单片机定时器计数器

第6章AT89s51单片机的

定时器/计数器

内容概要

在工业检测与控制中，许多场合要用到计数或定时功能。

例如，对外部脉冲进行计数或产生精确的定时时间等。

片内两个可编程的定时器/计数器T1、TO,可满足这方面的

需要。本章介绍AT89s51单片机片内定时器/计数器的结构

与功能，两种工作模式和4种工作方式，以及与其相关的两

个特殊功能寄存器TMOD和TCON各位的定义及其编程，最

后介绍定时器/计数器的C51编程及应用实例。

2

6.1定时器/计数器的结构

AT89s51的定时器/计数器结构如图6-1所示，TO由特殊功

能寄存器THO、TLO构成，T1由特殊功能寄存器TH1、TL1

构成。

TO和T1都具有定时器和计数器两种工作模式，4种工作

方式（方式0~3）。属于增计数器。

特殊功能寄存器TMOD用于选择TO、T1的工作模式和工

作方式。特殊功能寄存器TCON用于控制TO、T1的启动和停

止计数，同时包含了TO、T1的状态。TO、T1不论是工作在

定时器模式还是计数器模式，实质是对脉冲信号进行计数，

T1脚(P3.5)外部脉冲/TO脚(P3.4)外部脉冲/

图6・1AT89s51单片机的定时器/计数器结构框图

4

只不过计数信号的来源不同。

计数器模式是对加在TO(P3.4)和T1(P3.5)两个引脚

上的外部脉冲进行计数(见图6-1)

定时器模式是对单片机的系统时钟信号经片内12分频后

的内部脉冲信号(机器周期)计数。由于时钟频率是定值，所

以可根据对内部脉冲信号的计数值可计算出定时时间。

计数器的起始计数是从初值开始。单片机复位时计数器初

值为0,也可用指令给计数器装入一个新的初值。AT89s51的

定时器/计数器属于增计数器。

5

■

6.1.1工作方式控制寄存器TMOD

AT89s51定时器的工作方式寄存器TMOD用于选择工作模式

和工作方式，字节地址为89H,不能位寻址，其格式如图6-2所

Zj\O

D7D6D5D4D3D2DIDO

TMODGATEC/TMlMOGATEC/TMlMO89H

T1方式字段——TO方式字段

图6・2寄存器TMOD格式

6

8位分为两组，高4位控制T1,低4位控制TO。

下面对TMOD的各位给出说明。

(1)GATE—门控位。

GATE=0时，仅由运行控制位TRx(x=0,1)来控制定时器

运行。

GATE=1时，用外中断引脚INTO*(或INT1*)上的电平与运

行控制位TRx共同控制定时器运行。

(2)M1、MQ—工作方式选择位。

M1、M0的4种编码，对应于4种工作方式的选择，如表6・1所

ZjSo

7

表6TMl、MO工作方式选择

，

VXv

I0

0方式0,为13也定时器/计效当

01方式b为16也定时器/计效器

10方式£,8也”苒抵司空堂？;我久若定后髅计索黑

1▲方式3,1运日于T0,此时TO分口三个8也计去黑,T1停止计抵

(3)C/T*一计数器模式和定时器模式选择位。

C/T*=0,为定时器工作模式，对单片机的晶体振荡器12分频

后的脉冲进行计数。

C/T*=1,为计数器工作模式，计数器对外部输入引脚

TO(P3.4)或T1(P3.5)的外部脉冲(负跳变)计数。

8

■

6.1.2定时器/计数器控制寄存器TCON

TCON字节地址为88H,可位寻址，位地址为88H〜8FH,格

式如图6・3所示。

D7D6D5D4D3D2DlDO

TCONTF1TRITFOTROIE1IT1IE0ITO88H

图6-3TCON格式

9

第5章介绍了与外部中断有关的低4位。这里仅介绍与定时

器相关的高4位功能。

(1)TF1>TFO—计数溢出标志位。

当计数器计数溢出时，该位置“1”。使用查询方式时，此

位作为状态位供CPU查询，但应注意查询有效后，应使用软件

及时将该位清“0”。使用中断方式时，此位作为中断请求标志

位，进入中断服务程序后由硬件自动清“0”。

(2)TR1、TR0—计数运行控制位。

TR1位(或TR0位)=1,启动定时器工作的必要条件。

TR1位(或TR0位)=0,停止定时器工作。

该位可由软件置“1”或清“0”。

10

6.2定时器/计数器的4种工作方式

4种工作方式分别介绍如下。

6.2.1方式0

当M1、M0为00时，定时器/计数器被设置为工作方式0

,这时定时器/计数器的等效逻辑结构框图如图6-4所示（以

定时器/计数器T1为例，TMOD.5、TMOD.4=00）。

11

图6-4定时器/计数器方式0逻辑结构框图

方式0时，为13位计数器，由TLx(x=0,1)的低5位和THx

的高8位构成。TLx低5位溢出则向THx进位，THx计数溢出则

把TCON中的溢出标志位TFx置“1”。

图6-2中，C/*位控制的电子开关决定了定时器/计数器的

两种工作模式。

(1)C/T*=O,电子开关打在上面位置，T1(或TO)为定

时器工作模式，把时钟振荡器12分频后的脉冲作为计数信号。

(2)C/T*=1,电子开关打在下面位置，T1(或TO)为计

数器工作模式，计数脉冲为P3.4(或P3.5)引脚上的外部输入

脉冲，当引脚上发生负跳变时，计数器加1。

13

GATE位状态决定定时器的运行控制取决于TRx一个条件，

还是取决于TRx和INTX*(x=0,1)引脚状态这两个条件。

(1)GATE=O时，A点(见图6・4)电位恒为1,B点电位

仅取决于TRx状态。TRx=1,B点为高电平，控制端控制电子

开关闭合，允许T1(或TO)对脉冲计数。TRx=0,B点为低

电平，电子开关断开，禁止T1(或TO)计数。

(2)GATE=1时，B点电位由INTX*(x=0,1)的输入

电平和TRx的状态两个条件来定。当TRx=1,且INTX*=1时，

B点才为1,控制端控制电子开关闭合，允许T1(或TO)计数。

故这种情况下计数器是否计数是由TRx和INTX*两个条件来共

同控制。

14

6.2.2方式1

当M1、MO为01时，工作于方式1,方式1的等效电路逻

辑结构如图6-5所示。

方式1和方式0的差别仅仅在于计数器的位数不同，方式1

为16位计数器，由THx高8位和TLx低8位构成(x=0,1),

方式。则为13位计数器，有关控制状态位的含义(GATE、

C/T\TFx、TRx)与方式0相同。

15

图6-5定时器/计数器方式1逻辑结构框图

16

6.2.3方式2

方式0和方式1的最大特点是计数溢出后，计数器为全0。

因此在循环定时或循环计数应用时就存在用指令反复装入计数

初值的问题。这不仅影响定时精度，也给程序设计带来麻烦。

方式2就是解决此问题而设置的。

当M1、M0为10时，定时器/计数器处于工作方式2,这时

定时器/计数器的等效逻辑结构如图6-6所示（以定时器T1为例,

X=1）O

17

中断

图6-6定时器/计数器方式2逻辑结构框图

18

定时器/计数器的方式2为自动恢复初值(初值自动装入)

的8位定时器/计数器，TLx(x=0,1)作为常数缓冲器，当

TLx计数溢出时，在溢出标志TFx置“1”的同时，还自动将

THx中的初值送至TLx,使TLx从初值开始重新计数。定时器/

计数器的方式2工作过程如图67所示o

此工作方式可省去用户软件中重装初值的指令的执行时间,

简化定时初值的计算方法，可相当精确地确定定时时间。

19

■

图6-7方式2工作过程

6.2.4方式3

方式3是为了增加一个附加的8位定时器/计数器而设置的，

从而使AT89s51单片机具有3个定时器/计数器。方式3只适用于

定时器/计数器TO,定时器/计数器T1不能工作在方式3。T1处

于方式3时相当于TR1=0,停止计数（此时T1可用来作为

20

串行口波特率产生器）。

1.工作方式3下的TO

当TMOD的低2位为11时，TO的工作方式被选为方式3,

各引脚与TO的逻辑关系如图6-8所示。

TO分为两个独立的8位计数器TLO和THO,TLO使用TO的

状态控制位C/T\GATE、TRO,而TH0被固定为一个8位定

时器（不能作为外部计数模式），并使用T1的状态控制位

TR1和TF1,同时占用T1的中断请求源TF1。

21

(a)TLO作为8位定时器/计数器

0-7

(b)TH0作为8位定时器

图6・8定时器/计数器TO方式3的逻辑结构框图

22

■

(1)T1工作在方式0

T1的控制字中M1、MO=00时，T1工作在方式0,工作示意图

如图6・9所示。

图6-9TO工作在方式3时T1为方式0的工作示意图

23

(2)「工作在方式1

当T1的控制字中M1、M0=01时，T1工作在方式1,工作示意图

如图6・10所示。

图6・10TO工作在方式3时T1为方式1的工作示意图

24

■

(3)T1工作在方式2

当T1的控制字中M1、M0=10时，T1的工作方式为方式2

，工作示意图如图6・11所示。

图6・11TO工作在方式3时T1为方式2的工作示意图

25

(4)T1设置在方式3。

当TO设置在方式3时，再把T1也设置成方式3,此时T1

停止计数。

6.3对外部输入的计数信号的要求

当定时器/计数器工作在计数器模式时，计数脉冲来自外

部输入引脚TO或T1。当输入信号产生由1至0的跳变(即负

跳变)时，计数器值增1。每个机器周期的S5P2期间，都对

外部输入引脚TO或T1进行采样。如在第一个机器周期中采得

的值为1,而在下一个机器周期中采得的值为0,则在紧跟着

的再下一个机器周期S3Pl期间，计数器加1。

由于确认一次负跳变花2个机器周期，即24个振荡周期，因

此外部输入的计数脉冲的最高频率为系统振荡器频率的1/24。

>2^

>7cv

图6-12对外部计数输入信号的要求

27

例如，选用6MHz频率的晶体，允许输入的脉冲频率最

高为250kHz。如果选用12MHz频率的晶体，则可输入最高

频率为500kHz的外部脉冲。对于外部输入信号的占空比并

没有什么限制，但为了确保某一给定电平在变化之前能被采

样一次，则这一电平至少要保持一个机器周期。故对外部输

入信号的要求如图6-12所示，图中Tcy为机器周期。

28

6.4定时器/计数器的编程和应用

在4种工作方式中，方式0与方式1基本相同，只是计数器

的计数位数不同。方式0为13位计数器，方式1为16位计数器。

由于方式。是为兼容MCSY8而设，且其计数初值计算复杂，所

以在实际应用中，一般不用方式0,而采用方式1。

6.4.1P1口外接的8只LED每0.5s闪亮一次。

【例6-1］在AT89s51单片机的P1口上接有8只LED（电路

见图4-7）。下面采用定时器T0的方式1的定时中断方式，使

P1口外接的8只LED每0.5s闪亮一次。

(1)设置TMOD寄存器

定时器TO工作在方式1,应使TMOD寄存器的M1、M0=01

;应设置C/=0,为定时器工作模式；对TO的运行控制仅由TR0

来控制，应使GATE0=0。定时器T1不使用，各相关位均设为0

o所以，TMOD寄存器应初始化为0x01。

(2)计算T0计数初值

设定时时间5ms(BP5000ps),设定时器TO的计数初值

为X,假设晶振的频率为11.0592MHz,则定时时间为：定时时

间二(216-X)12/晶振频率

30

则5000=(216-X)12/11.0592

得：X=60928,转换成16进制后为：OxeeOO,其中Oxee装入

THO,0x00装入TLO。

(3)设置IE寄存器

本例由于采用定时器TO中断，因此需将IE寄存器中的EA

、ETO位置1。

(4)启动和停止定时器TO

将定时器控制寄存器TCON中的TR0=1,则启动定时器TO

；TRO=O,则停止定时器TO定时。

参考程序如下:

31

#include<reg51.h>

Chari=100；/*给变量i赋初值*/

voidmain()

{TMOD=0x01；/*设置定时器TO为方式17

TH0=0xee；/•向TH0写入初值的高8位*/

TL0=0x00；/*向TLO写入初值的低8位*/

P1=0x00；"P1口8只LED点亮*/

EA=1；〃总中断允许*/

ET0=1；/*定时器TO中断允许*/

TR0=1；〃启动定时器TO*/

while(1)；/*无穷循环，等待定时中断*/

)

32

6.4.2计数器的应用

【例6-2】采用定时器T1的方式1的中断计数方式，如图6

-13所示，计数输入引脚T1(P3.5)上外接开关K1,作为计

数信号输入。按4次K1后，P1口的8只LED闪烁不停。

(1)设置TMOD寄存器

T1工作在方式1,应使TMOD的M1、M0=01；设置计数器

工作模式C/T*=1；对TO的运行控制仅由TRO来控制，应使

GATE0=0o定时器TO不使用，各相关位均设为0。所以，

TMOD寄存器应初始化为0x50。

33

Pl.7

Pl.0

P3.5

AT89S51

6-13由外部计数输入信号控制LED的闪烁

34

(2)计算T1计数初值

由于每按4次K1,计数一次，因此计数器的初值为65536-

4=65532,将其转换成16进制后为：Oxfffc,因此，THO=Oxff

,TLO=Oxfco

(3)设置IE寄存器

本例由于采用定时器T1中断，因此需将旧寄存器中的EA

、ET1位置置

(4)启动和停止定时器T1

将定时器控制寄存器TCON中的TR1=1,则启动定时器

T1计数；TR1=O,则停止定时器T1计数。

参考程序如下:

35

#include<reg51.h>

voidDelay(unsignedinti)/•定义延时函数Degy(),i是形式参数，不

能赋初值*/

{unsignedintj；

for(；i>0；i・・)〃变量i由实际参数传入一个值，因此i不能赋初值*/

forG=O：j<125：j++)

{；}〃空函数*/

voidmain()/*主函数*/

{TMOD=0x50；/*设置定时器T1为方式1计数*/

THO=Oxff；/*向THO写入初值的高8位列

36

TLO=Oxfc；/•向TLO写入初值低8位*/

EA=1；〃总中断允许*/

ET1=1；/叮1中断允许*/

TR1=1；〃启动T17

while(1)；/*无穷循环，等待定时中断*/

)

/*以下为定时器T1的中断服务程序刊

voidT1Jnt(void)interrupt3

{for(;;)/*无限循环*/

{P1=0xff；/*8位LED全灭*/

Delay(500)；/*延时500ms•/

P1=0；/*8位LED全亮*/

Delay(500)；)/•延时500ms7

)

37

6.4.3扩展一个外部中断源

方式2可自动重新装载初值。此方式可省去用户程序中重

新装初值的指令。

当某个定时器/计数器不使用时，可为AT89s51扩展一个

负跳沿触发的外部中断源。

基本思想是把定时器溢出中断做成外部中断，然后把计数

输入信号接到定时器的相应引脚上TO脚（或T1脚）,并把定

时器被设置为方式2（自动装入常数方式）计数工作模式，计

数器THO、TLO初值均为OFFH,并允许TO中断，总中断开放。

当检测到TO脚（或T1脚）引脚电平发生负跳变时，计数器

TFO（或TF1）溢出，这时将产生一个中断请求。

38

【例6・3】扩展一个负跳沿触发的外部中断源，把定时器TO

计数输入引脚作为外部中断请求信号的输入端。

#include<reg51.h>

voidmain()

TMOD=0x06；/*设置定时器TO为方式2计数*/

THO=Oxff；/*给TO装入初值*/

TLO=Oxff；/*给TO装入初值*/

ET0=1；/*允许TO中断*/

EA=1；/*总中断开*/

TF0=0；/*T0中断溢出标志位清0*/

TR0=1/*接通T0计数*/

while(1)/*无限循环等待*/

)

39

/*以下为定时器TO的中断服务程序*/

voidTOJnt(void)interrupt1using0

{}/*外中断处理部分*/

说明：本例所述的使用定时器扩展的外中断源只能是负跳

沿触发。此外，只有当定时器TO(或T1)不用的话，才可使

用本方法来扩充外部中断源，此时定时器TO本身的功能将不能

再使用，除非使用软件来对它进行复用控制。

6.4.4P1.0上产生周期为2ms的方波

【例64】系统时钟为12MHz,编程实现从P1.0引脚上输出

一个周期为2ms的方波，如图6-14所示

40

PLO引脚T1为方式1定时

图6・14定时器控制P1.0输出一个周期为2ms的方波

41

基本思想：要在P1.0上产生周期为2ms的方波，定时器

应产生1ms的周期性的定时，定时对P1.0求反。选择定时器

TO,方式1定时，采用中断方式，GATE不起作用。

计算TO的初值计算：

设TO的初值为X,则

(216-X)110-6=110一3=65536-X=1000

则初值为：65536-1000=64536,

因此

TH0=(65536-1000)/256,TL0=(65536-1000)%256。

参考程序如下:

42

#include<reg51.h>

sbitP1_0=P1A0;

voidmain(void)

{TMOD=0x01；/*设置定时器TO为方式2计数*/

P1_0=0;

TH0=(65536-1000)/256；/•给TO装入初值*/

TL0=(65536-1000)%256；/*给T0装入初值*/

ET0=1；/*允许T0中断*/

EA=1；/•总中断开*/

TR0=1/*接通T0计数*/

do{}while(1);〃无限循环等待*/

)

voidTOJnt(void)interrupt1using

{P1_0=!P1_0;

TH0=(65536-1000)/256；

TL0=(65536-1000)%256；

)43

6.4.5P1.1上产生周期为1s的方波

【例6-5】假设系统时钟为12MHz,编程实现从P1.1引脚

上输出一个周期为1s的方波。

基本思想：要在P1.0上产生周期为1s的方波，定时器应

产生500ms的周期性定时，定时到则对P1.0求反。由于定时

时间较长，用定时器不能直接实现，直接定时时间最长的就

是方式1,仅为65ms（系统时钟12MHz）多一点。

实现：T0定为10ms定时，每10ms对P1.0求反一次，

P1.0输出的脉冲加到定时器T1的计数输入脚P3.5（T1脚），

作为计数输入，定时500ms需计数50次。T1设为方式2计数,

初值X为：28-X=50,则X=206,

44

所以TH1=TL1=206。TO设为方式1定时，则控制字为

61Ho定时器TO和T1均采用中断方式工作。

参考程序如下：

#include<reg51.h>

sbitP1_O=P1AO;

sbitP1_1=P1A1;

voidmain(void)

{TMOD=Ox61；〃设置定时器TO为方式1定时，T1为方式2计数*/

P10=0;

TH0=(65536-10000)/256；/*给TO装初值*/

TL0=(65536-10000)%256；

TH1=206；/*给T1装初值*/

TL1=206；

45

EA=1；/•总中断开*/

ET0=1:/*允许TO中断*/

ET1=1；〃允许T1中断*/

TR0=1;

TR1=1;

while(1);

)

voidTOJnt(void)interrupt1

(

TH0=(65536-1000)/256；

TL0=(65536-1000)%256；

P10=!P10;

}

voidT1_int(void)interrupt3

{P1J=!P1J；};/*P1.1脚产生1s的方波*/。

46

6.4.6T1控制发出1KHz的音频信号

【例6-6】利用定时器T1的中断来控制蜂鸣器发出1KHz的音频

信号，电路图见图6-15。

假设系统时钟为11.0592MHz,则每个脉冲的周期为

12/11.0592=1.085pso1KHz的音频信号周期为1ms,因此

要计数的脉冲数为1000/1.085=921次。所以T1的初值：

TH1=(65536-921)/256；TL1=(65536-921)%256

参考程序如下：

47

图6・15控制蜂鸣器发出1KHz的音频信号

48

#include<reg51.h>

sbitP1_0=P1A0;

sbitsound=P1A7;

voidmain(void)

{EA=1；/*总中断开*/

ET1=1；/*允许TO中断*/

TMOD=0x10；/*设置定时器T1为方式1定时*/

P1_0=0;

TH1=(65536-921)/256；/*给T1装初值*/

TL1=(65536-921)%256；

TR1=1;

while(1);

)

49

voidT1Jnt(void)interrupt3usingO

{sound=~sound;

TH1=(65536-921)/256；

TL1=(65536-921)%256；

}

50

6.4.7测量脉冲宽度（门控位GATEx的应用）

下面以定时器T1为例，介绍门控制位GATE的具体应用，

即测量INTO*（或INT1*）引脚上正脉冲的宽度。

【例6-7】门控位GATE1可使T1的启动计数受的控制，当

GATE1=1,TR1=1时，只有引脚INT1*输入高电平时，T1才

被允许计数。利用GATE1的这一功能，可测量引脚

INT1*（P3.3）上正脉冲的宽度（机器周期数），利用门控

制位GATE1,测量引脚INT1*上正脉冲的宽度。方法如图6-

16所示。

51

P3.3

(INTI)

对Tl初始化Tl从0开始计数读出H的值

停止计数

90H-*TMOD测M：脉冲宽度O-TRI,TI

GATEI=1

图6・16利用GATE位测量正脉冲的宽度

52

参考程序如下：

#include<reg51.h>

sbitP3_3=P3A3；〃位变量定义*/

unsignedcount_high；/*定义计数变量，用来读取TH0*/

unsignedcountjow；/*定义计数变量，用来读取TL0*/

voidread_count()；/*读计数器函数*/

voidmain()

(

TMOD=0x90；/*设置定时器T1为方式1定时*/

TH1=0；〃向定时器T1写入计数初值*/

TL1=0；

TR1=1；

while(P3_3==1);/*等待变低*/

53

TR1=1；/•如果为低，启动T1（未真正开始计数）•/

while(P3_3==0);/*等待变高，变高后T1真正开始计数*/

while(P3_3==1);/*等待变低，变低后T1停止计数*/

TR1=0；

read_count()/*读计数寄存器内容的函数*/

)

voidread_count()/*读取计数寄存器的内容*/

{do

{count_high=TH1；/*读高字节*/

countjow=TL1；/*读低字节*/

/*可将两字节的机器周期数进行显示处理*/

)

while(count_high!=TH1)；

执行以上程序，使引脚上出现的正脉冲宽度以机器周期数

的形式读入到count_high和8unt_low两个单元中，如果编

写了显示程序，可将其显示在显示器上。

6.4.8实时时钟的设计

本节介绍如何使用定时器/计数器来实现实时时钟。实时

时钟就是以秒、分、时为单位计时。

1.计时的实现

时钟最