第五章：MCS-51單片機(jī)定時(shí)與計(jì)數(shù)器

1單片機(jī)原理與接口技術(shù)韋必忠桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院Email：wbz@MCS-51單片機(jī)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器35.1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器概述軟件定時(shí)：執(zhí)行一個(gè)循環(huán)程序進(jìn)行時(shí)間延遲。定時(shí)準(zhǔn)確，不需要外加硬件電路，但增加CPU開銷。硬件定時(shí)：通過硬件電路實(shí)現(xiàn)定時(shí)，不占用CPU時(shí)間，但使用不夠方便。可編程定時(shí)器定時(shí)：通過對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖的計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)定時(shí)。計(jì)數(shù)值通過程序設(shè)定，定時(shí)準(zhǔn)確，使用方便靈活。計(jì)數(shù)與定時(shí)：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器實(shí)際上是加1計(jì)數(shù)器。當(dāng)它對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)，由于頻率不固定，此時(shí)稱之為計(jì)數(shù)器。當(dāng)它對(duì)內(nèi)部固定頻率的機(jī)器周期進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)，稱之為定時(shí)器。計(jì)數(shù)器容量：8051單片機(jī)有兩個(gè)計(jì)數(shù)器，分別稱之為T0和T1，這兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別是由兩個(gè)8位的RAM單元組成，即每個(gè)計(jì)數(shù)器都是16位的計(jì)數(shù)器，最大計(jì)數(shù)量是65536.定時(shí)/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)和工作原理

（一）、定時(shí)/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)定時(shí)/計(jì)數(shù)器的實(shí)質(zhì)是加1計(jì)數(shù)器（16位），由高8位和低8位兩個(gè)寄存器組成。TMOD是定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作方式寄存器，確定工作方式和功能；TCON是控制寄存器，控制T0、T1的啟動(dòng)和停止及設(shè)置溢出標(biāo)志。

(二)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作原理計(jì)數(shù)次數(shù)和時(shí)間之間的確十分相關(guān)；只要計(jì)數(shù)脈沖的間隔相等，則計(jì)數(shù)值就代表了時(shí)間的流逝；單片機(jī)的晶振經(jīng)過12分頻后獲得一個(gè)脈沖源，如果晶振頻率12MHZ，則每秒產(chǎn)生1M脈沖，一個(gè)脈沖就是1微秒，所以計(jì)數(shù)脈沖的間隔與晶振頻率有關(guān)。

(二)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作原理

加1計(jì)數(shù)器輸入的計(jì)數(shù)脈沖有兩個(gè)來源:（1）由系統(tǒng)的時(shí)鐘振蕩器輸出脈沖經(jīng)12分頻后送來；（2）另一個(gè)是T0或T1引腳輸入的外部脈沖源。

每來一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)加到計(jì)數(shù)器為全1時(shí)，再輸入一個(gè)脈沖就使計(jì)數(shù)器回零，且計(jì)數(shù)器的溢出使TCON中TF0或TF1置1，向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求（定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷允許時(shí)）。如果定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作于定時(shí)模式，則表示定時(shí)時(shí)間已到；如果工作于計(jì)數(shù)模式，則表示計(jì)數(shù)值已滿。

可見，由溢出時(shí)計(jì)數(shù)器的值減去計(jì)數(shù)初值才是加1計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。

設(shè)置為定時(shí)器模式時(shí)：加1計(jì)數(shù)器是對(duì)內(nèi)部機(jī)器周期計(jì)數(shù)（1個(gè)機(jī)器周期等于12個(gè)振蕩周期，即計(jì)數(shù)頻率為晶振頻率的1/12）。所以：計(jì)數(shù)值N乘以機(jī)器周期Tcy就是定時(shí)時(shí)間t

。一旦振蕩周期確定，機(jī)器周期亦確定。設(shè)置為計(jì)數(shù)器模式時(shí)：外部事件計(jì)數(shù)脈沖由T0或T1引腳輸入到計(jì)數(shù)器。在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2期間采樣T0、T1引腳電平。當(dāng)某周期采樣到一高電平輸入，而下一周期又采樣到一低電平時(shí)，則計(jì)數(shù)器加1，更新的計(jì)數(shù)值在下一個(gè)機(jī)器周期的S3P1期間裝入計(jì)數(shù)器。由于檢測(cè)一個(gè)從1到0的下降沿需要2個(gè)機(jī)器周期，因此要求被采樣的電平至少要維持一個(gè)機(jī)器周期。最高計(jì)數(shù)頻率是晶振頻率的1/24。當(dāng)晶振頻率為12MHz時(shí)，最高計(jì)數(shù)頻率不超過1/2MHz，即計(jì)數(shù)脈沖的周期要大于2s。

11定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的定時(shí)和計(jì)數(shù)功能MCS-51系列單片機(jī)有兩個(gè)可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：T0、T1，16位寄存器，加法計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)，地址為：T0（TH0，TL0）：8CH，8AHT1（TH1，TL1）：8DH，8BH特殊功能寄存器每個(gè)寄存器（T0，T1）都具有定時(shí)和計(jì)數(shù)功能12MCS-51定時(shí)/計(jì)數(shù)器核心是一個(gè)16位計(jì)數(shù)器（寄存器）。加1信號(hào)來源：外部計(jì)數(shù)脈沖、內(nèi)部時(shí)鐘脈沖。信號(hào)來源方式：由特殊功能寄存器TMOD設(shè)置位

確定。，計(jì)數(shù)方式（外部）；，定時(shí)方式（內(nèi)部）。

80C51單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作由兩個(gè)特殊功能寄存器控制。TMOD：用于設(shè)置其工作方式；TCON：用于控制其啟動(dòng)和中斷申請(qǐng)。5.2MCS-51定時(shí)/計(jì)數(shù)器控制與狀態(tài)寄存器14工作方式控制寄存器TMOD（狀態(tài)寄存器）字節(jié)地址89H（不可以位尋址）15M1M0為操作方式選擇位

：選擇定時(shí)/計(jì)數(shù)器模式，計(jì)數(shù)模式；，定時(shí)模式GATE：選通控制GATE=0，選通，通過TRX啟動(dòng)定時(shí)器。GATE=1，端口高電平，通過TRX啟動(dòng)定時(shí)器。16啟停與中斷控制寄存器TCON（控制寄存器）字節(jié)地址88HTCON由定時(shí)/計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)合用。TR0：定時(shí)/計(jì)數(shù)器0啟停控制位由軟件控制定時(shí)/計(jì)數(shù)器0的啟動(dòng)/停止。TR1：定時(shí)/計(jì)數(shù)器1啟停控制位由軟件控制定時(shí)/計(jì)數(shù)器1的啟動(dòng)/停止。17TF0：定時(shí)/計(jì)數(shù)器0中斷請(qǐng)求標(biāo)志位當(dāng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)回0時(shí)，由內(nèi)部硬件置位TF0（TF0=1），請(qǐng)求中斷。中斷服務(wù)程序一旦執(zhí)行，硬件自動(dòng)清0（TF0=0）。TF1：定時(shí)/計(jì)數(shù)器1中斷請(qǐng)求標(biāo)志位當(dāng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)回0時(shí)，由內(nèi)部硬件置位TF1（TF1=1），請(qǐng)求中斷。中斷服務(wù)程序一旦執(zhí)行，硬件自動(dòng)清0（TF1=0）。18IE0：外部中斷0中斷請(qǐng)求標(biāo)志IT0=1，負(fù)跳變觸發(fā)中斷，硬件置IE0=1，當(dāng)轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序后，硬件自動(dòng)清IE0=0。IT0=0，低電平觸發(fā)中斷。硬件置IE0=1，當(dāng)轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序后，硬件自動(dòng)清IE0=0。IE1：外部中斷1中斷請(qǐng)求標(biāo)志IT1=1，負(fù)跳變觸發(fā)中斷，硬件置IE1=1，當(dāng)轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序后，硬件自動(dòng)清IE1=0。IT1=0，低電平觸發(fā)中斷。硬件置IE1=1，當(dāng)轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序后，硬件自動(dòng)清IE1=0。19IT0：外部中斷0觸發(fā)方式控制位軟件設(shè)置。IT0=1，外部中斷，發(fā)生10跳變，產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，向主機(jī)申請(qǐng)中斷。IT0=0，則端口低電平觸發(fā)中斷。IT1：外部中斷1觸發(fā)方式控制位軟件設(shè)置。IT1=1，外部中斷，發(fā)生10跳變，產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，向主機(jī)申請(qǐng)中斷。IT1=0，則端口低電平觸發(fā)中斷。以上后四項(xiàng)用于中斷系統(tǒng)。TCON可位尋址，其位地址為88H—8FH。205.3定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作方式（工作模式）設(shè)置（TMOD寄存器）選擇定時(shí)模式還是計(jì)數(shù)模式;對(duì)M1M0的設(shè)置，用于選擇T0、T1的四種操作（工作）方式。四種工作模式：即模式0、模式1、模式2、模式3。TL0、TH0，TL1、TH1兩對(duì)定時(shí)/計(jì)數(shù)器21（1）定時(shí)/計(jì)數(shù)方式0

（13位計(jì)數(shù)器）以定時(shí)/計(jì)數(shù)器0（T0）為例TH0全部8位，TL0低5位構(gòu)成13位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。當(dāng)時(shí)（定時(shí)方式），開關(guān)接至振蕩12分頻輸出；當(dāng)時(shí)（計(jì)數(shù)方式），開關(guān)接通T0（P3.4）當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖發(fā)生負(fù)跳變計(jì)數(shù)器加1。22GATE：看圖，選擇了定時(shí)或計(jì)數(shù)工作方式后，定時(shí)/計(jì)數(shù)脈沖不一定能到達(dá)計(jì)數(shù)器端，中間還有一個(gè)開關(guān)，如果這個(gè)開關(guān)不合上，計(jì)數(shù)脈沖就沒法過去。那開關(guān)什么時(shí)候合上呢？有兩種情況：GATE=0時(shí)，GATE非后是1，進(jìn)入或門，或門總是輸出1（與或門的另一個(gè)輸入端INT0無關(guān)），在這種情況下，開關(guān)打開或者合上只取決于TR0，只要TR0=1，開關(guān)就合上，計(jì)數(shù)脈沖就得以暢通無阻，如TR0=0則開關(guān)打開，計(jì)數(shù)脈沖無法通過。因此，定時(shí)/計(jì)數(shù)器是否工作，只取決于TR0。GATE=1時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖通路上的開關(guān)不僅要由TR0來控制，而且還要受到INT0引腳的控制，只有TR0=1,且INT0引腳也是高電平，開關(guān)才合上，計(jì)數(shù)脈沖才能通過。2324定時(shí)/計(jì)數(shù)方式1

（16位計(jì)數(shù)器）邏輯結(jié)構(gòu)和方式0完全一樣，只是TL是8位計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)范圍1—65536如晶振6MHz，最小定時(shí)時(shí)間為：2s（機(jī)器周期）最大定時(shí)時(shí)間為：131ms（大約）。該模式對(duì)應(yīng)的是一個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，如圖5-5所示。其結(jié)構(gòu)與操作幾乎與模式0完全相同，惟一的差別是：在模式1中，寄存器TH0和TL0是以全部16位參與操作。用于定時(shí)工作方式時(shí)，定時(shí)時(shí)間為t=(216-T0初值)×振蕩周期×12用于計(jì)數(shù)工作方式時(shí)，計(jì)數(shù)最大長(zhǎng)度為216＝65536個(gè)外部脈沖。圖5-5定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0工作模式1邏輯結(jié)構(gòu)框圖26定時(shí)/計(jì)數(shù)方式2

（自動(dòng)再裝入8位計(jì)數(shù)器）THx，TLx相互獨(dú)立（x=0，1）。TLx作為8位計(jì)數(shù)器，THx是初值寄存器。TLx溢出后，置TFx申請(qǐng)中斷。THx初值重新裝入TLx。只需通過軟件設(shè)置一次，啟動(dòng)后無限次定時(shí)/計(jì)數(shù)運(yùn)行。（自動(dòng)進(jìn)行下一次）模式2把TL0（或TL1）設(shè)置成一個(gè)可以自動(dòng)重裝載的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，如圖5-6所示。TL0計(jì)數(shù)溢出時(shí)，不僅使溢出中斷標(biāo)志位TF0置1，而且還自動(dòng)把TH0中的內(nèi)容重新裝載到TL0中。這時(shí)，16位計(jì)數(shù)器被拆成兩個(gè)，TL0用作8位計(jì)數(shù)器，TH0用以保存初值。用于定時(shí)工作方式時(shí)，其定時(shí)時(shí)間（TF0溢出周期）為t=(28-TH0初值)×振蕩周期×12用于計(jì)數(shù)工作方式時(shí)，最大計(jì)數(shù)長(zhǎng)度為28=256個(gè)外部脈沖。圖5-6定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0工作模式2邏輯結(jié)構(gòu)框圖28定時(shí)/計(jì)數(shù)方式3

（T0分成兩個(gè)8位計(jì)數(shù)器，T1無效）將T0分成兩個(gè)獨(dú)立的8位計(jì)數(shù)器。TL0組成完整的8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；既能定時(shí)，又能計(jì)數(shù)。TH0只能組成8位定時(shí)器（內(nèi)部脈沖）。只能定時(shí)。TL0占用T0全部控制信號(hào)及中斷請(qǐng)求標(biāo)志位（TR0、TF0等）TH0只能借用TR1和TF1。P3.5口(T1外部計(jì)數(shù)脈沖輸入口)不能占用。工作模式3對(duì)T0和T1大不相同。若將T0設(shè)置為模式3，TL0和TH0被分成為兩個(gè)相互獨(dú)立的8位計(jì)數(shù)器，如圖5-7所示。圖5-7定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0工作模式3邏輯結(jié)構(gòu)框圖305.4定時(shí)/計(jì)數(shù)器應(yīng)用基本步驟：工作方式控制字（TMOD）的設(shè)置；計(jì)數(shù)初值的計(jì)算并裝入THx、TLx；中斷允許位ETx、EA的設(shè)置，使主機(jī)開放中斷；啟/停位TRx的設(shè)置。31計(jì)數(shù)初值的確定在方式0下，當(dāng)為計(jì)數(shù)方式時(shí)，計(jì)數(shù)值范圍1—8192（213

）在方式1下，當(dāng)為計(jì)數(shù)方式時(shí)，計(jì)數(shù)值范圍1—65536（216

）在方式2下，當(dāng)為計(jì)數(shù)方式時(shí)，計(jì)數(shù)值范圍1—256（28

）32當(dāng)計(jì)數(shù)時(shí)，采用預(yù)置數(shù)的方法，比如我們需要計(jì)數(shù)100次，那就先放入65436，再來100個(gè)脈沖，就到65536了。定時(shí)時(shí)間：（2n–計(jì)數(shù)初值）*機(jī)器周期33在方式0下最小定時(shí)時(shí)間為：2s最大定時(shí)時(shí)間為：16384s（8192*2）在方式1下最小定時(shí)時(shí)間為：2s最大定時(shí)時(shí)間為：131ms（65536*2）如晶振周期6MHz，機(jī)器周期為2s。思路：需要采用軟件計(jì)數(shù)器的概念，先用定時(shí)/計(jì)數(shù)器做一個(gè)（比如50毫秒）的定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間到了以后不要立即執(zhí)行相關(guān)操作（比如輸出），而是將軟件計(jì)數(shù)器中的值加1，如果軟件計(jì)數(shù)器計(jì)到了20，那定時(shí)時(shí)間就是20*50=1000毫秒了。34如何實(shí)現(xiàn)定時(shí)1S或者其它定時(shí)時(shí)間？35例題：生成周期為500s的等寬正方波。機(jī)器晶振6MHz。使用T1以方式0工作，由P1.0輸出500s機(jī)器周期：2s。定時(shí)時(shí)間250s。以250s為周期在P1.0端交替輸出高低電平。368067-4096=397113971-2048=1923

11923-1024=8991899-512=387

1387-256=1311131-128=3164

032016

08040二進(jìn)制表示：111111000001137程序設(shè)計(jì)（查詢方式）：

MOVTMOD，#00H ；設(shè)置T1 MOVTH1，#0FCH ；計(jì)數(shù)初值

MOVTL1，#03H ；

MOVIE，#00H ；禁止中斷

SETBTR1 ；啟動(dòng)定時(shí)LOOP：JBCTF1，LOOP1 ；查詢計(jì)數(shù)溢出

AJMPLOOPLOOP1：MOVTH1，#FCH ；重新設(shè)置計(jì)數(shù)初值

MOVTL1，#03H ；