定时器与计数器的应用及基本概念

定时器/计数器是单片机的重要部件之一，能进行精确的定时和计数，定时器由单片机内部稳定的信号源计数，而计数器用于记录单片机外部发生的事件。定时器/计数器广泛应用于工业控制和检测中，可实现定时、延时、频率测量、信号检测等功能。

MCS-51单片机内部有两个16位的可编程定时器/计数器T0（定时器0）和T1（定时器1），分别由两个8位的RAM单元组成，最大计数值为65 536，当超过65 536时，定时器/计数器产生溢出。

1.定时器/计数器的内部结构及工作原理

定时器/计数器T0、T1由加法计数器、定时器/计数器工作方式寄存器TMOD和定时器/计数器控制寄存器TCON组成，其内部结构如图4.1所示。T0和T1实质上是16位加法计数器。T0由TH0和TL0两个8位加法计数器构成，TH0为高8位，TH1为低8位。T1由TH1和TL1构成。TL0、TL1、TH0、TH1的访问地址依次为8AH～8DH，每个寄存器均可单独访问。TMOD是定时/计数器的工作方式寄存器，确定工作方式和功能。TCON是控制寄存器，控制T0、T1的启动和停止及设置溢出标志。

图4.1　T0、T1内部结构

定时器/计数器每接收到一个计数脉冲，计数器加1，当加到计数器为全1时，再输入一个脉冲就使计数器回零，且计数器的溢出使TCON中TF0或TF1置1，如果定时/计数器中断允许，则向CPU发出中断请求。根据计数脉冲来源的不同，定时器/计数器有定时和计数两大功能。

当定时/计数器设置为定时工作方式时，计数脉冲来自系统时钟振荡器输出十二分频信号。实际上，计数周期即为单片机的一个机器周期。调整计数器初值，可调整从初值到计满溢出的机器周期数，即调整了定时时间。相关数值计算如下：

计数值N=溢出值（最大计数值）-计数初值X

定时时间τ=机器周期T×计数值N

计数频率 fc=时钟频率fosc/12

若系统采用12 MHz晶振，则计数周期（机器周期）

T=1/［12×106×（1/12）］=1（μs）

若计数值为N，则定时N μs。

当定时器/计数器设置为计数工作方式时，计数脉冲来自输入引脚T0（P3.4）和T1（P3.5）的外部信号，外部脉冲的下降沿触发计数，计数器加1。新的计数值于下一个机器周期装入计数器中。由于检测一个高电平到低电平的负跳变需要两个机器周期，因此，CPU能够检测到的外部脉冲的最高频率为系统时钟频率的1/24。外部输入信号的高电平与低电平的持续时间须在一个机器周期以上。

2.定时器/计数器的控制寄存器

MCS-51单片机的定时器/计数器由TMOD和TCON两个工作寄存器控制，用户通过编程TMOD和TCON的控制内容来选择定时器/计数器的功能（定时还是计数）、设定工作方式、定时时间、计数初值、启动、中断请求等操作。

1）定时器工作方式寄存器TMOD

TMOD用于控制T0和T1的工作方式，低4位用于T0，高4位用于T1。其位格式定义见表4.2。

表4.2　TMOD位格式定义

GATE：选通控制位。GATE=0，只要用软件对TR0（或TR1）置1就可启动定时器。GATE=1，只有在INT0（或INT1）引脚为1，且用软件对TR0（或TR1）置1时才能启动定时器工作。

定时器/计数器方式选择位。设置成定时工作方式；设置成计数工作方式。

M1、M0：工作方式控制位，可构成表4.3的四种工作方式。

TMOD所有位复位后清零。TMOD不能位寻址，只能以字节方式工作。

表4.3　工作方式选择

2）定时器控制寄存器TCON

定时器控制寄存器TCON已在前面介绍过，与定时器计数器相关的是TCON的高4位，TF1、TF0为溢出中断标志位，TR1、TR0为定时器/计数器运行控制位。

3.定时器/计数器的工作方式

MCS-51单片机由TMOD中的M1、M0控制，可以设置成四种工作方式。除了工作方式3以外，其他三种工作方式基本原理一致。用户通过指令把方式写入TMOD，选择定时器/计数器的功能和工作方式，然后将计数初值写入THx和TLx中控制定时或计数长度，再通过选通控制位的置1或清0来启动或停止定时器/计数器工作。另外，通过查询TH、TL和TCON的内容，可以判断定时器的状态。

1）工作方式0

方式0为13位计数器，由TLx的低5位（高3位未用）和THx的8位组成，最大计数值为213=8 192。TLx的低5位溢出时向THx进位，THx溢出时，置位TCON中的TFx标志，向CPU发出中断请求。工作方式0下，T0的结构如图4.2所示。

图4.2　T0工作方式0的结构

当时，多路开关与T0（P3.4）相连，外部计数脉冲由T0脚输入，此时，T0为计数器。计数值为

N=213-X=8 192-X

其中，N为计数值，X为TH0、TL0的初值。X的取值范围为0～8 191，则计数范围为1～8 192。

当时，多路开关与时钟的十二分频信号相连，T0对机器周期Tcy计数，此时T0为定时器。其定时时间为

T=N·Tcy=（8 192-X）Tcy

当振荡频率fosc=12 MHz时，Tcy=1 μs，定时范围为1～8 192 μs。

门控位GATE具有特殊的作用。

当GATE=0时，或门被封锁，信号无效。或门输出常为1，打开与门，TR0直接控制定时器0的启动和关闭。TR0=1，接通控制开关，定时器0从初值开始计数直至溢出。溢出时，16位加法计数器为0，TF0置位，并申请中断。如要循环计数，则定时器T0需重置初值，且需用软件将TF0复位。TR0=0，则与门被封锁，控制开关被关断，停止计数。

当GATE=1时，与门的输出由的输入电平和TR0位共同决定。若TR0=1，则与门打开，外部电平通过引脚直接开启或关断定时器T0，为高电平时，允许计数，否则停止计数。这种方式常用来测量外中断引脚上正脉冲的宽度。若TR0=0，则与门被封锁，控制开关被关断，停止计数。

2）工作方式1

方式1为16位计数器，由TLx作为低8位和THx作为高8位共同组成，最大计数值为216=65 536。工作方式1下，T0的结构如图4.3所示。

图4.3　T0工作方式1结构

方式1构成一个16位定时器/计数器，其结构与操作几乎和方式0相同，差别在于两者计数位数不同。作为计数器时，计数值为

N=213-X=8 192-X

计数范围为1～65 536。

作定时器时，其定时时间为

T=N·Tcy=（65 536-X）Tcy

当振荡频率fosc=12 MHz时，Tcy=1 μs，则定时范围为1～65 536 μs。

3）工作方式2

方式2为可自动重装初值的8位计数器，仅TLx用于计数，THx用于保存计数初值。最大计数值为28=256。工作方式2下，T0的结构如图4.4所示。

图4.4　T0工作方式2的结构

方式2与方式0和方式1的区别不仅仅在于计数位数少，计数范围小，方式2还具有初值自动重装功能。当TLx计满溢出后，溢出标志位TFx=1，与此同时，将原来装在THx中的计数初值重新装入TLx，特别适合需要重复定时的场合，如脉冲信号发生器。

方式2作为计数器时，计数值为

N=28-X=256-X(www.xing528.com)

计数范围为1～256。

作定时器时，其定时时间为

T=N·Tcy=（256-X）Tcy

当振荡频率fosc=12 MHz时，Tcy=1 μs，则定时范围为1～256 μs。

4）工作方式3

定时器/计数器工作在方式3时，定时器T0被分解成两个独立的8位计数器TL0和TH0，两个定时器的最大计数值均为256，其结构如图4.5所示。

图4.5　T0工作方式3结构

定时器/计数器工作在方式3时，TL0占用原T0的控制位、引脚和中断源。除计数位数与方式0、方式1不同外，其功能、操作与方式0、方式1完全相同，可定时也可计数。而TH0占用原定时器T1的控制位TF1和TR1，同时还占用了T1的中断源，其启动和关闭仅受TR1置1或清0控制，TH0只能对机器周期进行计数，因此，TH0只能用作简单的内部定时，不能用作对外部脉冲进行计数，是定时器T0附加的一个8位定时器。TL0和TH0的定时时间分别为

TTL0=NTL0·Tcy=（256-XTL0）Tcy

TTH0=NTH0·Tcy=（256-XTH0）Tcy

其中，XTL0、XTH0分别为TL0和TH0的计数初值。

一般系统需要增加一个额外的8位定时器时，可设置为工作方式3。在这种情况下，T1仍然可以被定义为工作方式0、1、2，由于中断标志位和运行控制位被TH0占用，T1不能中断，只能将计数器溢出直接送给串行口，一般作为串行口波特率发生器使用，故T1无法使用方式3工作。

4.定时器/计数器的应用

1）定时器/计数器的编程

定时器/计数器的初始化步骤如下：

（1）确定工作方式，将工作方式控制字写入TMOD。

（2）根据定时时间或计数要求计算计数初值，并将其写入TLx和THx。

（3）若需要使用中断，ETx、EA置1，开放定时器/计数器中断和CPU中断。

（4）当GATE=0时，TRx置1，启动计数；当GATE=1时，除软件置位外，还必须在外中断引脚处加上相应的电平值才能启动。

定时器/计数器的应用一般有查询和中断两种方式。查询方式时在整个计数过程中，通过指令不断查询TF0或TF1的状态来判断计数是否溢出。这种方式编程较简单，但是需要占用大量CPU时间，使得CPU效率降低。中断方式是利用中断系统，计数溢出后向CPU发出中断请求，将溢出后需要执行的操作放入定时器/计数器对应的中断服务程序中执行。采用中断方式可以提高CPU的效率。

另外，如果在某些应用中不需要进行定时或计数，则T0和T1可作为外部中断请求使用。此时将定时器/计数器设置成计数方式，计数初值设为最大值，在计数输入端T0（P3.4）或T1（P3.5）引脚上发生负跳变时，计数器加1便产生溢出中断。这样把T0脚或T1脚作为外部中断请求输入端口，而计数器的溢出中断作为外部中断请求标志。

2）定时器/计数器应用实例

【例4.1】如图4.6所示，P1口接有8个发光二极管，编程使8个发光二极管轮流点亮。每个发光二极管亮100 ms，设晶振频率fosc=6 MHz。

图4.6　例4.1题图

解：

（1）工作方式确定。可用T1完成100 ms定时时间，使P1初始状态为FEH，每隔100 ms左移一次。当晶振频率fosc=6 MHz时，机器周期Tcy=2 μs，则计数值计算如下：

N=T/Tcy=100 ms/2 μs=50 000

因此采用工作方式1，工作方式字TMOD=10H，即

TMOD.0～TMOD.3：因T0不用，可取任意值，此处取0值；

TMOD.4、TMOD.5：M1M0=01，T1工作在方式1；

TMOD.6：T1为定时方式；

TMOD.7：GATE=0，计数不受脚控制。

（2）计算计数初值：

X=216-N=65 536-50 000=15 536=3CB0H

则TH0=3CH，TL0=0B0H。

（3）查询方式参考程序。

C语言源程序如下：

（4）中断方式参考程序。

C语言源程序如下：

【例4.2】在单片机P1.0口接一个发光二极管，要求利用定时控制使LED亮1 s灭1 s，周而复始，设晶振频率fosc=6 MHz。

解：

（1）分析与计算。当fosc=6 MHz时，机器周期Tcy=2 μs，工作方式0最大定时时间为16.384 ms，工作方式1最大定时时间为131.072 ms，工作方式2最大定时时间为512 μs。显然无法满足定时1 s的要求。可以采用方式0，使T0每隔10 ms中断一次，利用软件对中断次数进行计数，中断100次即实现1 s定时。也可以采用方式1，使T0每隔100 ms中断一次，中断10次实现1 s定时。

这里采用T0工作方式0，则TMOD=00H。

计数初值：

X=213-N=8 192-（10 ms/2 μs）=3 192=0C78H=000 0 1100 011 1 1000B

则TH0=0110 0011B=63H，TL0=0001 1000B=18H。

（2）参考程序。

C语言源程序如下：

【例4.3】当GATE=1、TR0=1时，只有引脚上出现高电平时，T0才被允许计数，试利用这一功能测试引脚上正脉冲的宽度（以机器周期表示）。

解：

（1）分析。设外部待测脉冲由脚输入，T0工作在方式1，设置为定时状态，GATE置1。测试时，在端为0时TR0置1，当变为1时启动计数；再次变为0时停止计数。此时的计数值即为被测正脉冲宽度。

（2）参考程序。

C语言源程序如下：