定时计数器

三、定时/计数器

（一）定时/计数器的结构和工作方式

51系列单片机片内有两个16位的定时/计数器：定时器T0和定时器T1．定时器T0由寄存器TH0、TL1组成，定时器T1由寄存器TH1、TL1组成，它们均为8位寄存器．图2－4是定时器T0的内部结构和控制信号图，定时器T1与T0一样．

T0和T1的具体功能如下：

1．两个定时器都有定时或事件计数的功能，由软件选择是定时工作方式还是计数工作方式．

2．定时/计数器实际上是16位加1计数器．T0由2个8位特殊功能寄存器TH0和TL0构成，T1由2个8位特殊功能寄存器TH1和TL1构成．

3．T0和T1受控制寄存器TMOD和TCON控制．

对于一些增强型的单片机中，增加了定时器2（T2）．T2除了具有T1，T0的计数功能外，还有16位自动重装载功能，可工作于捕获方式和加、减计数方式．定时器的两种工作方式实际上都是对脉冲计数，只不过所计脉冲的来源不同．

图2－4　定时器T0的内部结构和控制信号

（1）定时方式．当C/＝0时，开关S打向上部，计数器TH0、TL0的计数脉冲来自振荡器的12分频后的脉冲（即fosc/12），实际是对系统的机器周期计数．当开关K受控闭合时，每过一个机器周期，计数器TH0，TL0加1；当计数至预设的个数，TH0，TL0重新置零，同时定时/计数器溢出中断标志位TF0（或TF1）置位，产生溢出中断．例如，机器周期为2μs，如计满了3个机器周期溢出则定时了6μs，中断标志位TF0（或TF1）被置位，如果允许中断，将产生溢出中断．

（2）计数方式．当C/＝1时，开关S打向下部，计数器T0，T1的计数脉冲分别来自于引脚T0（P3．4）或引脚T1（P3．5）的外部脉冲．当开关K受控闭合时，计数器对此外部脉冲的下降沿进行加1计数，直至计满预定值回零，定时/计数器中断标志位TF0（或TF1）置位，产生溢出中断．由于检测一个由“1”到“0”的跳变需两个机器周期，前一个机器周期测出“1”，后一个机器周期测出“0”，故计数脉冲的最高频率不得超过fosc/24，而对于外部脉冲的占空比则无特殊要求．

当软件设定了工作方式，定时/计数器启动以后就按规定的方式工作，不占用CPU的操作时间．此时CPU可执行其他程序，除非定时/计数器溢出，才可能中断CPU执行的程序．这种工作的方式如同人类所设的闹钟一样，人在工作或睡觉的时候，闹钟仍然继续运行，到了设定时间，就会响．

（二）定时/计数器的寄存器

1．T/C0和T/C1的寄存器．

定时/计数器0和定时/计数器1是所有51系列单片机都具有的功能，对它们的控制是通过控制寄存器TCON和模式寄存器TMOD来实现．

（1）定时/计数器模式寄存器TMOD．定时/计数器模式寄存器TMOD主要用来设置定时/计数器的工作模式，它的地址是89H，不能进行位寻址，只能用字节传送指令设置定时器工作方式．复位时，TMOD所有位均为0．每一位的定义见表2－7，高四位与定时/计数器1有关，低四位与定时/计数器0有关．

表2－7　定时/计数器模式寄存器TMOD

GATE：定时操作开关控制位，当GATE＝1时，INT0或INT1引脚为高电平，同时TCON中的TR0或TR1控制位为1时，定时/计数器0或1才开始工作．若GATE＝0，则只要将TR0或TR1控制位设为1，计时/计数器0或1就开始工作．

C/：定时或计数功能的选择位，C/＝1为计数器，通过外部引脚T0或T1输入计数脉冲．C/＝0时为定时器，由内部系统时钟提供计时工作脉冲．

M1和M0：分别是模式选择位的高位和低位，通过它们对定时/计数器的工作模式进行设置，见表2－8．

表2－8　定时/计数器的工作模式设置

（2）定时/计数器控制寄存器TCON．定时/计数器控制寄存器TCON的地址是88H，该寄存器可位寻址．它除了用作定时/计数器控制寄存器之外，还有几位与中断有关，我们在前面已有介绍，其中每一位的定义见表2－9．

表2－9　定时/计数器的控制寄存器TCON

2．T/C2的寄存器．

与T/C2相关的寄存器有控制寄存器T2CON和模式寄存器T2MOD．

（1）定时/计数器2控制寄存器T2CON．控制寄存器T2CON用来对定时/计数器2进行设置．T2CON的地址为0C8H，可位寻址，复位值是0000 0000B，寄存器每一位的定义见表2－10．

表2－10　定时/计数器2的控制寄存器T2CON的定义

续　表

定时/计数器2既可以作为定时器，又可以作为事件计数器．其工作方式由特殊寄存器T2CON中的C/T2位选择．定时/计数器2有三种工作方式：捕获方式，自动重装载（向上或向下计数）方式和波特率发生器方式，工作方式由T2CON的控制位RCLK，TCLK，CP/RL2，TR2来选择，参见表2－11．

表2－11　定时/计数器2的工作方式设置

（2）定时/计数器2模式寄存器T2MOD．当定时器2工作于16位自动重载模式，可对其编程实现向上或向下计数．这一功能可以通过定时/计数器2模式寄存器T2MOD（见表2－12）中的DCEN（向下计数允许位）来实现．T2MOD的地址是0C9H，不可位寻址．

表2－12　定时/计数器2模式寄存器T2MOD

（三）定时/计数器的工作方式

1．方式0．

方式0是13位计数结构的工作方式，其计数器由TH0全部和TL0的低5位构成．当TL0的低5位计数溢出时，向TH0进位，而全部13位计数溢出时，则向计数溢出标志位TF0进位．

在方式0下，当为计数工作方式时，计数值的范围是：0～8191（2¹³）；当为定时工作方式时，定时时间的计算公式为：

（2¹³－计数初值）×晶振周期×12

或（2¹³－计数初值）×机器周期

其时间单位与晶振周期或机器周期相同．

2．方式1．

方式1是16位计数结构的工作方式，计数器由TH0和TL0全部位构成．与工作方式0基本相同，区别仅在于工作方式1为16位计数器，比工作方式0有更宽的定时/计数范围．

当为计数工作方式时，计数值的范围是：

0～65535（2¹⁶）

当为定时工作方式时，定时时间计算公式为：

（2¹⁶－计数初值）×晶振周期×12

或（2¹⁶－计数初值）×机器周期

3．方式2．

8位自动装入时间常数方式．由TLl构成8位计数器，THl仅用来存放时间常数．启动T1前，TLl和THl装入相同的时间常数，当TL1计满后，除定时器清零，标志TFl置位并向CPU请求中断，THl中的时间常数还会自动地装入TLl，并重新开始定时或计数．所以，工作方式2是一种自动装入时间常数的8位计数器方式．由于这种方式不需要指令重装时间常数，因而操作方便，在允许的条件下，应尽量使用这种工作方式．当然，这种方式的定时/计数范围要小于方式0和方式1．

当计数溢出后，不是像前两种工作方式那样通过软件方法，而是由预置寄存器TH0或TH1以硬件方法自动给计数器TL0或TL1重新加载，即变软件加载为硬件加载．

初始化时，8位计数初值同时装入TL0和TH0中．当TL0计数溢出时，置位TF0，同时把保存在预置寄存器TH0中的计数初值自动加载TL0，然后TL0重新计数．如此重复不止．这不但省去了用户程序中的重装指令，而且也有利于提高定时精度．但这种工作方式下是8位计数结构，计数值有限，最大只能到255．

这种自动重新加载工作方式非常适用于循环定时或循环计数应用中，例如用于产生固定脉宽的脉冲，此外还可以作串行数据通信的波特率发送器使用．

4．方式3．

2个8位方式．方式3只适用于定时器0．如果使定时器1为工作方式3，则定时器1将处于关闭状态．

当T0为工作方式3时，TH0和TL0分成2个独立的8位计数器．其中，TL0既可用作定时器，又可用作计数器，并使用原T0的所有控制位及其定时器回零标志和中断源．TH0只能用作定时器，并使用T1的控制位TRl、回零标志TFl和中断源．

通常情况下，T0不运行于工作方式3，只有在T1处于工作方式2，并不要求中断的条件下才可能使用．这时，T1往往用作串行口波特率发生器，TH0用作定时器，TL0作为定时器或计数器．所以，方式3是为了使单片机有1个独立的定时器/计数器、1个定时器以及1个串行口波特率发生器的应用场合而特地提供的．这时，可把定时器l用于工作方式2，把定时器0用于工作方式3．

（四）定时/计数器的程序设计

由于定时器/计数器的功能是由软件编程确定的，所以一般在使用定时/计数器前都要对其进行初始化，使其按设定的功能工作．初始化的步骤一般如下：

1．确定工作方式（即对TMOD赋值）；

2．预置定时或计数的初值（可直接将初值写入TH0、TL0或TH1、TL1）；

3．根据需要开放定时器/计数器的中断（直接对IE位赋值）；

4．启动定时器/计数器（若已规定用软件启动，则可把TR0或TR1置“1”；若已规定由外中断引脚电平启动，则需给外引脚加启动电平．当实现了启动要求后，定时器即按规定的工作方式和初值开始计数或定时）．

因为在不同工作方式下计数器位数不同，因而最大计数值也不同．现假设最大计数值为M，那么各方式下的最大值M值如下：

方式0：M＝2¹³＝8 192

方式1：M＝2¹⁶＝65 536

方式2：M＝2⁸＝256

方式3：定时器0分成两个8位计数器，所以两个M均为256．

因为定时器/计数器是作“加1”计数，并在计数满溢出时产生中断，因此初值X可以这样计算：X＝M－计数值

【例2－5】在XTAL频率是12MHz的标准8051器件上，用Timer1产生10kHz定时器滴答中断．

分析：利用T1来产生10kHz的滴答中断，也就是产生周期为100μs的滴答中断．因为时钟频率为12MHz，采用方式2，先计算计数初值：

机器周期　　MC＝12/fosc＝12/12＝1μs；

应计脉冲个数100μs/1μs＝100

程序如下：

【例2－6】如图2－6所示，在P1．7端接有一个发光二极管，要求利用定时/计数器控制，使LED亮1S，灭1S，周而复始．

分析：题目要求定时1S，定时器的3种工作方式都不能满足．对于较长时间的定时，应采用复合定时的方法．这里使定时/计数器0工作在定时器方式1，定时100mS，定时时间到后P1．0反相，即P1．0端输出周期200mS和方波脉冲．另设定时/计数器1工作在计数器方式2，对T1输入的脉冲计数，当计数满5次时，定时1S时间到，将P1．7端反相，改变灯的状态．采用6MHz晶振，方式1的最大定时才能达到100多mS．对于100mS，机器周期2μS需要的计数次数＝100×10³/2＝50 000，即初值为65 536－50 000．方式2满5次溢出中断，初值为256－5．

图2－5　例2－6原理图

程序如下：