电子系统设计定时/计数器

MCS-51单片机内部共有两个16位可编程定时/计数器：定时/计数器0和定时/计数器1。在51单片机中，定时/计数器的定时功能和计数功能是由同一种硬件完成的。它们的区别在于计数器的计数脉冲来源于单片机的外部脉冲，而定时器的脉冲来源于单片机的内部（它的脉冲频率取决于单片机的晶振频率）。

4.3.3.1　定时/计数器的结构

MCS-51单片机有两个可编程16位内部定时/计数器，其结构如图4-14所示。定时/计数器由初值寄存器TH0、TL0、TH1、TL1、中断控制寄存器TCON和工作方式控制寄存器TMOD等6个特殊功能寄存器组成。这6个特殊功能寄存器通过内部数据总线与CPU相连接，CPU通过数据总线向TCON、TMOD发送控制命令和读取状态信息，向TH0、TL0、TH1、TL1传送定时计数用初值，当定时器/计数器T0和T1溢出时，将TCON中的定时/计数器中断标志置1，并向CPU发出中断请求。两个定时/计数器有4种工作方式（方式0、方式1、方式2、方式3）可供选择。

计数器的计数都是从计数器的初值开始。单片机复位时计数器的初值为0，也可用软件给计数器装入一个新的初值。定时计数器工作时，不占用CPU的时间。

4.3.3.2定时/计数器的工作原理

定时/计数器有两种用途：定时器和计数器。但一个定时/计数器（T1或T0）不能既做定时器又做计数器。其实，定时/计数器的核心是一个加1计数器，脉冲来源有两个：一个是由系统的时钟晶振器输出脉冲经12分频后送来；另一个是由T0或T1引脚（P3.4或P3.5）输入的外部脉冲源提供。这就是51单片机中定时/计数器的定时功能和计数功能的区别（前者是定时器，后者是计数器）。每来一个脉冲则加1计数器加1，当加到加1计数器为全1时，再来一个脉冲就使加1计数器回到零；且加1计数器的溢出使得TCON寄存器中的TF0（或TF1）置1，向CPU发出中断请求。如果定时/计数器工作于定时模式，则表示定时时间已到；如果定时/计数器工作于计数模式，则表示计数值已满。

图4-14　MCS-51单片机内部定时/计数器的结构

所以定时器的定时时间不仅与计数器的初值有关，而且还与系统的时钟频率有关，在实际使用中要根据时钟频率来确定定时器的初值。

定时/计数器用作计数器时，计数器对来自T0（P3.4）和T1（P3.5）的外部脉冲计数，在每个机器周期的S5P2期间采样引脚输入电平。如果前一个机器周期采样值为1而后一个机器周期采样值为0，则说明有一个脉冲，计数器值加1。新的计数初值于下一个机器周期的S3P1期间装入计数器中。由于此种方式需要两个机器周期来检测一个从“1”到“0”的负跳变信号。因此，最高的计数频率为时钟频率的1/24。

当设置了工作方式并启动定时/计数器开始工作后，定时/计数器就按照设定的工作方式工作，不需要CPU的干预。当定时/计数器值为全1时，如果再输入一个脉冲则计数器重新回到全0，同时把定时/计数器的溢出标志位（TF1或TF0）置位，作为定时/计数器的溢出标志。

定时/计数器有两个控制寄存器，即TMOD和TCON。TMOD用于控制定时/计数器的工作方式，选择定时或计数功能；TCON则用于控制定时/计数器的启动和停止，并控制定时/计数器的工作状态等。启动定时/计数器开始工作之前，需要定义定时/计数器的工作方式，同时对TL0、TH0及TL1、TH1进行初始化编程。下面介绍TCON、TMOD寄存器的结构。

（1）定时/计数器的控制寄存器TCON。

TCON字节地址为88H，用于控制定时/计数器的启、停，标志定时器溢出和中断情况。可以按位寻址，其结构如表4-16所列。

表4-16　TCON寄存器结构

其各个位的含义和功能如下：

IT0：外部中断0触发方式选择位。IT0=0时，低电平触发方式，INT0引脚上低电平有效；IT0=1时，下降沿触发方式，INT0引脚上的电平由高到低的负跳变有效。

IE0：外部中断0请求标志位。当IT0=0时，为低电平触发方式，每个机器周期为S5P2采样INT0引脚。若INT0引脚为低电平，则IE0置1，否则IE0清0；当IT0=1时，为下降沿触发方式，当第一个机器周期采样到INT0为低电平时，则IE0置1。IE0=1表示外部中断0正在向CPU请求中断。但CPU响应中断该位由硬件清0。

IT1：外部中断1触发方式选择位。功能同IT0，但是IT1的工作对象是INT1。

IE1：外部中断1请求标志位。功能同IE0，但是IE1的工作对象是INT1。

TR0：T0运行控制位。TR0=1，启动定时器；TR1=0，关闭定时器，由软件控制。

TF0：T0溢出标志位。当T0计数满溢出时，硬件将TF0置1，并申请中断。进入服务程序后，由硬件将TF0自动清0。需要注意的是，如果使用定时器的中断，那么该位不需人工操作，但是如果使用软件查询方式，当查询到该位置1后，须用软件清0。

TR1：T1运行控制位。功能同TR0，但是TR1的工作对象是T1。

TF1：T1溢出标志位。功能同TF0，但是TF1的工作对象是T1。

（2）定时器工作方式寄存器TMOD。

TMOD字节地址为89H，用来确定定时器的工作方式及功能选择，不能按位寻址，结构如表4-17所列。各个位的含义及功能如下所述。注意：除方式3外，在其他3种工作下T0和T1功能完全相同。

M1、M0：工作方式选择位。M1M0=00，方式0，13位定时/计数器，最大计数8192次；M1M0=01，方式1，16位定时/计数器，最大计数65536次；M1M0=10，方式2，8位自动重装定时/计数器，最大计数256次；M1M0=11，方式3，把T0分为两个8位定时/计数器，最大计数256次。

C/：定时器工作方式控制位。C/=0，定时工作方式，脉冲来自单片机的内部；C/=1：计数工作方式，脉冲由外部提供。

GATE：门控位。当GATE=0时，计数器不受外部控制；当GATE=1时，计数器T0和T1分别受P3.2和P3.3引脚上的电平控制。当P3.2（或P3.3）引脚为高电平时，置TR0（或TR1）为1，计数器T0（或T1）开始计数；当P3.2（或P3.3）引脚为低电平时，计数器T0（或T1）停止计数。

表4-17　TMOD寄存器结构

当定时/计数器为计数模式时，计数脉冲是T0或T1引脚上的外部脉冲。这时，门控位GATE具有特殊的作用。GATE的逻辑结构图如图4-15所示。

当GATE=0时，经反相后使“或门”输出为“1”，此时仅由TR.x控制“与门”的开启，“与门”输出“1”时，控制开关接通，计数开始；当GATE=1时，由外中断引脚信号控制“或门”的输出，此时控制“与门”的开启由外中断引脚信号INT.x和TR.x共同控制。当TR.x=1时，外中断引脚信号INT.x的高电平启动计数，低电平停止计数。这种方式常用来测量外中断引脚上正脉冲的宽度。

图4-15　GATE门控制位结构

注：TR.x为TR0和TR1的简写，INT.x为INT0和INT1的简写。

4.3.3.3　定时/计数器的工作方式

（1）方式0。

方式0为13位计数，由TL0的低5位（高3位未用）和TH0的8位组成。TL0的低5位溢出时向TH0进位；TH0溢出时，置位TCON中的TF0标志，向CPU发出中断请求。方式0定时/计时器逻辑结构图如图4-16所示。

当定时/计数器工作方式为方式0时，假设单片机的机器周期为Tcy，定时产生一次中断的时间为t，那么需要计数的个数N=t/Tcy，装入TH.x和TL.x中的初值分别为：

TH.x=（8192-N）/32　　　　TL.x=（8192-N）%32(www.xing528.com)

由于定时/计数器方式为13位计数器，即最多能装载最大数值为213=8192个。当TL.x和TH.x的初值为0时，最多经过8192个机器周期该计数器就会溢出一次，并向CPU申请中断。

图4-16　方式0定时/计数器逻辑结构图

（2）方式1。

方式1的计数位数是16位，由TL0作为低8位、TH0作为高8位组成了16位加1计数器。方式1定时/计数器逻辑结构图如图4-17所示。

当定时/计数器工作方式为方式1时，假设单片机的机器周期为Tcy，定时产生一次中断的时间为t，那么需要计数的个数N=t/Tcy，装入TH.x和TL.x中的初值分别为：

TH.x=（65536-N）/256　　　　TL.x=（65536-N）%256

图4-17　方式1定时/计数器逻辑结构图

由于定时/计数器方式为16位计数器，即最多能装载最大数值为216=65536个。当TL.x和TH.x的初值为0时，最多经过65536个机器周期该计数器就会溢出一次，并向CPU申请中断。

（3）方式2。

在定时/计数器的方式0和方式1中，当计数器溢出后，计数器变为0。因此在循环定时或循环计数时必须要用软件反复设置计数初值，这必然影响到定时的精度，同时也给程序设计带来很多麻烦。定时/计数器方式2则可解决软件反复重装初值所带来的问题，在计数器溢出后，计数器自动将上次设置的初值重装。所以方式2适合做较精确的脉冲信号发生器，但由于它只有8位计数器，当定时较长时间时也会给编程带来麻烦，同时也可能影响到精度。所以当我们对定时精度要求不高时，使用方式0或方式1比较合适。若要做精确的频率较高的信号发生器时才选用方式2。但也要注意，此时的晶振频率务必要选择12的整数倍，因为定时器的频率是晶振频率的1/12。

方式2为自动重装初值的8位计数方式。方式2定时/计数器逻辑结构图如图4-18所示。

图4-18　方式2定时/计数器逻辑结构图

当定时/计数器工作方式为方式2时，假设单片机的机器周期为Tcy，定时产生一次中断的时间为t，那么需要计数的个数N=t/Tcy，装入TH.x和TL.x中的初值分别为：

TH.x=256-N　　　　　　TL.x=256-N

由于定时器方式2为8位计数器，即最多能装载的数为28=256个。当TL.x和TH.x的初值为0时，最多经过256个机器周期该计数器就会溢出。若使用12MHz的晶振，也只有256μs的时间。若使用11.0592MHz晶振，那么计算机器周期时，晶振自身产生的误差也已经不少了，再加上过程累加，误差便会更大。

（4）方式3。

方式3只适用于定时/计数器T0，定时器T1处于方式3时相当于TR1=0，T1不计数。方式3将T0分成两个独立的8位定时/计数器TL0和TH0，方式3定时/计数器逻辑结构图如图4-19所示。

图4-19　方式3定时/计数器逻辑结构图

TL0为正常的8位定时/计数器，计数溢出后置位TF0，并向CPU申请中断，之后再重装初值。TH0也被固定为一个8位定时/计数器，不过由于TL0已经占用了TF0和TR0，因此这里的TH0将占用定时/计数器T1的中断请求标志位TF1和定时/计数器T1的启动控制位TR1。

这里需要强调一点，因为定时/计数器T0在方式3时会占用定时/计数器T1的中断标志位，为了避免中断冲突，设计程序时一定要注意。当T0工作在方式3时，T1一定不要用在有中断的场合，T1照样可以正常工作在方式0、方式1、方式2下，但无论哪种工作方式都不可以使用它的中断，因为T0要使用T1的中断。通常在这种情况下，T1用作串行口的波特率发生器。

4.3.3.4　定时/计数器的初始化

初始化程序应完成如下工作：

①对TMOD赋值，以确定T0和T1的工作方式。

②计算初值，并将其写入TH0、TL0或TH、TL1。

③使用中断方式时，则对IE赋值，开放中断。

④使TR0或TR1置位，启动定时/计数器的定时或计数。

（1）初值的计算。

假设定时器工作在工作方式1，位数是16位。定时器一旦启动，便在原来的数值上开始加1计数。若在程序开始时我们没有设置TH.x和TL.x，则它们的默认值为0。假设时钟频率为12 MHz，12个时钟周期为一个机器周期，那么此时机器周期就是1μs，计满TH.x和TL.x就需要计数最大值-1。再来一个脉冲后计数器就会溢出，随即向CPU申请中断。因此溢出共需要65536μs，约等于65.5 ms。

若要定时50 ms，那么就要先给TH.x和TL.x装初值。TH.x和TL.x中应该装人的总数为65536-50000=15536，把15536对256求商15536/256=60装入TH.x中；把15536对256求余15536%256=176装入TL.x中。在这个初值的基础上计50000个数后定时溢出，此时刚好就是50 ms中断一次。若要定时1s，由于定时/计数器的最大定时时长为65536μs，不能像定时50 ms那样直接给定时/计数器赋1000000μs的初值，可以累计定时/计数器产生50 ms中断的次数。当中断的次数达到20时就定时到了20×50 ms=1 s。20次50 ms中断时为1s，这样才可以准确控制定时时长。

（2）Keil C中断服务程序的写法。

C51的中断函数格式如下：

中断函数中不能返回任何值，所以在最前面用void；“函数名”可以更改，由用户自定义，但不能和C51的关键字相同；“中断函数”也不能带任何参数，所以“函数名”后面是个空的小括号；“中断号”是指单片机中几个中断源的序号。这个序号是编译器识别不同中断的唯一符号，因此，在编写中断服务程序时务必书写正确；最后的“using工作组”是指这个中断函数使用单片机内存中4组工作寄存器中的哪一组。C51编译器在编译程序时会自动分配工作组，因此“using工作组”可以省略不写。

4.3.3.5　定时器应用

例4-3　根据例4-1原理图，在P1.0口产生周期为20 ms的方波信号。

代码如下：