基于单片机定时器/计数器的时钟设计以及计数设计

  • 第一部分 前言
  • 第二部分 定时器/计数器的原理
    • MCS-51定时器/计数器的结构
    • 定时器/计数器相关特殊功能寄存器
    • 定时器/计数器工作方式
  • 第三部分 定时器/计数器编程方法
  • 第四部分 定时器/计数器仿真设计
    • 设计案例一
      • 原理图
      • 动态仿真结果
      • 代码
    • 设计案例二
      • 原理图
      • 动态仿真结果
      • 代码

第一部分 前言

  本次单片机基础实验将会通过在Proteus软件中画原理图，然后Keil软件下编写源程序并编译形成可执行文件.hex，下载源程序，进行Protues和Keil的联合仿真运行，最终对单片机仿真有初步的认识。 通过本篇文章定时器/计数器T0、T1的工作方式选择和编程方法。学习Proteus了解定时器/计数器中断服务程序的设计方法

以下是本篇文章正文内容，所设计的案例可供参考

第二部分 定时器/计数器的原理

MCS-51定时器/计数器的结构

  MCS-51单片机根据不同型号，其片内定时器/计数器数目不同。8051单片机有两个16位定时器/计数器寄存器：Timer0（T0定时器）与Timer1（T1定时器1）。8052除这两个定时器/计数器外还增加了1个Timer2（T2定时器），而这3个都可设置为定时器或事件计数器。当其作为“定时器”功能时，它是对标准时钟计数，每个时钟周期寄存器自动增1。由于MCS-51单片机的一个机器周期由12个振荡器周期组成，计数速率是振荡器频率的1/12。作为“计数器”功能，寄存器在响应相应的外部输入引脚T0、T1或T2（在8052中）由1至0的转变而增1。不论是“定时器”还是外部事件“计数器”，其工作原理是一样的，即定时器/计数器电路中的内部计数器从某一预定值（此值是可编程的）开始计数，当累计到最大值时产生溢出，并同时会建立一个相应的溢出标志（即中断标志位）。除了“定时器”或“计数器”选择外，定时器0与定时器1有4种工作方式需要选择。在8052单片机中的定时器T2有3种操作方式：“捕获”、“自动重装入”与“波特率生成器”。下面主要以AT89C51单片机为例讲解定时器/计数器的基本结构。

图1 单片机的定时器/计数器结构框图

  AT89C51单片机片内定时器/计数器的结构如图1所示。定时器内部实质上是16位加法计数器，其控制电路受软件控制。当用作定时器时，对机器周期计数，每过一个机器周期，计数器加１。由于每个机器周期包含12个振荡信号周期，所以加１计数器的计数频率为振荡器信号频率的1/12。当用作计数器功能时，加1计数器的计数脉冲取自外部输入端T0(P3.4)和T1(P3.5)，只要这些引脚上有从“1”到“0”的负跳变，计数器就加1。CPU在每个机器周期的S5P2时刻对外部输入状态进行采样，计数器加1的执行是在检测到跳变后的下一个机器周期的S3P1时刻。由于需要两个机器周期来识别一个从“1”到“0”的负跳变，所以最大计数频率为振荡信号频率的1/24。而外部时钟脉冲持续为0和为1的时间不能少于一个机器周期。
  两个可编程的16位定时器 /计数器T0 和 T1
  - T0 = TH0（高8位） + TL0（低8位）
  - T1 = TH1（高8位） + TL1（低8位）

定时器/计数器相关特殊功能寄存器

  • TMOD：控制定时器/计数器的工作方式
  • TCON：控制定时器/计数器的运行
  • IE、IP：定时器/计数器的中断控制

1. TMOD
  TMOD用来选择定时器/计数器的工作模式和工作方式，它的字节地址是89H，但该寄存器不能进行位寻址。

  • GATE=0，运行控制位 TR0/TR1(=1) 控制 T0/T1 启动；
  • GATE=1，INT0/1 (=1) 及运行控制位TR0/TR1(=1)控制T0/T1启动，可用于外部脉冲宽度测量
  • C/T=0，用作定时器（定时功能通过计数实现，计数脉冲来自内部系统时钟输入，一个机器周期产生一个计数脉冲）；
  • C/T=1，用作计数器（对外部脉冲计数，外部输入脉冲发送负跳
    变时加1）

T0模式

M1 M0 功能
0 0 13 位定时器/ 计数器，TL1 低5 位 + TH1全8 位，最大值为8192
0 1 16 位定时器/ 计数器，TL1、TH1 全用，最大值65.536ms；
1 0 8 位自动重装载定时器，当溢出时将TH1 存放的值自动重装入TL1，最大值为256；
1 1 定时器/ 计数器1 此时无效（停止计数）

T1模式

M1 M0 功能
0 0 13 位定时器/ 计数器，TL1 低5 位 + TH1全8 位，最大值为8192
0 1 16 位定时器/ 计数器，TL1、TH1 全用，最大值65.536ms；
1 0 8 位自动重装载定时器，当溢出时将TH1 存放的值自动重装入TL1，最大值为256；
1 1 定时器0 为双8 位定时器/ 计数器，TL0 作为一个8 位定时器/ 计数器，通过标准定时器0 的控制位控制，TH0 仅作为一个8 位定时器，由定时器1 的控制位控制。

2.TCON
  TCON寄存器的字节地址为88H，可进行位寻址。高4位分别为定时器／计数器的启动控制和溢出中断标志，低4位与外部中断控制有关，

各标志位的功能：

1. IT0—选择外部中断请求0为跳沿触发方式还是电平触发方式：
IT0=0，为电平触发方式。
IT0=1，为跳沿触发方式。
  可由软件置“1”或清“0”。
2. IE0—外部中断请求0的中断请求标志位。
IE0=0，无中断请求。
IE0=1，外部中断0有中断请求。
当CPU响应该中断，转向中断服务程序时，由硬件清“0”IE0
**3. IT1—外部中断请求1为跳沿触发方式还是电平触发方式，意义与IT0类似。

  1. IE1—外部中断请求1的中断请求标志位，意义与IE0类似。
  2. TF0 —T0溢出中断请求标志位。**
      T0计数后，当最高位产生溢出时，由硬件置“1”TF0，向CPU申请中断，CPU响应TF0中断时，清“0”TF0，TF0也可由软件清0。

6. TF1—T1的溢出中断请求标志位，功能和TF0类似。
   TR1、TR0 2个位与中断无关，仅与定时器/计数器T1和T0有关。

3.IE
  中断允许寄存器：CPU对中断源的开放或屏蔽，由片内的中断允许寄存器IE控制。字节地址为A8H，可位寻址。格式如下：

IE中各位的功能如下：

1. EA：中断允许总控制位
EA=0：CPU屏蔽所有的中断请求(CPU关中断) ；
EA=1：CPU开放所有中断(CPU开中断) 。
五个中断源的中断请求是否允许，还要由IE中对应的5个中断请求允许控制位的状态来决定。

2. ES：串行口中断允许位
ES=0：禁止串行口中断；
ES=1：允许串行口中断。

3. ET1：定时器/计数器T1的溢出中断允许位
ET1=0：禁止T1溢出中断；
ET1=1：允许T1溢出中断。

4. EX1：外部中断1中断允许位
EX1=0：禁止外部中断1中断；
EX1=1：允许外部中断1中断。

5. ET0：定时器/计数器T0的溢出中断允许位
ET0=0：禁止T0溢出中断；
ET0=1：允许T0溢出中断。

6. EX0：外部中断0中断允许位。
EX0=0：禁止外部中断0中断；
EX0=1：允许外部中断0中断。

MCS-51复位后，IE清0，所有中断请求被禁止。若使某一个中断源被允许中断，除了IE相应的位被置“1” ，还必须使EA位=1。改变IE的内容，可由位操作指令或字节操作指令来实现。

定时器/计数器工作方式

  在MCS-51系列单片机中，定时器/计数器（T0、T1）具有多种工作方式，当选择工作方式不同，定时/计数器的使用方法差别很大。MCS-51单片机片内的定时器/计数器可以通过对特殊功能寄存器TMOD中的控制位 的设置来选择定时器方式或计数器方式；通过对M1 M0两位的设置来选择定时器/计数器的四种工作方式，下面具体讲解定时器/计数器的工作方式。

1. 工作方式0

  定时器/计数器0、1在工作方式0时的电路逻辑结构见图9-2。工作方式0（M1 M0 = 0 0）是13位计数结构的工作方式，其计数器由TH的全部8位和TL的低5位构成，TL的高3位不使用。当 =0时，定时器/计数器0、1处于定时工作方式，多路开关接通振荡脉冲的12分频输出，13位计数器依次进行计数。当 =1时，定时器/计数器0、1处于计数工作方式，多路开关接通计数引脚（T0），外部计数脉冲由脚T0输入。当计数脉冲发生负跳变时，计数器加1。
  当TL的低5位溢出时，都会向TH进位，而全部13位计数器溢出时，则会向计数器溢出标志位TF0进位。同时，GATA位的状态决定定时器运行控制取决于TR0一个条件还是TR0和/INT0引脚这两个条件。当GATA=1时，由于GATA信号封锁了与门，使引脚/INT0信号无效。而这时候如果TR0=1，则接通模拟开关，使计数器进行加法计数，即定时/计数器工作。而TR0=0，则断开模拟开关，停止计数，定时器/计数器不能工作。当GATA=0时，与门的输出端由TR0和INT0电平的状态确定，此时如果TR0=1，INT0=1与门输出为1，允许定时器/计数器计数，在这种情况下，运行控制由TR0和INT0两个条件共同控制，TR0是确定定时/计数器的运行控制位，由软件置位或清“0”。


  在工作方式0下，计数器的计数值X范围为1～8192（2131）。由于MCS-51单片机的T0和T1采用加计数，因此TH0（TH1），TL0（TL1）的初值N=8192-X。如当计数值X=1000，则计数初值N=7192=1C18H，那么TH0（TH1），TL0（TL1）的值分别为0E0H和18H。由于TL0（TL1）为低5为有效，所以该计数初值N不能简单地分成高8位和低8位赋值给TH0（TH1），TL0（TL1）。当计数初值N=7192=1C18H，其二进制编码如下

1C18H=0001 1100 0001 1000B

  再将16位的二进制编码去除最高的3位，保留后面13位，并取低5位写入到TL0（TL1），高8位写入到TH0（TH1），具体操作如下

1C18H=0001 1100 0001 1000 = 1110 0000 11000B

  其中，11000B是TL0（TL1）对应的低5位，其16进制编码为18H，而1110 0000这8位为TH0（TH1）的内容，其16进制编码为0E0H。
  当定时器/计数器工作于方式0且确定了定时时间T1后，其计数初值N的计算公式为

N=8192-(T1×fosc/12)

  式中，fosc为系统时钟振荡频率。
  假设单片机的晶振选为12MHz，需要用T0进行2ms定时控制，则T0的初值N计算为

N=8192-T1×fosc/12=8192-2×10-3×12×106/12=6192=1830H=0001 1000 0011 0000B

  则对应的13位二进制编码为1100 0001 1 0000则TH0=0C1H，TL0=10H

2. 工作方式1

定时器/计数器0、1工作于方式1时，其电路逻辑结构如图所示。

  工作方式1（M1 M0=0 1）是16位计数结构的工作方式。方式0和方式1的区别仅在于计数器的位数不同，方式0为13位，而方式1则为16位，由TH0作为高8位，TL0为低8位，有关控制状态字（GATA、TF0、TR0）和方式0相同。
  在工作方式1下，计数器的计数值X范围是：1～65536
  当定时器/计数器工作于方式1且确定了定时时间T1后，其计数初值N的计算公式为：

N=65536-（T1×fosc/12）

  则写入到8位寄存器TH0（TH1），TL0（TL1）值分别为
  TH0（TH1）＝N/256
  TL0（TL1）=N%256

3. 工作方式2

  当M1 M0=1 0时，定时器/计数器0、1处于工作方式2，此时其电路逻辑结构如图9-4所示。以定时/计数器0为例，定时/计数器1与之完全一致。

4. 工作方式3

  当M1 M0 =1 1时，定时器/计数器工作于方式3下。方式3只适用于定时器T0，若将T1置为方式3，则它将停止计数，其效果相当于置TR1=0，即关闭定时器T1。当T0工作在方式3时，TH0和TL0被分成两个相互独立的8位计数器，其电路逻辑结构如图所示。

  在工作方式3模式下，TL0既可以作为计数器使用，也可以作为定时器使用，定时器/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。但TH0的功能受到限制，只能作为简单的定时器使用，而且由于定时器/计数器0的控制位已被TL0占用，因此只能借用定时器/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定时器的启动和停止。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可以构成两个定时器或者一个定时器和一个计数器。

第三部分 定时器/计数器编程方法

定时器的初始化编程包括：

  1. 设置定时器工作模式（设置TMOD）；
  2. 设置定时器计数初值（设置THx/TLx）；
  3. 允许定时器中断（IE）；
  4. 启动定时器（TCON）。

例如：

  • 设置定时器工作模式（TMOD不能位寻址）
    TMOD = 0x01； T0工作在模式 1下，16位定时器
  • 设置定时器计数初值
    计算初值公式 （T0定时模式2，8）：
    TH0=(28- 计数值) ； \ 8192 1s, 1us=110^6 ,50000,50ms
    TL0=(28 -计数值)；
    计数值=定时时间/ 机器周期； 如果时钟频率fosc=12MHZ,则机
    器周期=12    时钟周期=12*1/fosc=1us。 6mhz,
    PS：如果要求定时器按某固定时间间隔不断触发，需要在中断服务程
    序中再次设置定时器计数初值（模式2除外），否则，中断服务程序以该模
    式下的最大定时值工作。
  • 允许定时器中断（中断号）
    EA=1；ET0=1
  • 启动定时器
    定时器T0：TCON=0x10 或者 TR0=1

第四部分 定时器/计数器仿真设计

设计案例一

  基于上述原理可以设计一个60s计时的秒表，完成秒表电路的设计与编程调试。

原理图


  定时器T0或T1实现秒表的计时功能，工作模式不限，计时60s后自动从0开始重新计时， INT0中断方式实现秒表的启动和暂停计时； INT1中断方式实现秒表的计时重置。

动态仿真结果


代码

Keil代码如下：

#include<reg51.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit duan = P2^0;
sbit wei = P2^1;
sbit int0=P3^2;
sbit int1=P3^3;
uchar code LED_D[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};
uchar code LED_W[]={0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80};
uchar count=0;
uchar Time=0;void Delay(uint x);//延迟函数
void Display2(uchar W1, Time);//显示函数
void QP();//清屏函数
//主函数
void main()
{QP(); TMOD=0x01;//设置定时器工作方式  TH0=(65536-50000)/256;//计算初值，高8位TL0=(65536-50000)%256;//计算初值，第8位ET0=1;EA=1;  //开总中断 while(1){            if(int0==0){Delay(100);if(int0==0){TR0=!TR0;while(int0==0);}}if(int1==0){Delay(100);if(int1==0){Time=0;}}Display2(6,Time);    }}
void LED_Flash() interrupt 1//中断函数
{EA=0;//关总中断TH0=(65536-50000)/256;//重装初值 TL0=(65536-50000)%256;//重装初值if(++count==20)     //开始计数{count=0;Time++;if(Time==61)Time=0;  }EA=1;
}
void Int0() interrupt 0
{if(int0==0){Delay(100);if(int0==0){TR0=!TR0;while(int0==0);}}
}
void Int1() interrupt 2//中断函数
{ EA=1;ET0=1;if(int1==0){Delay(10);if(int1==0){Time=0;}}
}
void Display2(uchar W1, Time)//显示函数
{uchar shi,ge;shi = Time/10;ge = Time%10;P0 = LED_D[shi];duan = 1;   duan = 0;P0 = LED_W[W1];wei = 1; wei = 0;Delay(3);QP(); P0 = LED_D[ge];duan = 1;duan = 0; P0 = LED_W[W1+1];wei = 1;wei = 0; Delay(3); QP();
}
void QP()
{P0=0x00;duan = 1; duan = 0; wei = 1; wei = 0;
}
void Delay(uint x)   //延时
{uchar t;while(x--) for(t=0;t<110;t++);
}

设计案例二

利用T0、T1计数器功能，实现按键计数，计数值分别在2个4位数码管上显示。

原理图

  • 利用定时器T0工作模式2，中断方式，计数初值为0，数码管显示3位数
  • T1工作模式不限，非中断方式，计数初值为256，数码管显示3位数
  • INT0中断方式实现T0、T1计数清零

动态仿真结果


  通过不同的按键来实现对应的计数功能，利用定时器的计数功能可以使得单片机得到快速响应。

代码

#include<reg51.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit duan = P2^0;
sbit wei = P2^1;
uchar code LED_D[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};
uchar code LED_W[]={0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80};
uint count1,count2;
void Delay(uint x);
void Display2(uchar W1,uint count);
void QP();
void main()
{QP(); EA=1; //开总中断TMOD=0x46; //设置定时器工作方式   TH0=TL0=0; //设定初值TH1=1;TL1=0;ET0=1;EX0=1;IT0=1;TR0=1;TR1=1;while(1){ if(TF1==1) TF1=0;count1 = TL0;count2 = TH1*256+TL1;Display2(1,count1);          Display2(5,count2);       }
}
void Flash() interrupt 1
{EA=0;TL1=0;EA=1;
}
void Clear() interrupt 0
{TL0=0; TL1=0;
}
void Display2(uchar W1, uint count)
{uchar  bai,shi,ge;bai = count%1000/100;shi = count%100/10;ge = count%10;P0 = LED_D[bai];duan = 1;   duan = 0;P0 = LED_W[W1];wei = 1; wei = 0;Delay(3);QP(); P0 = LED_D[shi];duan = 1;duan = 0; P0 = LED_W[W1+1];wei = 1;wei = 0;Delay(3); QP();P0 = LED_D[ge];duan = 1;duan = 0;P0 = LED_W[W1+2];wei = 1;wei = 0;Delay(3); QP();
}
void QP()
{P0=0x00;duan = 1; duan = 0; wei = 1; wei = 0;
}
void Delay(uint x)
{uchar t;while(x--) for(t=0;t<110;t++);
}

  以上就是本次定时器/计数器的全部内容，希望通过本次的讲解能够加深大家对于定时器/计数器以及中断的理解。文章的内容可能存在部分不足之处，如有错误，请在评论区指出，谢谢。如果大家觉得文章有用，麻烦点赞关注，感谢支持，后续将会推出单片机的进阶设计文章。

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