第7章定时计数器.

单片机原理与应用第七章定时/计数器在实时测量控制应用系统中，常需要定时控制以及对外界事件进行计数。要实现此功能可以采用定时时钟和计数器。80C51系列单片机内部一般有2~3个定时/计数器，它们都具有这两种功能，有的型号还具有输入捕获和监视定时功能。主要介绍定时/计数器的结构、原理、工作方式及使用方法。7.1定时/计数器T0、T180C51单片机内部有2个16位的可编程定时/计数器，T0，T1。不论哪种型号的单片机，T0、T1的结构，原理和工作方式都是相同的。可编程是指其功能（工作方式、定时时间、启动方式等），均可由指令来确定和改变。7.1.1T0、T1的结构虚线框内即为定时器T0、T1的结构图，它通过内部总线与CPU相接，另外由TCON寄存器引出2根中断源信号线送入CPUTH1TL1TH0TL0定时器T1(8DH)(8BH)70707070(8CH)(8AH)定时器T0内部总线TCON(88H)TMOD(89H)CPUT1(P3.5)T0(P3.4)INT0(P3.3)INT1(P3.2)溢出溢出中断工作方式启动工作方式启动由图可知，这些寄存器之间是通过内部总线和控制逻辑电路连接起来的。与定时器有关的8位寄存器一共6个，其中，16位定时/计数器分别由2个8位专用寄存器组成，即T0由TH0和TL0构成，T1由TH1和TL1构成。每个寄存器都可单独访问，这些寄存器用于存放定时或计数初值的。另外还有2个特殊功能寄存器：一个8位的定时器方式寄存器TMOD，一个8位的定时控制寄存器TCON。TMOD主要用于选定定时器的工作方式。TCON主要用于控制定时器的启动和停止。另外，还可以保存T0、T1的溢出和中断标志。当定时器工作在计数方式时，外部事件通过引脚T0（P3.4）和T1（P3.5）输入。7.1.2定时/计数器的原理16位的定时/计数器实质上是一个加1计数器，其控制电路受软件控制、切换。通过软件可以设置为4种工作方式，每种方式都可用作定时和计数。当选择作定时器用时，计数器的加1信号由振荡器的12分频（机器周期）信号产生，即每经过1个机器周期，计数器加1，直至计满溢出为止。显然，定时器的定时时间与系统的振荡频率有关。因为1个机器周期为12个振荡周期，所以计数频率fcount=fosc/12。如：若晶振频率为12MHz，则计数周期为：此即最短的定时周期，若要延长定时时间，则须改变定时器的初值，并要适当选择定时器的长度（8位、13位、16位）当选择作计数器用时，通过引脚T0和T1对外部信号计数。外部脉冲的下降沿将触发计数。计数器在每个机器周期的S5P2期间对引脚输入电平采样。如果在一个机器周期采样为1，下个机器周期采样值为0，则计数器加1，新的计数值装入计数器。即检测一个由1到0的跳变需要2个机器周期，所以对外部事件的最高计数频率为振荡频率的1/24.作定时器使用时，计数脉冲是由单片机内部产生的，这个信号的频率和幅值都是稳定的，而作为计数器使用时，计数脉冲是由外部信号源提供的，这个信号的频率和幅值是可随机变化的。当用软件给定时器设置了某种工作方式后，定时器会按设定的工作方式自动运行，不再占用CPU的操作时间，除非定时器计满溢出，才可能中断CPU当前操作。CPU也可随时重新设置定时器的工作方式，以改变对定时器的操作。可见，定时器是单片机中效率高且工作方式灵活的部件。7.2定时/计数器的控制方法综上，定时/计数器是一种可编程部件，它不会自动开始工作，必须通过软件确定其工作方式，并启动它才开始工作。所以在定时/计数器开始工作之前，CPU必须将一些命令（称为控制字）写入定时/计数器的特殊功能寄存器。将控制字写入定时/计数器的过程，称作定时/计数器的初始化。下面将详细介绍控制字的格式、各位的功能及控制定时/计数器的方法。7.2.1定时/计数器寄存器1.工作方式寄存器TMODTMOD为T0、T1的工作方式寄存器，其各位格式如下：高4位为定时器T1的控制位，低4位为定时器T0的控制位。GATE门控位：当GATE=0时，只要控制位TR1/0（在TCON寄存器中）置1，即可启动定时器T1/0开始工作。当GATE=1时，除需要将TR1/0置1外，还要将INT1*引脚设为高电平，才能启动相应的定时器开始工作。C/T*功能选择位=0，为定时器方式=1，为计数器方式M1和M0工作方式选择位由这两位的组合可以定义不同的工作方式，对Ｔ1有3种工作方式，T0有4种工作方式。注:TMOD不能进行位寻址，只能用字节传送指令设置定时器工作，低半字节定义定时器0，高半字节定义定时器1.复位时，所有位均为0.处于停止状态。M1M0工作方式功能描述00方式013位计数器01方式116位计数器10方式2自动再装入8位计数器11方式3定时器0:分成两个8位计数器定时器1:只能工作在方式0、1、22.定时/计数器控制寄存器TCONTCON的作用是控制定时器的启/停，标志定时器的溢出和中断情况。TCON各位格式如下：TF1（TCON.7）---定时器1的溢出标志当定时器1计满溢出时，由硬件使TF1置1，并且申请中断。进入中断服务程序后，由硬件自动清0，在查询方式下用软件清0.TR1（TCON.6）---定时器1的运行控制位当TR1=1时，启动定时器1工作当TR1=0时，关闭定时器1TF0（TCON.5）---定时器0的溢出标志位TR0（TCON.4）---定时器0的运行控制位IE1（TCON.3）---外部中断1请求标志IT1（TCON.2）---外部中断1触发方式选择位IE0（TCON.1）---外部中断0请求标志IT0（TCON.0）---外部中断0触发方式选择位当系统复位时，TCON所有位均被清0.方式字的应用：若设定T1为定时工作方式，按方式2进行工作，T0为计数工作方式，按方式1进行工作，则需对TMOD寄存器进行设置。MOVTMOD，#25H（汇编）或TMOD=0x25；（C语言，直接对TMOD赋值即可）说明：25H=00100101B，高4位对T1的设置，D6位为0说明是定时方式，D5、D4为10，即工作方式2（自动再装入方式）。低4位对T0的设置，D2位为1说明是计数方式，D1、D0为01，即工作方式1（16位计数器）。对TCON的操作：由于TCON是可以位寻址的，因而如果只是清除溢出标志或启动定时器工作，即可利用位操作方式。如：CLRTF0汇编，清除定时器0的溢出标志TF0=0（C语言，直接对TF0位进行赋值）如：SETBTR1汇编，启动定时器1开始工作TR1=1（C语言，TR1=0，停止）7.2.2定时/计数器的初始化与启动由于定时/计数器的功能是由软件编程确定的，所以在使用定时/计数器时都要对其进行初始化，使其按照设定的功能工作。初始化的步骤如下：1）确定工作方式—对TMOD进行赋值2）预置定时或计数的初始值—可直接将初始值写入TH0、TL0或TH1、TL1.3）根据需要开放定时/计数器的中断—直接对IE寄存器的定时器中断位进行赋值。初始化完成后，即可准备启动定时/计数器。启动方式由GATE位的值决定，为0，则直接设置TR1/0=1即可。为1，则还需要将INT0/1引脚设为高电平才可启动。7.2.3定时/计数器初值的确定方法由于不同方式下，计数器的位数不同，因而最大计数值也不同。确定计数初始值的方法：（设最大计数值为M）方式0：M=213=8192方式1：M=216=65536方式2：M=28=256方式3：定时器T0分成2个8位计数器，所以2个M值均为256.由于定时/计数器是“加1”计数，并在计满溢出时产生中断，故定时/计数器的初始值X可如下计算：X=M-计数值如：选用晶振频率为6MHz，要求产生1ms的定时，试计算其初始值。晶振为6MHz，则一个机器周期为12/6MHz=2us.此即执行一次加1操作所需要的时间。要定时1ms，则需要1ms/2us=500次加1操作。也即计数值为500.若工作在方式1下，初始值X=M-计数值=65536-500=65036=FE0CH。初始值为65036，再计数500次就到了65536，此时计数器计满溢出，一旦溢出，计数器的值就变为0，从头开始。此时正好产生1ms的定时时间。下一次若还定时1ms，则需重新赋初值。7.3定时器T0、T1的工作方式通过对TMOD寄存器中M1、M0位的设置，T0可以选择4种工作方式，T1可以选择3种工作方式。下面介绍各种工作方式的结构、特点7.3.1方式0定时器T0、T1都可以设置为方式0.在方式0下，定时器1与定时器0的结构和操作完全相同，均为13位的计数器。由于采用方式0计算初值比较麻烦且容易出错，故一般情况尽量避免采用此方法。7.3.2方式1都可设为方式1工作。在方式1下，定时器T0、T1均为16位的计数器。T0在方式1下的逻辑电路结构如下图。当TL0的低8位溢出时向TH0高8位进位，而TH0溢出时向中断标志位TF0进位（称为硬件置位），并申请中断。通过查询TF0是否置位或是否产生定时器T0中断，可判断定时器T0计数是否溢出。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。其定时时间为：t=(216-T0初始值）×时钟周期×12当C/T*=1时，多路开关与引脚T0（P3.4）相连，外部计数脉冲由引脚T0输入。当外信号电平发生由1到0的跳变时（下降沿），计数器加1，这时T0成为外部事件计数器。C/T*决定了工作方式是定时还是计数！当GATE=0时，封锁或门，此时或门输出为1，使引脚INT0*（P3.2）输入信号无效。与门打开，此时由TR0控制定时器T0的开启和关断。若TR0=1，则接通控制开关，启动定时器0工作，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置位，并申请中断，T0从0开始计数。因此，如果希望计数器按原计数值开始计数，则在计数溢出后，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时，且TR0=1时，此时或门，与门全部打开。外信号电平通过INT0*引脚直接开启或关断定时器计数。输入1时，运行计数，否则停止计数。这种方法可用来测量外信号的脉冲宽度等。GATE位决定了T0的启动方式~~7.3.3方式2T0、T1都可工作在方式2.方式2设置定时器为能重置初值的8位定时/计数器。方式2的使用和方式0/1有所区别。方式0/1若用于循环重复定时/计数，则每次计满溢出后，寄存器全部为0，第二次计数还要重新装入计数初值。这样，在编程时麻烦，还会影响定时时间精度；而方式2具有自动恢复初值（初值自动再装入）功能，适合用作较精确的定时脉冲信号发生器。其定时时间为：t=(28-T0初始值）×时钟周期×12方式2的结构原理图由图可知，16位的计数器被拆分成2个，TL0用作8位计数器，TH0用以保持初值。在初始化时，TL0和TH0由软件赋予相同的初始值。一旦TL0计数溢出，则置位TF0，并将TH0的值再装入到TL0中，继续计数，重复循环。这种工作方式可省去用户重装初值的程序，并可产生相当精确的定时时间，特别适用于串行口波特率发生器。7.3.4方式3只有T0可以设置为方式3.在该方式下，T0被拆为2个独立的8位计数器TL0和TH0.其中，原T0的控制位、引脚和中断源即C/T*、GATE、TR0、TF0、T0（P3.4）引脚和INT0*（P3.2）引脚，均用于TL0的控制。除了仅用8位寄存器TL0外，其功能和操作方式与方式1完全相同，可定时，也可计数。而此时TH0只可用作简单的内部定时功能，它占用原定时器T1的控制位TR1和TF1，同时占用T1的中断源，其启动和关闭仅受TR1置1和清0控制。方式3为定时器T0增加了一个8位定时器。（2个）在T0用于方式3时，T1仍可设置为方式0~2.由于TR1、TF1和T1中断源均被定时器