《单片机原理及应用》-项目五 定时计数器项目设计

5.1项目概述MCS-51单片机内部设有两个16位的可编程定时/计数器。其功能(如工作方式、定时时间、量程、启动方式等)均可由指令来确定和改变。在定时/计数器中除了有两个16位的计数器之外，还有两个特殊功能寄存器(控制寄存器和方式寄存器)。本项目的任务是利用三色发光二极管实现节日彩灯的控制，将8个发光二极管连接到P1口，每间隔1s改变P1口的输出以控制发光二极管的亮灭。由于受到定时器位数的限制，仅靠单个定时器无法完成1s的定时，项目中还需要结合循环程序才能实现项目的要求。返回5.2项目要求本项目的要求如下:(1)利用定时器T0在晶振6MHz的条件下实现100ms的定时。(2)单片机的P1口与8个三色发光二极管相连，三种颜色灯的排列顺序为:绿一红一黄一绿一红一黄一绿一红。(3)编写循环10次的程序，每100ms循环1次。(4)实现P1口的三个状态值的轮流变换。返回5.3项目目的本项目的目的是令读者了解单片机的定时/计数器的工作原理，在项目设计过程中掌握定时常数的计算方法，利用中断的工作过程，完成单片机的内部结构，MCS-51CPU芯片的引脚，加深对地址总线、数据总线和控制总线的认识，熟悉伟福6000和Protues软件的使用方法。返回5.4项目支撑知识5.4.1项目开发背景知识1定时/计数器原理及工作模式1.定时/计数器的结构及工作原理在单片机控制的电力拖动系统中，控制的对象为电动机，为了实现闭环控制，就需要定时地对转速进行采样。若采用光电脉冲发生器作为检测元件，则先应对每个采样周期中光电脉冲发生器发出的脉冲进行计数，然后再通过实时计算求得对应的转速。定时/计数器可以完成上述定时、产品计数等各种任务，因此它是单片机中非常重要的部件。上一下一页返回5.4项目支撑知识MCS-51单片机中微处理器、特殊功能寄存器TCON和TMOD与定时/计数器T0,T1之间的关系如图5.1所示，它反映了定时/计数器在单片机中的位置和总体结构。MCS-51单片机内部有两个16位的定时/计数器T0和T1。每个定时/计数器占用两个特殊功能寄存器:T0由TH0和TL0两个8位计数器组成，字节地址分别是8CH和8AH。T1由TH1和TL1两个8位计数器组成，字节地址分别是8DH和8BH，用于设置定时或计数的初值。在两个特殊功能寄存器TMOD和TCON的控制下，T0和T1可分别被确定为定时器工作或计数工作状态;而T0有4种工作模式，T1有3种工作模式。它们都有中断中请的功能，成为单片机的两个内部中断源。上一页下一页返回5.4项目支撑知识MCS-51单片机的定时/计数器的逻辑结构如图5.2所示。对任一个定时/计数器而言，它的核心是1个加1计数器，它的输入脉冲有两个来源:一个是外部脉冲源(Tx端)，另一个是系统机器周期(时钟振荡器经12分频以后的脉冲信号正好是一个机器周期)。它的工作状态的选择由特殊功能寄存器TMOD的C/T位来决定，当C/T=0为定时状态，当T=1为计数状态。16位的加1计数器由两个8位的特殊功能寄存器THx或TLx组成(x=0,1),它们可通过编程组合为不同的方式(13位、16位、两个分开的8位等)，从而形成定时/计数器不同的4种工作模式，而这要由工作模式控制寄存器TMOD的相应位决定。上一页下一页返回5.4项目支撑知识就像说1个小时后闹铃响也可以说是秒针走了3600次后闹铃响一样，只要计数脉冲的间隔相等，则计数值就代表了时间。单片机中定时器和计数器实质是一回事，只不过计数器是记录外界发生的事情，而定时器则是由单片机提供一个非常稳定的计数源。提供给定时器的计数源就是由单片机的晶振经过12分频后获得的一个脉冲源，即所说的一个机器周期。因此可以说当定时/计数器处于定时状态时也就是加1计数器在每个机器周期加1。并且计数脉冲的间隔与晶振有关。例如一个12MHz的晶振，它提供给计数器的脉冲时间间隔就是12MHz/12等于1MHz，也就是1μs上一页下一页返回5.4项目支撑知识每当计数器计数满时，称为溢出。16位计数器的容量也就是最大的计数值是65536，因此计数计到65536就会产生溢出。而计数器溢出后将使得计数器溢出标志位TFx位置1，产生定时/计数器溢出中断。MCS-51单片机的定时/计数器用的是加1计数器，加法计数器是计满溢出时才中请中断，所以在给计数器赋计数脉冲初值时，不能直接输入所需的计数值，而应输入的是计数器计数的最大值与这一计数值的差值。设计数器计数的最大值(满计数值)为M，计数值为N，计数初值为X，则X的计算方法如下式所示:计数状态:X=M-N定时状态:X=M-定时时间/T上一页下一页返回5.4项目支撑知识式中，T=12/fosc,fosc为单片机晶振频率;M=2n,n为计数器的位数，因此，上式也可写为X=2n-定时时间/(12/fosc)2.定时/计数器的模式寄存器和控制寄存器MCS-51单片机中TMOD用于设置定时器的工作模式;TCON用于控制定时器T0,Tl的启动与停止，并包含了定时器的状态。1)定时/计数器工作模式寄存器TMOD定时/计数器工作模式寄存器TMOD是一个8位特殊功能寄存器，地址为89H，不可位寻址。TMOD用于选择定时/计数器的工作模式，它的高4位控制定时/计数器T1，低4位控制定时/计数器T0oTMOD中各位的定义如下:上一页下一页返回5.4项目支撑知识其中：C/T:定时/计数器功能器功能选择位。当C/T=1时为外部计数方式，即对外部引脚的外部输入脉冲计数。外部引脚上外部输入的每一个脉冲的负跳变使计数值加1，由于外输入脉冲的每个高、低电平持续时间都应大于一个机器周期，因此最小的计数周期为两个机器周期。例如，若单片机晶振频率为12MHz，则外部计数脉冲的最高频率只能为500kHz当C/T=0时为内部定时方式，每一个机器周期使定时/计数器的计数值加1.上一页下一页返回5.4项目支撑知识M1M0:定时/计数器工作模式定义位，其具体定义方式如表5.1所示。GATE:门控制位，用于控制定时/计数器的启动是否受外部中断源信号的影响。GATE=0时，与外部中断无关，由TCON寄存器中的TRx(x=0或1)位控制启动。GATE=1时，由控制位TRx和引脚INTx共同控制启动，也即外部引脚参与启动或停止定时/计数器，只有该引脚和TRx都是高电平(即外部中断引脚INTx=1和TRx=1)时才能启动定时/计数器，允许计数。利用这一点可以用来测量外部中断的输入脉冲宽度。上一页下一页返回5.4项目支撑知识2)定时/计数器控制寄存器TCON定时/计数器控制寄存器TCON是一个8位特殊功能寄存器，地址为88H,可以位寻址。TCON控制寄存器各位的定义如下:其中:TF0(TF1):为T0(T1)定时器溢出中断标志位。当T0(T1)计数溢出时，由硬件置位，并在允许中断的情况下，发出中断请求信号。当CPU响应中断转向中断服务程序时，由硬件自动将该位清0o该标志位可由软件查询，也可用软件清0或置1o上一页下一页返回5.4项目支撑知识TR0(TR1):为T0(T1)运行控制位。当TR0(TR1)=1时，启动T0(T1);TR0(TR1)=0时，关闭T0(T1).该位由软件进行设置TCON的低4位与外部中断有关，可参阅中断系统一节的有关内容。TMOD和TCON寄存器在复位时都被清0。3.定时/计数器的工作模式MCS-51单片机的定时/计数器有4种工作模式，分别由TMOD寄存器中的M1、M0两位的二进制编码所决定。上一页下一页返回5.4项目支撑知识1)模式0令TMOD的两位模式控制位M1和M2都写入0，也即当M1M0=00时，定时/计数器设定为工作模式0。定时/计数器T0和T1的模式0都是相同的，以下仅以T0为例，其逻辑结构如图5.3所示。在此工作模式下，T0构成一个13位的计数器，由TH0的8位和TL0的低5位组成，TL0的高3位未用，满计数值为213oT0启动后立即加1计数，当TL0的低5位计数溢出时向THO进位，TH0计数溢出则对相应的溢出标志位TF0置位，以此作为定时器溢出中断标志。当单片机进入中断服务程序时，由内部硬件自动清除该标志。上一页下一页返回5.4项目支撑知识由图5.3知，当选择了定时或计数工作方式后，定时/计数脉冲却不一定能到达计数器端，中间还有一个控制开关，显然这个开关不合上，计数脉冲就没法过去。GATE=0时，分析一下逻辑，GATE非后是1，进入或门，或门总是输出1，和或门的另一个输入端INT0无关，在这种情况下，开关的打开、合上只取决于TR0，只要TR0是1，开关就合上，计数脉冲得以畅通无阻，而如果TR0等于0则开关打开，计数脉冲无法通过，因此定时/计数是否工作，只取决于TR0oGATE=1，在此种情况下，计数脉冲通路上的开关不仅要由TR0来控制，而且还要受到INT0引脚的控制，只有TR0为1，且INT0引脚也是高电平，开关才合上，计数脉冲才得以通过。上一页下一页返回5.4项目支撑知识2)模式1当M1M0=01时，定时/计数器设定为工作模式1。定时/计数器T0和T1的模式1都是相同的，以下仅以T0为例。在此工作模式下，T0构成16位定时/计数器，其中TH0作为高8位，TL0作为低8位，满计数值为216，其余同模式。类似。其逻辑结构如图5.4所示。3)模式2当M1M0=10时，定时/计数器工作在模式2，构成1个自动重装载的定时/计数器，满计数值为28。定时/计数器T0和T1的模式1都是相同的，仍以T0为例，在模式0和模式1中，当计数满后，若要进行下一次定时/计数，需用软件向TH0和TL0重新预置计数初值。上一页下一页返回5.4项目支撑知识在模式2中TH0和TL0被当作两个8位计数器，计数过程中，TH0寄存8位初值并保持不变，由TL0进行8位计数。计数溢出时，除产生溢出中断请求外，还自动将TH0中的初值重新装到TL0中去，即重装载。除此之外，模式2也同方式0类似。其逻辑结构如图5.5所示。如图5.5所示，每当计数溢出，就会打开T0的高、低8位之间的开关，预置数进入低8位。这个动作由硬件自动完成的，不需要由人工干预。通常这种工作模式用于波特率发生器(将在串行接口中讲解)，用于这种用途时，定时器就是为了提供一个时间基准。计数溢出后不需要做事情，要做的仅仅只有一件，就是重新装入预置数，再开始计数，而且中间不要任何延迟。上一页下一页返回5.4项目支撑知识4)模式3模式3只适用于定时/计数器T0。当定时/计数器T1处于模式3时相当于TR1=0，停止计数。这种工作模式之下，定时/计数器T0被拆成2个独立的定时/计数器来用。其中，TL0可以构成8位的定时器或计数器的工作方式，而TH0则只能作为定时器来用。其逻辑结构如图5.6所示。上一页下一页返回5.4项目支撑知识TL0占用了定时/计数器TO所使用的控制位(C/T,GATE,TR0,TF0，其功能和操作与模式0或模式1完全相同;TH0作定时器使用时，借用了定时/计数器T1的两个控制信号TR1和TF1作为通断控制和溢出标志，并同时占用定时/计数器1的中断入口。而定时/计数器T1此种情况下，就没有标志和控制信号供其自身使用了。一般情况下，当定时/计数器T1用作串行口的波特率发生器时，定时/计数器T0才工作在模式30当定时/计数器T0处于工作模式3时，定时/计数器T1可工作为模式0,1,2，但由于此时其已没有控制通断和溢出中断的功能，T1只能作为串行口的波特率发生器使用或不需要中断的场合。上一页下一页返回5.4项目支撑知识5.4.2项目开发背景知识2定时/计数器应用举例由于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确定工作模式，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允许定时器中断。④根据需要，置位EA使CPU开中断。⑤置位TRx启动计数。上一页下一页返回5.4项目支撑知识[例5.1]利用定时/计数器T0通过P1.0引脚输出周期为2ms的方波，没单片机晶振频率为6MHz。试确定计数初值、TMOD内容及编制相应程序。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。对于定时1ms来说，用定时器模式0(13位定时器)就可实现。上一页下一页返回5.4项目支撑知识①计算定时/计数初值:定时1ms的初值:因为机器周期=12÷6MHz=2μs所以1ms内T0需要计数N次:N=1ms÷2μs=500由此可知:使用模式0的13位计数器即可，T0的初值X为X=M-N=213-500=8192-500=7692=1E0CH=00011110000011008但是，因为是13位计数器中，故最高3位未用为0，13位二进制数中低5位送TL0，剩余的高8位送TH0，则T0的初值调整为TH0=0F0H,TL0=0CH上一页下一页返回5.4项目支撑知识②确定TMOD方式字:对于定时器T0来说，M1M0=00H,C/T=0,GATE=0。定时器T1不用，取为全0。于是TMOD=00000000B=00H③TCON初始化:启动TR0=1;IE初始化:开放中断EA=1，定时器T0中断允许ET0=1程序清单如下:上一页下一页返回5.4项目支撑知识上一页下一页返回5.4项目支撑知识若用查询方式产生所要求的方波。则所编程序和上面的很相似，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。，故需用指令使TF0复位为0。程序清单如下:上一页下一页返回5.4项目支撑知识已知某生产线的传送带上不断地有产品单向传送，产品之间有较大间隔。使用光电开关统计一定时间内的产品个数。假定红灯灭时停止统计，红灯亮时才在上次统计结果的基础上继续统计，试用单片机定时/计数器T1的模式1完成该项产品的计数任务。上一页下一页返回5.4项目支撑知识图5.7给出了完成产品计数任务的硬件简化电路图，为了消除单片机P3.5和P3.3两个引脚上外加信号前后沿抖动的现象，在两脚外部分别加了硬件消抖滤波电路，以提高计数可靠性。①初始化:TMOD=11010000B=0D0H(GATE=1，C/T=1,M1M0=01);TCON=00H(初始化时应暂时关闭T1，并且清除中断标志位TF1)o②T1在模式1时，溢出产生中断，且计数器回零，故在中断服务程序中，需用R0计数中断次数，以保护累积计数结果。③只有在初始化程序结束时才能启动T1计数，开T1中断。上一页下一页返回5.4项目支撑知识程序清单如下:上一页下一页返回5.4项目支撑知识上一页下一页返回5.4项目支撑知识注意:模式1与模式0基本相同，只是模式1改用了16位计数器。要求定时周期较长时，13位计数器不够用，可改用16位计数器。[例5.3]设单片机晶振频率为6MHz，定时/计数器T0工作于模式3,TL0和TH0作为两个独立的8位定时器，要求TL0使P1.产生200μs的方波，TH0使P1.1产生400μs的方波。当采用模式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=38H上一页下一页返回5.4项目支撑知识②确定TMOD模式字:对定时器T0来说，M1M0=11,C/T=0,GATE=0。定时器T1不用，取为全0。于是TMOD=00000011R=03H程序清单如下:上一页下一页返回5.4项目支撑知识上一页下一页返回5.4项目支撑知识注意:当采用模式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。而模式2是定时器自动重装载的操作方式，在模式2下，定时/计数器的工作过程与模式0、模式1基本相同，只不过在溢出的同时，将8位二进制初值自动重装载，即在中断服务子程序中，不需要编程送初值，这里不再举例。[例5.4]利用T1门控位测试INT0引脚上出现的正脉冲的宽度，并以机器周期数的形式显示在显示器上。根据要求可这样设计程序:将T1设定为模式1,GATE1设为1,置TR1为1。一旦INT0(P3.2)引脚上出现高电平即开始计数，直至出现低电平，停止计数，然后读取T1的计数值并显示。上一页下一页返回5.4项目支撑知识测试过程如图5.8所示。程序清单如下:上一页下一页返回5.4项目支撑知识上一页返回5.5项目实施5.5.1硬件设计在硬件设计之前，读者需要按照表5.2准备好本项目所需要的器件清单。本项目的硬件连线如图5.9所示。5.5.2软件设计软件程序设计前，读者必须先计算出定时器的基本参数:定时常数和工作模式寄存器TMOD的值。1)时间常数的计算设时间常数为X，利用公式(2N-X)×机器周期=定时时间下一页返回5.5项目实施要计算时间常数X,读者必须已知单片机晶振的工作频率、定时器工作方式(可以决定N的值)和欲定时的时间。在此项目中，利用定时器T0在晶振6MHz的条件下实现100ms的定时，只能使用工作方式1才能实现100ms的定时，工作方式1的计数器位数为16，即N=16(216-X)×2μs=100ms(6553