第 6 章定时器与计数器

6.1 定时和计数的基本概念

6.2 MCS-51 单片机定时 / 计数器的结构和工作原理

6.3 定时 / 计数器工作模式及其应用

6.4 综合应用举例

第 6 章定时器与计数器

从一个生活中的例子来理解计数的基本概念：假设你希望知道一个碗里可以装多少豆子？你可以采用什么办法呢？你肯定会说把碗里的豆子数一下就行了，不错，正是如此。从这个常见的计数例子可以看出，如果想计数，必须必备三要素：

◆ 计数单元：豆子

◆ 人：一个能认识豆子并能计数的人

◆ 计数容量：一个碗，同时碗装满了，人可以看到碗满了，停止计数

计数的基本概念

但是生活中常见的事情如何用单片机去实现呢？单片机是无法认识豆子等我们人可以通过眼睛认识的事物。单片机可以识别的只能是电脉冲信号，如果想利用单片机完成计数功能，则与生活中的计数相对应，需要以下三要素：

◆ 计数脉冲：单片机的某个 IO 引脚可以识别脉冲信号

◆ 单片机 CPU ：单片机 CPU 内部集成这样的硬件功能，即 IO 引脚每来一个脉冲，寄存器的值增加 1 ，计数一次。

◆ 计数容量：计数容量和寄存器的位数有关，如果利用 8 位寄存器则只能计数到 255 ，超过 255 则必须告诉 CPU 已经溢出，停止计数

还是从生活中的定时例子来说明定时的基本概念。一个闹钟，将它定时在 1 个小时后闹响，换言之，也可以说是秒针走了 3600 圈，如果需要你设计一个这样的定时装置，你该怎么办呢？同时想定时，必须必备三要素：

定时的基本概念

◆ 定时基准：最小的定时单元，对于本例而言，需要一个精确的秒针，当秒针走一圈，则表示一秒的时间。 ◆ 计数功能：需要一个装置能计数，秒针每走一圈则计数功能加 1 。 ◆ 计数容量：当计数达到 3600 圈以后，则报警表示定时时间已到。

同样对于单片机而言如何实现现实生活中需要的定时功能呢？如果想利用单片机完成定时功能，则与生活中的定时相对应，需要以下三要素：

◆ 定时基准：单片机中的晶振提供一个精确的定时基准。由单片机的晶振经过 12 分频后获得的一个脉冲源，即采用机器周期作为定时基准，如果晶振为 12M ，则定时基准为 1us 。

◆ 计数功能：与计数功能相同，单片机 CPU 内部集成这样的硬件功能，即每一个机器周期，寄存器的值增加 1 ，计数一次。

◆ 计数容量：当达到用户定义的时间后，则申请中断，在中断程序中实现报警功能。

6.2.1 定时 / 计数器概述INT1 INT0（P3.3）（P3.2）

CPU

定时器T1

TH1 TL1

（8DH）（8BH）

7 0 7 0

定时器T0

（8CH）（8AH）

7 0 7 0

TH0 TL0

工作模式

TMOD（89H）

工作模式

内部总线溢出

启动

启动

溢出

中断 TCON（88H）

T1（P3.5）

图 6-1 定时 / 计数器结构

12分频

TFX

晶振

C/T—

每一机器周期采样一次

TRX

GATE

INTX

计数寄存器

图 6-2 定时 / 计数器控制逻辑

6.2.2 单片机定时 / 计数器的工作方式定时器工作方式设置为定时器工作方式时，基准时间由单片机的晶振经过 12 分频后获得的一个脉冲信号，即机器周期信号。机器周期信号输入到加 1 计数器，加 1 计数器实现每个机器周期使 T0 或 T1 的计数寄存器数值增加 1 ，直至计满溢出，根据计数机器周期的次数可以得到定时时间。计数器工作方式设置为计数方式时，外部脉冲信号输入到引脚 T0 （ P3.4 ）和T1 （ P3.5 ）， CPU 对外部脉冲信号进行采样计数，加 1 计数器由外部输入脉冲信号的下降沿触发计数。

计数方式具体工作过程

计数器在每个机器周期的 S5P2 期间采样 T0 和 T1 引脚的输入电平，若前一个机器周期采样值为 1 ，下一个机器周期采样值为 0 ，则计数器加 1 。所以检测一个从 1 到 0 的跳变需要两个机器周期，即外部输入信号的周期应大于或等于两个机器周期，也就是说外部输入信号的频率必须小于晶振频率的 1/24 ，若频率超过晶振频率的 1/24 ，则无法准确计数脉冲个数。虽然对外部输入信号的占空比无特殊要求，但是为了确保输入信号电平在变化之前至少被采样一次，要求电平保持时间至少是一个完整的机器周期。对输入脉冲信号的基本要求如图 6-3 所示。

>机器周期

>机器周期

图 6-3 对输入脉冲宽度的要求

TMOD 用于控制 T0 和 T1 的工作模式。TMOD 不能位寻址，只能用字节设置定时器的工作模式，低半字节设置 T0 ，高半字节设置 T1 。8051 系统复位时， TMOD 的所有位被清 0 。TMOD 各位的定义格式如图所示

6.2.3 工作模式寄存器 TMOD

GATE C/ T M1 M0 GATE M1C/ T M0

定时器 T1 定时器 T0

TMOD（ 89H ）

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

M1 和 M0— 操作模式控制位。两位可形成四种编码，对应于四种模式。

TC / —计数器 / 定时器方式选择位0/ TC 设置为定时方式。定时器计数 8051

片内脉冲，即对机器周期计数1/ TC 设置为计数方式。计数器的输入来自 T

0 （ P3.4 ）或 T1 （ P3.5 ）端的外部脉冲

GATE—门控位。 GATE=0 ，只要用软件使 TR0 （或 TR1 ）置 1就可以启动定时器，而不管 INT0 （或 INT1 ）的电平是高还是低。 GATE=1 ，只有 INT0 （或 INT1 ）引脚为高电平且由软件使 TR0 （或 TR1 ）置 1 时，才能启动定时器工作。

TCON除可字节寻址外，各位还可位寻址。8051 系统复位时， TCON 的所有位被清 0 。 TCON 各位的定义格式如图所示。

6.2.4 启动控制寄存器 TCON

6.3 定时 / 计数器工作模式及其应用

6.3.1 模式 0 及其应用




6.3.1 工作模式 0 及其应用

1 逻辑结构

2 控制寄存器 TMOD 和 TCON 的设置

3 定时 / 计数器初值的设置

4 模式 0 的应用

1 逻辑结构

振荡器

C/T=0—

T0引脚

INT0

TF0

TR0

中断

C/T=1—

TL0(5位)

TH0(8位)

控制

M0

M1

C/T

GATEA

B

0

0

12分频

图 6-7 模式 0 时的逻辑结构图

例 6.4 用 T0 定时，选择工作模式 0 ，由单片机 P1.0 输出占空比为 50％、周期为 2ms 的方波，晶振频率为 12M 。

源程序如下： ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH LJMP INT_TIME0 ORG 0030HMAIN: MOV TMOD, #00H ；设置工作方式 MOV TH0, #0E0H ；设初始值 MOV TL0, #18H SETB TR0 ；启动定时器 SETB EA ；开放定时器中断 SETB ET0 SETB P1.0 LJMP $INT_TIME0: MOV TH0, #0E0H ；对定时器重新

赋值 MOV TL0, #18H CPL P1.0 RETI

4 工作模式 0 应用


1 逻辑结构




1 模式 1 的逻辑电路结构

振荡器

C/T=0—

T1引脚

INT1

TF1

TR1

中断

C/T=1—

TL1(8位)

TH1(8位)

控制

M0

M1

C/T

GATEA

B

1

0

12分频

图 6-8 模式 1 逻辑结构图

4 模式 1 的应用举例例 6.7 用 T1 定时，选择工作模式 1 ，由单片机 P1.0 输出 50Hz的方波，晶振频率＝ 12M 。

源程序如下：ORG 0000H

LJMP MAIN ORG 0030HMAIN ： MOV TMOD,#10H ；设置 T1 为模式 1

SETB TR1 ；启动定时LOOP ： MOV TL1,#0D8H ；送初值 MOV TH1,#0F0H JNB TF1 ， $ ；查询定时时间到否 CLR TF1 ；产生溢出，清标志位 CPL P1.1 ；取反 SJMP LOOP ；重复循环


1 逻辑结构




1 模式 2 的逻辑电路结构

重新装入

12分频晶振

C/T=0—

T0引脚

TF0C/T=1—

TL0(8位)

TH0(8位)

控制

M0

M1

C/T

GATE

0

1

INT0 TR0

AB

图 6-9 模式 2 逻辑结构

4 模式 2 的应用举例例 6-10 ：利用定时器 T1 的模式 2 对外部信号计数。要求每计

满 100 次，将 P1.0 引脚取反。源程序： ORG 0000H LJMP MAIN ORG 001BH

LJMP INT_TIME1ORG 0030H

MAIN: MOV TMOD,#60H ；设置 T1 为模式 2, 外部计数方式

MOV TL1,#9CH ； T1 计数器初值 MOV TH1,#9CH SETB EA ；开放定时器中断 SETB ET1 SETB TR1 ；启动 T1 计数HERE: SJMP HERE ；等待中断INT_TIME1: CPL P1.0 RETI

6.4 综合应用举例由于 MCS-51 单片机的定时 / 计数器是可编程的，因此

在使用之前需要进行初始化。在编程时主要注意两点：第一要能正确写入控制字；第二能进行计数初值的计算。一般情况下，包括以下几个步骤：（ 1 ）确定工作方式，即对 TMOD 寄存器进行赋值。（ 2 ）计算计数初值，并写入寄存器 TH0、 TL0 或 TH1、 TL1 中。（ 3 ）根据是采用中断还是查询方式决定是否置位 ETx允许 T/C 中断。（ 4 ）根据是采用中断还是查询方式决定是否置位 EA 使 CPU开中断。（ 5 ）置位 TRx启动计数。

例 6-11 试选择定时 / 计数器 T0 测试 INT0 （ P3.2 ）引脚上输入的被测脉冲宽度，已经晶振频率＝ 12M

分析：定时器可以用于测量脉冲宽度程序设计，测量外部脉冲宽度利用 TMOD 的门控位控制很方便，当设置 GATE ＝ 1 时，仅设置 TR0 （ TR1 ）等于“ 1” ，定时器不能被启动，还必须等外部脉冲高电平时，定时器才开始工作。测试过程如图 6-11 所示

被测脉冲

计数器启动计数器关闭

图 6-11 被测脉冲波形

例 6-11 源程序如下：ORG 0000H

LJMP MAIN ORG 000BH


MAIN: MOV R2,#00H ；如果被测脉冲宽度太长，则累计溢出次数

MOV TMOD,#09H ；设置 T0 为模式 1 ，门控方式MOV TL0,#00H ；设置初值MOV TH0,#00HSETB EA ；开放 T0 中断SETB ET0SETB TR0 ； INT0 引脚高电平到来才会启动 T0JNB P3.2, $ ；等待高电平到来JB P3.2,$ ；高电平到来，启动 T0开始测量CLR TR0 MOV R0,TH0 ； P3.2 低电平，测量结束，保存结果MOV R1,TL0 LJMP $

INT_TIME0: INC R2MOV TL0,#00HMOV TH0,#00HRETI

例 6-12 ：电路如图 6-12 所示， P1.0 引脚外接发光二极管 D0 ，要求 D0 以 1s 的间隔闪烁。已经晶振频率＝ 12M

39 38 37 36 35 34 33 32

21 22 23 2425262728

P00P01P02P03P04P05P06P07

P20P21P22P23P24P25P26P27

10113029

RXDTXD

CLOCK373

P10P11P12P13P14P15P16P17

INT1INT0

T1T0

X1X2

12345678

13121514

1918

RDWR

1716

EA/VP

RESET9

X1X2

VCC

T1T0

LCD DIRINTO

RESET

6264RD6264WD

VCC

1KSP-R2

SP-C310U

SP-C130p SP-C2

30p

SP-CRY11M

8031

SP-U1

NETLAB410

图 6-12 例 6-12 电路原理图

例 6-12 源程序代码：ORG 0000H

LJMP MAIN ORG 000BH


MAIN: MOV P1,#0FFH 　　　；关所有灯MOV 30H,#00H 　　；软件计数器预清 0MOV TMOD,#01H ；定时 / 计数器 0 工作于方式 1MOV TH0,#3CH MOV TL0,#0B0H　；即数 15536SETB EA 　　；开总中断允许SETB ET0 　　；开定时 / 计数器 0允许SETB TR0 　　；定时 / 计数器 0开始运行

LOOP: AJMP LOOP 　　；真正工作时 , 这里可写任意程序

INT_TIME0: INC 30H 　　　　；定时器 0 的中断处理程序

MOV A,30HCJNE A, #20,T_END 　　　　； 30H 单元中的值到了 20 了吗 ?CPL P1.0 　　　　；到了 ,取反 P10MOV 30H, #00H 　　　　；清软件计数器

T_END: MOV TH0,# 3CHMOV TL0,# 0B0H 　　　；重置定时常数RETI

例 6-13 设一交通路口设红、黄、绿三盏交通灯，当红灯亮 2s后，黄灯亮 400ms ，绿灯亮 1s ，试用单片机模拟交通灯控制

分析：单片机采用发光二极管模拟交通灯控制，即利用 P1.0～ P 1.2 分别接红、黄、绿三个发光二极管。但是这里用到三个定时时间（ 2s、 400ms 、 1s ），难道每个定时时间都编写不同的定时程序，那么如果需要更多的定时时间，怎么办？这里还是采用软件定时器的方式，即找到这几个定时的时间的公约数，利用软件计数器就可以完成不同的延时。

例 6-13 源程序如下：NumberOf50ms EQU 30H 　　　；定义软件定时器

的计数次数ORG 0000HLJMP MAIN

ORG 000Bh LJMP INT_TIME0

ORG 0030H MAIN: CLR P1.0 红灯亮 MOV NumberOf50ms,#28H 延时 2s LCALL DELAY SETB P1.0 红灯灭 CLR P1.1 黄灯亮 MOV NumberOf50ms,#08H 延时 400ms LCALL DELAY SETB P1.1 黄灯灭 CLR P1.2 绿灯亮 MOV NumberOf50ms,#14H 延时 1s LCALL DELAY SETB P1.2 绿灯灭 LJMP MAIN

DELAY: SETB ET0SETB EASETB TR0MOV TMOD,#01HMOV TH0,#3CH MOV TL0,#0B0H

DEL_LOOP: MOV A, NumberOf50msCJNE A, #00H,DEL_LOOPCLR TR0RET

;*************************INT_TIME0: CLR EA

MOV TH0,#3CH MOV TL0,#0B0HDEC NumberOf50ms

SETB EASETB ET0RETI

END

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