数中断，进入中断服务程序。每个定时／计数器的计数数值由两个８位寄存器，分成高８位和低８位进行存储。定时／计数器Ｔ０的计数值，由ＴＨ０和ＴＬ０两个寄存器存储；定时／计数器Ｔ１的计数值，由ＴＨ１和ＴＬ１两个寄存器存储。５１单片机定时／计数器的结构框图如图７.１所示。ＴＭＯＤ是定时／计数器的工作方式寄存器，由它确定定时／计数器的工作方式和功能；ＴＣＯＮ是定时／计数器的控制寄存器，用于控制Ｔ０、Ｔ１的启动和停止以及设置溢出标志。下一页返回７.１定时／计数器的结构和工作原理本７.１.２定时／计数器的工作原理当定时／计数器每计一个数对应的是一个固定时间时，其完成的是定时功能，计数产生的数值可以换算成对应的时间；当定时／计数器每计一个数对应的是一个外部脉冲时间，完成的是计数功能，统计的数据就是外部脉冲次数。因此，定时／计数器的计数输入脉冲有两个来源：一个是定时脉冲，通过对５１单片机内振荡器的输出脉冲１２分频得到，即每个机器周期使定时器（Ｔ０或Ｔ１）的数值加１；另一个是计数脉冲，通过Ｔ０或Ｔ１引脚产生的下降沿得到。上一页下一页返回７.１定时／计数器的结构和工作原理本当５１单片机为计数工作模式时，通过引脚Ｔ０（Ｐ３.４）和Ｔ１（Ｐ３.５）对外部脉冲信号计数。当输入脉冲信号产生由１至０的下降沿时，计数器的值加１。在每个机器周期的Ｓ５Ｐ２期间采样Ｔ０和Ｔ１引脚的输入电平，若前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，新的数值装入计数器。所以，检测一个１至０的跳变需要两个机器周期，故最高计数频率为振荡频率的１／２４。不管是定时还是计数工作模式，定时器Ｔ０或Ｔ１在对内部时钟或对外部事件计数时，不占用ＣＰＵ时间，除非定时／计数器溢出，才可能中断ＣＰＵ当前操作。因此，定时器是单片机中效率高而且工作灵活的部件。上一页返回７.２定时／计数器的工作方式寄存器和控制寄存器７.２.１工作方式寄存器ＴＭＯＤ工作方式寄存器ＴＭＯＤ（Ｔｉｍｅｒ／ＣｏｕｎｔｅｒＭｏｄｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ），用于设置Ｔ０和Ｔ１的工作方式，其中低４位用于设置Ｔ０，高４位用于设置Ｔ１，字节地址为８９Ｈ，不能按位寻址，定义格式如表７.１所示。ＴＭＯＤ各位分别介绍如下：（１）Ｃ／Ｔ：定时／计数器的功能选择位。（２）Ｍ１Ｍ０：定时／计数器四种工作方式的设置位，如表７.２所示。（３）ＧＡＴＥ：门控位。下一页返回７.２定时／计数器的工作方式寄存器和控制寄存器７.２.２控制寄存器ＴＣＯＮＴＣＯＮ的低４位用于控制外部中断，已在前面介绍。ＴＣＯＮ的高４位用于控制定时／计数器的启动和设置中断标志位，其格式如表７.３所示。前面已介绍过ＴＣＯＮ除可以字节寻址外，还可以位寻址，字节地址为８８Ｈ。上一页返回７.３定时／计数器的４种工作方式及应用Ｔ０或Ｔ１可以通过ＴＭＯＤ中的Ｃ／Ｔ位设置成定时或计数功能；通过Ｍ１Ｍ０位，可以将Ｔ０或Ｔ１设置成４种工作方式。Ｔ０有４种工作方式，Ｔ１有３种工作方式，见表７.２。前３种工作方式，Ｔ０和Ｔ１除所使用的寄存器对应二进制位不同外，其余操作和含义完全相同。７.３.１方式０的工作原理及应用当ＴＭＯＤ的Ｍ１Ｍ０位设置为００时，Ｔ０或Ｔ１就工作在方式０，方式０的结构图见图７.３。以Ｔ０为例介绍方式０的工作情况。当Ｔ０工作在方式０时，其计数值由ＴＬ０的低５位和ＴＨ０的８位，共１３位组成，ＴＬ０的高３位未用。当ＴＨ０的最高位溢出时，即Ｔ０的１３位计数值满溢出时，硬件自动将ＴＣＯＮ的ＴＦ０位置１，向ＣＰＵ发出中断请求。下一页返回７.３定时／计数器的４种工作方式及应用当Ｔ０工作在定时模式时，每计数加１，就消耗１个机器周期时间，Ｔ０最多能计２１３＝８１９２个数，就对应消耗８１９２个机器周期时间。定时时间ｔ对应的计数数值Ｎ为：７.３.２方式１的工作原理及应用当ＴＭＯＤ的Ｍ１Ｍ０位设置为０１时，相应的Ｔ０或Ｔ１工作在方式１，方式１的结构图见图７.４。方式１与方式０的差别仅在于计数位数的不同，方式１为１６位计数器。Ｔ０由高８位ＴＬ０和低８位ＴＨ０组成；Ｔ１由高８位ＴＨ１和低８位ＴＬ１组成。上一页下一页返回７.３定时／计数器的４种工作方式及应用的计数值Ｎ与式（７－１）计算相同；但其设置的初值变为２１６去减Ｎ，如式（７－４）。当定时程序使用查询方式实现时，注意：（１）ＣＰＵ要不停检测标志位ＴＦ，当检测到ＴＦ为１时，ＣＰＵ转去处理定时情况，因此ＣＰＵ工作效率不高。（２）ＣＰＵ不是通过中断程序处理定时情况时，ＴＦ标志位由软件清０而不是由硬件自动清０。上一页下一页返回７.３定时／计数器的４种工作方式及应用２.程序流程图例７.３的程序流程图如图７.７所示。当定时程序使用中断方式实现时，注意：（１）程序初始化时，将中断允许位总位和相应子位设置为１，开放中断。（２）当中断条件满足时，ＣＰＵ自动从主程序转到中断程序入口处执行，不需要查询标志位ＴＦ。（３）当ＣＰＵ从中断程序退出时，硬件自动将ＴＦ０清０，不需要软件干预，而查询实现时需要软件清０。７.３.３方式２的工作原理及应用上一页下一页返回７.３定时／计数器的４种工作方式及应用当ＴＭＯＤ的Ｍ１Ｍ０位设置为１０时，Ｔ０或Ｔ１工作在方式２。在方式２中，Ｔ０或Ｔ１是一个可自动重载的８位定时／计数器，方式２的结构图见图７.８。在程序初始化时，ＴＬ０和ＴＨ０被赋相同初值。定时器启动后，由ＴＬ０负责计数，当计数溢出时，除中断标志位ＴＦ０被置１，ＴＨ０中的数值还被自动重新装载到ＴＬ０，继续循环计数。在这种情况下，程序中减少了重新设置定时数值的语句，产生精确的定时时间，特别适合于脉冲信号发生器，如串行口波特率的发生器，串行通信技术细节见第８章。上一页下一页返回７.３定时／计数器的４种工作方式及应用７.３.４方式３的工作原理及应用当ＴＭＯＤ最低两位的Ｍ１Ｍ０位设置为１１时，Ｔ０工作在方式３，Ｔ０工作在方式３的结构图如图７.９所示。Ｔ１无方式３，若将Ｔ１设置为方式３，Ｔ１就会立即停止计数，同时保持原有计数值。在方式３中，Ｔ０被拆成２个８位的独立计数器ＴＬ０和ＴＨ０。ＴＬ０沿用原Ｔ０的各控制位、引脚和中断源，即原Ｔ０的ＧＡＴＥ、Ｃ／Ｔ、ＴＲ０启动位、ＴＦ０中断标志位、Ｔ０引脚Ｐ３.４和外部中断引脚ＩＮＴ０（Ｐ３.２）。ＴＬ０计数溢出时，ＴＦ０自动由硬件置１，向ＣＰＵ发出请求。ＴＬ０可以当作８位的定时器或计数器使用，与Ｔ０的方式０、方式１的区别仅在于它是８位的计数器。上一页下一页返回７.３定时／计数器的４种工作方式及应用ＴＨ０沿用了原Ｔ１的ＴＲ１启动位和ＴＦ１中断标志位，启动／关闭ＴＨ０仅通过ＴＲ１控制，外部中断引脚ＩＮＴ０和ＩＮＴ１不会对ＴＨ０的启动／关闭产生任何影响。从图７.９中可以看出，ＴＨ０只能当作８位定时器使用，而不能进行外部计数。当Ｔ０工作在方式３时，Ｔ１也会有计数溢出，但因ＴＦ１被ＴＨ０占用，所以Ｔ１无法向ＣＰＵ提出中断请求。所以，当Ｔ０工作在方式３时，Ｔ１计数溢出情况只能用于不需要中断的场合，如串行通信波特率发生器。当Ｔ１用作串行通信波特率发生器时，Ｔ１被设置成计数初值自动重载的方式２，Ｔ１的溢出情况不需要中断处理，只需要提供溢出率，将溢出率进行１６分频或３２分频后作为串行发送或接收的移位脉冲，此移位脉冲的速率即波特率。上一页下一页返回７.３定时／计数器的４种工作方式及应用２.电路图电路图如图７.１１所示。Ｃ语言参考程序如下：７.３.５定时／计数器的外部中断扩展及示例定时器是单片机中效率高而且工作灵活的部件，可以实现如下功能：（１）较短定时和较长定时。如例７.２方波发生器定时５０ｍｓ的情况，为较短定时，１次定时中断即可完成；例７.３定时１ｓ的情况，为较长定时，需要中断２０次才完成定时时间。上一页下一页返回７.３定时／计数器的４种工作方式及应用（２）计数。如例７.４，流水线上的计数打包信号。（３）用于外部中断扩展，如例７.６。２.电路图电路图如图７.１２所示：上一页返回７.４综合实验———设计一个带蜂鸣器的６０秒计时器７.４.１蜂鸣器的工作原理蜂鸣器是微处理电路中常用的一种发声装置，类似一种小型喇叭。蜂鸣器的声音是通过蜂鸣器里的弹簧片振动而产生，蜂鸣器类似一块电磁铁，电流流过时产生激磁现象，蜂鸣器里的弹簧片被吸住；电流消失时，弹簧片被放开，弹簧片由此振动而产生声音。根据振动频率情况，蜂鸣器一般有电压型与脉冲型两类，电压型蜂鸣器通电就能发声，其频率固定。脉冲型蜂鸣器必须加入脉冲才会发声，其声音频率就是加入脉冲的频率，本书使用的是脉冲型蜂鸣器。７.４.２６０秒计时器设计实验一、实验目的（１）掌握蜂鸣器发声原理。（２）掌握单片机定时器与数码管综合使用的方法。下一页返回７.４综合实验———设计一个带蜂鸣器的６０秒计时器二、实验要求假设单片机的晶振频率为１２ＭＨｚ。设计一个６０秒计时器，初始数码管从“００”开始显示，每隔１ｓ增加１，显示到“５９”后，再从“００”显示；蜂鸣器每隔１０ｓ，发出频率为０.５ｋＨｚ的“哔、哔”两声。Ｐ２是数码管的段选线，Ｐ１.０和Ｐ１.１是数码管的位选线，Ｐ１.０为个位的扫描信号，Ｐ１.１为十位的扫描信号。Ｐ０.０控制蜂鸣器每隔１０ｓ发出“哔、哔”两声。三、电路图电路图如图７.１３所示。四、设计流程上一页下一页返回７.４综合实验———设计一个带蜂鸣器的６０秒计时器１.思路与计算用Ｔ０定时，每秒数码管加１，使用方式１，计数值Ｎ＝５００００（即５０ｍｓ），中断２０次为１ｓ。２.程序流程６０秒定时器的程序流程图如图７.１４所示。五、程序设计上一页返回图７.１定时／计数器的结构框图返回图７.２对输入脉冲宽度的要求返回表７.１工作方式寄存器ＴＭＯＤ返回表７.２Ｍ１Ｍ０设置的４种工作方式返回图７.３Ｔ０（或Ｔ１）工作方式０结构图———１３位计数器返回表７.３定时／计数器控制寄存器ＴＣＯＮ的高４位（字节地址为８８Ｈ）返回图７.４Ｔ０（或Ｔ１）工作方式１结构图———１６位计数器返回图７.