第5章 定时计数器.docx
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第5章定时计数器
第5章单片机定时/计数器原理及应用
5.1单片机定时器/计数器（Timer/Counter）概述
在工业检测、控制中，很多场合都要用到计数或者定时功能。
例如对外部脉冲进行计数、产生精确的定时时间、作串行口的波特率发声器等。
定时/计数器是单片机的一个重要部件，At89Ｃ51单片机内部有两个可编程的定时器/计数器，以满足多方面的需要。
它们具有两种工作模式（计数器模式、定时器模式）和四种工作方式（方式0、方式1、方式2、方式3），其控制字均在相应的特殊功能寄存器（SFR）中，通过对它的SFR的编程，可以方便的选择工作模数和工作方式。
定时器/计数器（Timer/Counter）本质上都是加法计数器，当对固定周期的脉冲信号计数时是定时器，对脉冲长度不确定的信号计数时是计数器。
每接收到一个计数脉冲，加法计数器的值就加一，当计满时发生溢出，并从0开始继续计数。
当设置为定时工作模式时，定时器对89Ｃ51片内振荡器输出的经12分频后的脉冲计数，即每个机器周期使定时器（T/C0或T/C1）的数值加1直至计满溢出。
当采用12MHz晶振时，一个机器周期为1µs。
当设置为计数工作模式时，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到0的下降沿时，定时器的值加1.
不管时定时还是计数工作模式，定时器T0或T1在对内部时钟或外部事件计数时，都不占用CUP时间，除非定时器/计数器溢出，才可能中断CPU的当前操作，计数器的计满溢出信号就是定时/计数器的输出，该信号使TCON的某位（TF0或TF1位）置1，作为定时器/计数器的溢出中断标志，定时器/计数器的内部结构框图如下图所示。
图5-1定时器/计数器结构框图
5.2与定时/计数器有关的特殊功能寄存器
1．计数寄存器TH和TL
定时器/计数器T/C0和T/C1都是16位寄存器，由TH高8位和TL低8位构成，在特殊功能寄存器（sfr）中，对应T/C0为TH0和TL0，对应T/C1为TH1和TL1，定时器/计数器T/C0和T/C1的初值分别通过TH0/TL0和TH1/TL1来设置，加法计数器是计满溢出时才申请中断,所以在给定时器/计数器赋初值时,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,设最大值为M,计数值为N,初值为X,则X的计算方法如下:
计数状态:
X=M－N
定时状态:
X=M－定时时间/T（T=12÷晶振频率）
2．定时器/计数器控制寄存器TCON
对TCON的相关位的说明：
TF0、TF1：
T0、T1溢出标志位。
TF0、TF1分别是定时器/计数器T0、T1的溢出标志位,加法计数器计满溢出时置1,申请中断,在中断响应后自动复0。
TF产生的中断申请是否被接受,还需要由中断是否开放来决定。
TR1、TR0：
T1、T0的运行控制位。
TR1、TR0分别是定时器/计数器T1、T0的运行控制位,通过软件置1后,定时器/计数器才开始工作,（如本设计案例中用到定时器T0，启动时用语句：
TR0=1；停止时用语句：
TR0=0；）在系统复位时被清0。
3．定时器/计数器方式控制寄存器TMOD
TMOD是8位寄存器，分为两组，高四位控制T1，低4位控制T0。
对TMOD的各个位的说明：
GATE位：
门控位。
GATE＝1时，T0、T1是否计数要受到外部引脚输入电平的控制，INT0引脚控制T0，INT1引脚控制T1。
可用于测量在INT0和INT1引脚出现的正脉冲的宽度。
若GATE＝0，即不使能门控功能，定时计数器的运行不受外部输入引脚INT0、INT1的控制
C/
位：
计数器模式和定时器模式的选择位。
C/
＝0，为定时器模式，内部计数器对晶振脉冲12分频后的脉冲计数，该脉冲周期等于机器周期，所以可以理解为对机器周期进行计数。
从计数值可以求得计数的时间，所以称为定时器模式。
C/
＝1，为计数器模式，计数器对外部输入引脚T0（P3.4）或T1（P3.5）的外部脉冲（负跳变）计数，允许的最高计数频率为晶振频率的1/24。
M1M0：
四种工作方式的选择位
表5-1定时/计数器工作方式
M1M0
方式
说明
00
0
13位定时器（TH的8位和TL的低5位）
01
1
16位定时器/计数器
10
2
自动重装入初值的8位计数器
11
3
T0分成两个独立的8位计数器，T1在方式3时停止工作
5.3定时/计数器的工作方式
1.方式0
方式0下，T0和T1工作在13位的定时/计数器方式，由TH的高8位和TL的低5位组成。
当T0的13位计数器加到全部为1以后，再加1就产生溢出，这时置TCON的TF0为1，同时把计数器全部变0，然后从0开始继续计数。
图5.2方式0（13位计数器）
方式0的计数长度M为2的13次方，初值也是13位二进制数，但要注意是高8位赋值给TH0，低5位前面补足3个0凑成8位赋给TL0。
例如，如要求计数值为1000，则初值为：
根据：
X=M－N
X＝M－1000
＝8192－1000
＝1C18H
＝1110000011000B
即赋初值时，TH0＝0xE0，TL0＝0x18。
2.方式1
方式1和方式0的工作原理基本相同，唯一不同是T0和T1工作在方式1时是16位的计数/定时器。
方式1时的计数长度M是2的16次方。
16位的初值直接拆成高低字节，分别送入TH和TL即可。
因为计数长度大，初值计算方便，方式1就定时/计数器最常用的方式，（如在本设计案例中，用的就是方式1：
TMOD|=0x01;）
图5.3方式1（16位计数器）
3.方式2
方式0和方式1的最大特点就是计数溢出后，计数器为全0，因而循环定时或循环计数应用时就存在反复设置初值的问题，这给程序设计带来许多不便，同时也会影响计时精度。
工作方式2就针对这个问题而设置，它具有自动重装载功能，即自动加载计数初值，所以也称为自动重加载工作方式。
在这种工作方式中，16位计数器分为两部分，即以TL0为计数器，以TH0作为预置寄存器，初始化时把计数初值分别加载至TL0和TH0中，当计数溢出时，不再象方式0和方式1那样需要“人工干预”，由软件重新赋值，而是由预置寄存器TH以硬件方法自动给计数器TL0重新加载。
图5.4方式2（自动重加载初值方式）
4.方式3
在方式3模式下，定时/计数器0被拆成两个独立的8位计数器TL0和TH0。
其中TL0既可以作计数器使用，也可以作为定时器使用，定时/计数器0的各控制位和引脚信号全归它使用。
其功能和操作与方式0或方式1完全相同。
TH0就没有那么多“资源”可利用了，只能作为简单的定时器使用，而且由于定时/计数器0的控制位已被TL0占用，因此只能借用定时/计数器1的控制位TR1和TF1，也就是以计数溢出去置位TF1，TR1则负责控制TH0定时的启动和停止。
由于TL0既能作定时器也能作计数器使用，而TH0只能作定时器使用而不能作计数器使用，因此在方式3模式下，定时/计数器0可以构成二个定时器或者一个定时器和一个计数器。
如果定时/计数器0工作于工作方式3，那么定时/计数器1的工作方式就不可避免受到一定的限制，因为自己的一些控制位已被定时/计数器借用，只能工作在方式0、方式1或方式2下，如果设置T1工作在方式3，则T1停止工作，相当于其他方式时令TR1＝0
图5-12方式3（两个8位独立计数器）
5.5定时/计数器的应用
1.初始化步骤
在应用定时/计数器之前，要对它计数初始化编程，主要是对寄存器TCON和TMOD的编程以及计算和装载T/C（定时/计数器）的计数初值，一般有一下几个步骤：
（1）确定定时/计数器的工作方式——编程TMOD寄存器；
（2）计算定时/计数器的计数初值，并装载到TH和TＬ；
（3）定时/计数器在中断方式工作时，还必须开CPU总中断EA和相应中断源——编程IE寄存器；
（4）启动定时/计数器——编程TCON中的TR1或TR0；
2.应用举例
为了方便教学演示，本章应用实例全部是基于Proteus环境下的仿真实验。
例1已知单片机的晶振频率为fosc=12MHz，应用定时/计数器，在单片机引脚P1_3产生周期为2ms的方波信号。
（1）硬件设计
打开ProteusISIS编辑环境，按表X-1所列的元件清单添加元件。
表5-1
元件名称
所属类
所属子类
AT89C51
MicroprocessorICs
8051Family
CAP
Capacitors
Generic
CRYSTAL
Miscellancous
—
RES
Resistors
Generic
BUTTON
Switches&Relays
Switches
元件全部添加后，再到虚拟仪器库VirtualInstruments中添加示波器OSCILLOSCOPE，然后在ProteusISIS编辑区中按图X-1所示连接硬件原理图，可见，硬件电路是满足单片机基本运行条件的最小系统电路。
图5.6电路原理图
（2）软件设计
1）基本思路
周期为2ms的方波,即高低电平各为1ms，用定时/计数器定时1ms,每次时间一到让P1_3取反一次，就可以在该引脚上获得所要波形。
因为fosc=12MHz,机器周期=12/12MHz=1µs，而定时/计数器在定时模式时就是对fosc的12分频即机器周期进行计数，因此要定时1ms需要计数次数为1000次。
所以初值X=M－N=65536-1000;
2）源程序
下面分别采用中断方式和查询两种方式编程：
用定时/计数器0的方式1编程，采用查询方式。
#include
voidmain（void）
{
TMOD=0x01;//设置定时器0，采用方式1
TR0=1;//启动定时器T/C0
while
（1）{
TH0=（65536-1000）/256;//装载计数初值
TL0=（65536-1000）%256;
do{}while（!
TF0）;//查询等待TF0溢出标志
P1_3=!
P1_3;//P1_3取反
TF0=0;//软件清零TF0
}
}
用定时/计数器0的方式1编程，采用中断方式。
#include
voidtimer0（void）interrupt1µsing1
{
P1_3=!
P1_3;//P1_3取反
TH0=（65536-1000）/256;//重装计数初值
TL0=（65536-1000）%256;
}
voidmain（void）
{
TMOD=0x01;//设置定时器0，采用方式1
TH0=（65536-1000）/256;//装载计数初值
TL0=（65536-1000）%256;
EA=1;
ET0=1;
TR0=1;//启动定时器T/C
do{}while
（1）;//等待定时器溢出中断
}
（3）调试与仿真
打开KeiluVision3，新建Keil项目，选择AT89C51单片机作CPU，新建C语言程序源文件，编写上述程序并将其导入到“SourceGroup1”中，在“OptionsforTarget”对话窗口中，选中“Optput”选项卡中的“CreateHESFile”选项和“Debug”选项卡中的“Use:
ProteusVSMSimulator”选项。
编译编译并调试以上C语言源程序。
接着在ProteusISIS中，选中AT89C51并单击鼠标左键，打开“EditComponent”对话窗口，设置单片机晶振频率为12MHz，在此窗口中的“ProgramFile”栏中，选择先前用Keil生成的.HEX文件。
在ProteusISIS的菜单栏中选择“File”→“SaveDesign”选项，保存设计。
在ProteusISIS的菜单栏中，打开“Debug”下拉菜单，在菜单中选中“UseRemoteDebugMonitor”选项，以支持与Keil的联合调试。
然后在Keil的菜单栏中选择“Debug”→”Start/StopDebugSession”选项，进入程序调试环境，按“F5”键，顺序运行程序，调出“ProteusISIS”界面，可以看到连接P1_3引脚上的虚拟示波器上有周期为2ms的方波信号输出，如图X-2所示。
图5.7仿真效果图
例2设计基于89C51单片机的模拟航标灯系统，使其具有：
白天航标灯熄灭；夜间按亮1s,灭1s的规律间歇发光的功能。
（1）硬件设计
打开ProteusISIS编辑环境，按表X-2所列的元件清单添加元件。
表5-2
元件名称
所属类
所属子类
AT89C51
MicroprocessorICs
8051Family
CAP
Capacitors
Generic
CRYSTAL
Miscellancous
—
RES
Resistors
Generic
BUTTON
Switches&Relays
Switches
LED-RED
0ptoelectronics
LEDs
NOT
SimulatorPrimitives
Gates
元件全部添加后，在ProteusISIS编辑区中按图X-3所示连接硬件原理图。
图5.8电路原理图
（2）软件设计
1）基本思路
题目要求定时1s，通过前面的学习可知，T/C的3种工作方式都不能满足这么长的定时要求，所以应该采用复合定时的方法，我们这里的基本思路是：
使T/C0工作在定时器方式1，定时50ms，定时时间到后对P1_0取反，即让P1_0引脚输出周期为100ms的方波脉冲。
另外，设置T/C1处在计数器方式2，对P1_0输出的脉冲进行计数，当计数满10次时，定时1s时间到，将P1_7端反相，即让P1_7引脚输出周期为2s的方波脉冲，用P1_7输出的信号控制LED按亮1s,灭1s的规律间歇发光；至于白天航标灯熄灭，可以通过外部中断来实现，所以在硬件连接中必须满足相应的要求，如图X-3中，用反相器将P1_0与P3_5/T1连接起来，用按钮开关模拟光敏器件连接到P3_2/INT0。
2）源程序
#include
voidmain（void）
{
TMOD=0x69;//设置T0为定时器方式0，并开启门控位，T1为计数器方式2
TH0=（65536-50000）/256;//载入计数初值
TL0=（65536-50000）%256;
TH1=256-10;
TL1=256-10;
IP=0x08;//设中断优先级
EA=1;//开总中断
ET0=1;
ET1=1;
EX0=1;
IT0=1;
TR0=1;
TR1=1;
do{}
while
（1）;
}
voidint0（）interrupt0using0//外部中断0，使LED在白天熄灭
{
P1_7=0;
}
voidtimer0（）interrupt1using1//定时器中断0
{
P1_0=!
P1_0;//P1_0取反
TH0=（65536-50000）/256;//重载计数初值
TL0=（65536-50000）%256;
}
voidtimer1（）interrupt3using2//定时器中断1
{
P1_7=!
P1_7;//P1_7取反
}
（3）调试与仿真
打开KeiluVision3，新建Keil项目，选择AT89C51单片机作CPU，新建C语言程序源文件，编写上述程序并将其导入到“SourceGroup1”中，在“OptionsforTarget”对话窗口中，选中“Optput”选项卡中的“CreateHESFile”选项和“Debug”选项卡中的“Use:
ProteusVSMSimulator”选项。
编译编译并调试以上C语言源程序。
接着在ProteusISIS中，选中AT89C51并单击鼠标左键，打开“EditComponent”对话窗口，设置单片机晶振频率为12MHz，在此窗口中的“ProgramFile”栏中，选择先前用Keil生成的.HEX文件。
在ProteusISIS的菜单栏中选择“File”→“SaveDesign”选项，保存设计。
在ProteusISIS的菜单栏中，打开“Debug”下拉菜单，在菜单中选中“UseRemoteDebugMonitor”选项，以支持与Keil的联合调试。
然后在Keil的菜单栏中选择“Debug”→”Start/StopDebugSession”选项，进入程序调试环境，按“F5”键，顺序运行程序，调出“ProteusISIS”界面，可以看到发光二极管按按亮1s,灭1s的规律间歇发光，当把连接到P3_2端的按钮开关按下时相当于白天，此时发光二极管熄灭不发光，同时单片机的内部定时/计数器也停止计数。
例3设计基于89C51单片机的简易数字时钟，按时：
分：
秒格式在LED上显示时间。
（1）硬件设计
打开ProteusISIS编辑环境，按表X-2所列的元件清单添加元件。
表X-2
元件名称
所属类
所属子类
AT89C51
MicroprocessorICs
8051Family
CAP
Capacitors
Generic
CRYSTAL
Miscellancous
—
RES
Resistors
Generic
BUTTON
Switches&Relays
Switches
7SEG-MPX6-CA-BLUE
0ptoelectronics
7-SegmentDisplays
RESPACK-8
Resistors
ResistorPacks
元件添加后，在ProteusISIS编辑区中按图X-3所示连接硬件原理图，图中“RP1”为排阻，相当于8个上拉电阻（为了绘图简便，下图中单片机的时钟和复位电路并没有画出，这是因为在Proteus仿真中时钟及复位电路可以缺省，但必须记住在实际应用电路中的时钟及复位电路是不能缺省的）。
图5.9电路原理图
（2）软件设计
1）基本思路
编程使T/C0工作在定时器方式1，定时100ms时溢出中断，用变量记录T/C0溢出中断的次数，当T/C0溢出中断满10次，即1s时间到，秒钟加1，将记录中断次数的变量清零；当秒钟满60时，分钟加1，秒钟清零；当分钟满60时，时钟加1，秒钟清零；当时钟满24时，时钟清零；接着又按上述规律开始新一轮计时。
2）源程序
#include
unsignedcharsec=0,min=0,hour=0,y=0;//定义时、分、秒等相关变量
unsignedchartab[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};
voiddelay（unsignedcharx）//延时函数
{unsignedcharj;
while（x--）
for（j=0;j<125;j++）
{;;}
}
voiddisplay（void）//显示函数
{unsignedcharseclbit,sechbit,minlbit,minhbit,hourlbit,hourhbit;
sechbit=sec/10;seclbit=sec%10;
minhbit=min/10;minlbit=min%10;
hourhbit=hour/10;hourlbit=hour%10;
P0=tab[seclbit];
P2_5=1;delay
（1）;P2_5=0;
P0=tab[sechbit];
P2_4=1;delay
（1）;P2_4=0;
P0=tab[minlbit];
P0_7=0;
P2_3=1;delay
（1）;P2_3=0;
P0=tab[minhbit];
P2_2=1;delay
（1）;P2_2=0;
P0=tab[hourlbit];
P0_7=0;
P2_1=1;delay
（1）;P2_1=0;
P0=tab[hourhbit];
P2_0=1;delay
（1）;P2_0=0;
}
voidtimer0（）interrupt1using1//100ms定时中断函数
{
TH0=（65536-50000）/256;
TL0=（65536-50000）%256;
y=y+1;
}
voidmain（void）
{
TMOD=0x01;//设置T/C0为定时方式1
TH0=（65536-50000）/256;//装入初值
TL0=（65536-50000）%256;
EA=1;//开总中断
ET0=1;//开T0中断
TR0=1;//启动定时器T0
while
（1）
{
if（y==10）
{sec=sec+1;//秒钟加1
y=0;}
if（sec==60）
{min=min+1;//分钟加1
sec=0;}
if（min==60）
{hour=hour+1;//时钟加1
min=0;
}
if（hour==24）
{hour=0;}
display（）;//调显示子函数
}
}
（3）调试与仿真
打开KeiluVision3，新建Keil项目，选择AT89C51单片机作CPU，新建C语言程序源文件，编写上述程序并将其导入到“SourceGroup1”中，在“OptionsforTarget”对话窗口中，选中“Optput”选项卡中的“CreateHESFile”选项和“Debug”选项卡中的“Use:
ProteusVSMSimulator”选项。
编译编译并调试以上C语言源程序。
接着在ProteusISIS中，选中AT89C51并单击鼠标左键，打开“EditComponent”对话窗口，设置单片机晶振频率为12MHz，在此窗口中的“ProgramFile”栏中，选择先前用Keil生成的.HEX文件。
在ProteusISIS的菜单栏中选择“File”→“SaveDesign”选项，保存设计。
在ProteusISIS的菜单栏中，打开“Debug”下拉菜单，在菜单中选中“UseRemoteDebugMonitor”选项，以支持与Keil的联合调试。
然后在Keil的菜单栏中选择“Debug”→”Start/StopDebugSession”选项，进入程序调试环境，按“F5”键，顺序运行程序，调出“ProteusISIS”界面，可以看到在6位数码管上按时：
分：
秒格式显示时钟，如图X-4所示。
本例中的数字时钟功能非常简单，没有时间调整等功能，读者可以在此基础上设计出功能更多的数字时钟，如万年历等。
图5.10仿真效果图
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