基於單片機定時器/計數器的時鐘設計及計數設計

第一部分 前言

  本次單片機基礎實驗將會通過在Proteus軟件中畫原理圖，然後Keil軟件下編寫源程序並編譯形成可執行文件.hex，下載源程序，進行Protues和Keil的聯合仿真運行，最終對單片機仿真有初步的認識。 通過本篇文章定時器/計數器T0、T1的工作方式選擇和編程方法。學習Proteus瞭解定時器/計數器中斷服務程序的設計方法

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以下是本篇文章正文內容，所設計的案例可供參考

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第二部分 定時器/計數器的原理

MCS-51定時器/計數器的結構

  MCS-51單片機根據不同型號，其片內定時器/計數器數目不同。8051單片機有兩個16位定時器/計數器寄存器：Timer0（T0定時器）與Timer1（T1定時器1）。8052除這兩個定時器/計數器外還增加了1個Timer2（T2定時器），而這3個都可設置爲定時器或事件計數器。當其作爲“定時器”功能時，它是對標準時鍾計數，每個時鐘週期寄存器自動增1。由於MCS-51單片機的一個機器週期由12個振盪器週期組成，計數速率是振盪器頻率的1/12。作爲“計數器”功能，寄存器在響應相應的外部輸入引腳T0、T1或T2（在8052中）由1至0的轉變而增1。不論是“定時器”還是外部事件“計數器”，其工作原理是一樣的，即定時器/計數器電路中的內部計數器從某一預定值（此值是可編程的）開始計數，當累計到最大值時產生溢出，並同時會建立一個相應的溢出標誌（即中斷標誌位）。除了“定時器”或“計數器”選擇外，定時器0與定時器1有4種工作方式需要選擇。在8052單片機中的定時器T2有3種操作方式：“捕獲”、“自動重裝入”與“波特率生成器”。下面主要以AT89C51單片機爲例講解定時器/計數器的基本結構。

圖1 單片機的定時器/計數器結構框圖

  AT89C51單片機片內定時器/計數器的結構如圖1所示。定時器內部實質上是16位加法計數器，其控制電路受軟件控制。當用作定時器時，對機器週期計數，每過一個機器週期，計數器加１。由於每個機器週期包含12個振盪信號週期，所以加１計數器的計數頻率爲振盪器信號頻率的1/12。當用作計數器功能時，加1計數器的計數脈衝取自外部輸入端T0(P3.4)和T1(P3.5)，只要這些引腳上有從“1”到“0”的負跳變，計數器就加1。CPU在每個機器週期的S5P2時刻對外部輸入狀態進行採樣，計數器加1的執行是在檢測到跳變後的下一個機器週期的S3P1時刻。由於需要兩個機器週期來識別一個從“1”到“0”的負跳變，所以最大計數頻率爲振盪信號頻率的1/24。而外部時鐘脈衝持續爲0和爲1的時間不能少於一個機器週期。
  兩個可編程的16位定時器 /計數器T0 和 T1
  - T0 = TH0（高8位） + TL0（低8位）
  - T1 = TH1（高8位） + TL1（低8位）

定時器/計數器相關特殊功能寄存器

• TMOD：控制定時器/計數器的工作方式
• TCON：控制定時器/計數器的運行
• IE、IP：定時器/計數器的中斷控制

1. TMOD
  TMOD用來選擇定時器/計數器的工作模式和工作方式，它的字節地址是89H，但該寄存器不能進行位尋址。

• GATE=0，運行控制位 TR0/TR1(=1) 控制 T0/T1 啓動；
• GATE=1，INT0/1 (=1) 及運行控制位TR0/TR1(=1)控制T0/T1啓動，可用於外部脈衝寬度測量
• C/T=0，用作定時器（定時功能通過計數實現，計數脈衝來自內部系統時鐘輸入，一個機器週期產生一個計數脈衝）；
• C/T=1，用作計數器（對外部脈衝計數，外部輸入脈衝發送負跳
  變時加1）
  

T0模式

M1	M0	功能
0	0	13 位定時器/ 計數器，TL1 低5 位 + TH1全8 位，最大值爲8192
0	1	16 位定時器/ 計數器，TL1、TH1 全用，最大值65.536ms；
1	0	8 位自動重裝載定時器，當溢出時將TH1 存放的值自動重裝入TL1，最大值爲256；
1	1	定時器/ 計數器1 此時無效（停止計數）

T1模式

M1	M0	功能
0	0	13 位定時器/ 計數器，TL1 低5 位 + TH1全8 位，最大值爲8192
0	1	16 位定時器/ 計數器，TL1、TH1 全用，最大值65.536ms；
1	0	8 位自動重裝載定時器，當溢出時將TH1 存放的值自動重裝入TL1，最大值爲256；
1	1	定時器0 爲雙8 位定時器/ 計數器，TL0 作爲一個8 位定時器/ 計數器，通過標準定時器0 的控制位控制，TH0 僅作爲一個8 位定時器，由定時器1 的控制位控制。

2.TCON
  TCON寄存器的字節地址爲88H，可進行位尋址。高4位分別爲定時器／計數器的啓動控制和溢出中斷標誌，低4位與外部中斷控制有關，

各標誌位的功能：

1. IT0—選擇外部中斷請求0爲跳沿觸發方式還是電平觸發方式：
IT0=0，爲電平觸發方式。
IT0=1，爲跳沿觸發方式。
  可由軟件置“1”或清“0”。
2. IE0—外部中斷請求0的中斷請求標誌位。
IE0=0，無中斷請求。
IE0=1，外部中斷0有中斷請求。
當CPU響應該中斷，轉向中斷服務程序時，由硬件清“0”IE0
**3. IT1—外部中斷請求1爲跳沿觸發方式還是電平觸發方式，意義與IT0類似。

1. IE1—外部中斷請求1的中斷請求標誌位，意義與IE0類似。
2. TF0 —T0溢出中斷請求標誌位。**
     T0計數後，當最高位產生溢出時，由硬件置“1”TF0，向CPU申請中斷，CPU響應TF0中斷時，清“0”TF0，TF0也可由軟件清0。
   

6. TF1—T1的溢出中斷請求標誌位，功能和TF0類似。
   TR1、TR0 2個位與中斷無關，僅與定時器/計數器T1和T0有關。

3.IE
  中斷允許寄存器：CPU對中斷源的開放或屏蔽，由片內的中斷允許寄存器IE控制。字節地址爲A8H，可位尋址。格式如下：

IE中各位的功能如下：

1. EA：中斷允許總控制位
EA=0：CPU屏蔽所有的中斷請求(CPU關中斷) ；
EA=1：CPU開放所有中斷(CPU開中斷) 。
五個中斷源的中斷請求是否允許，還要由IE中對應的5箇中斷請求允許控制位的狀態來決定。

2. ES：串行口中斷允許位
ES=0：禁止串行口中斷；
ES=1：允許串行口中斷。

3. ET1：定時器/計數器T1的溢出中斷允許位
ET1=0：禁止T1溢出中斷；
ET1=1：允許T1溢出中斷。

4. EX1：外部中斷1中斷允許位
EX1=0：禁止外部中斷1中斷；
EX1=1：允許外部中斷1中斷。

5. ET0：定時器/計數器T0的溢出中斷允許位
ET0=0：禁止T0溢出中斷；
ET0=1：允許T0溢出中斷。

6. EX0：外部中斷0中斷允許位。
EX0=0：禁止外部中斷0中斷；
EX0=1：允許外部中斷0中斷。

MCS-51復位後，IE清0，所有中斷請求被禁止。若使某一箇中斷源被允許中斷，除了IE相應的位被置“1” ，還必須使EA位=1。改變IE的內容，可由位操作指令或字節操作指令來實現。

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定時器/計數器工作方式

  在MCS-51系列單片機中，定時器/計數器（T0、T1）具有多種工作方式，當選擇工作方式不同，定時/計數器的使用方法差別很大。MCS-51單片機片內的定時器/計數器可以通過對特殊功能寄存器TMOD中的控制位 的設置來選擇定時器方式或計數器方式；通過對M1 M0兩位的設置來選擇定時器/計數器的四種工作方式，下面具體講解定時器/計數器的工作方式。

1. 工作方式0

  定時器/計數器0、1在工作方式0時的電路邏輯結構見圖9-2。工作方式0（M1 M0 = 0 0）是13位計數結構的工作方式，其計數器由TH的全部8位和TL的低5位構成，TL的高3位不使用。當 =0時，定時器/計數器0、1處於定時工作方式，多路開關接通振盪脈衝的12分頻輸出，13位計數器依次進行計數。當 =1時，定時器/計數器0、1處於計數工作方式，多路開關接通計數引腳（T0），外部計數脈衝由腳T0輸入。當計數脈衝發生負跳變時，計數器加1。
  當TL的低5位溢出時，都會向TH進位，而全部13位計數器溢出時，則會向計數器溢出標誌位TF0進位。同時，GATA位的狀態決定定時器運行控制取決於TR0一個條件還是TR0和/INT0引腳這兩個條件。當GATA=1時，由於GATA信號封鎖了與門，使引腳/INT0信號無效。而這時候如果TR0=1，則接通模擬開關，使計數器進行加法計數，即定時/計數器工作。而TR0=0，則斷開模擬開關，停止計數，定時器/計數器不能工作。當GATA=0時，與門的輸出端由TR0和INT0電平的狀態確定，此時如果TR0=1，INT0=1與門輸出爲1，允許定時器/計數器計數，在這種情況下，運行控制由TR0和INT0兩個條件共同控制，TR0是確定定時/計數器的運行控制位，由軟件置位或清“0”。

  在工作方式0下，計數器的計數值X範圍爲1～8192（2131）。由於MCS-51單片機的T0和T1採用加計數，因此TH0（TH1），TL0（TL1）的初值N=8192-X。如當計數值X=1000，則計數初值N=7192=1C18H，那麼TH0（TH1），TL0（TL1）的值分別爲0E0H和18H。由於TL0（TL1）爲低5爲有效，所以該計數初值N不能簡單地分成高8位和低8位賦值給TH0（TH1），TL0（TL1）。當計數初值N=7192=1C18H，其二進制編碼如下

1C18H=0001 1100 0001 1000B

  再將16位的二進制編碼去除最高的3位，保留後面13位，並取低5位寫入到TL0（TL1），高8位寫入到TH0（TH1），具體操作如下

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

  其中，11000B是TL0（TL1）對應的低5位，其16進制編碼爲18H，而1110 0000這8位爲TH0（TH1）的內容，其16進制編碼爲0E0H。
  當定時器/計數器工作於方式0且確定了定時時間T1後，其計數初值N的計算公式爲

N=8192-(T1×fosc/12)

  式中，fosc爲系統時鐘振盪頻率。
  假設單片機的晶振選爲12MHz，需要用T0進行2ms定時控制，則T0的初值N計算爲

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

  則對應的13位二進制編碼爲1100 0001 1 0000則TH0=0C1H，TL0=10H

2. 工作方式1

定時器/計數器0、1工作於方式1時，其電路邏輯結構如圖所示。

  工作方式1（M1 M0=0 1）是16位計數結構的工作方式。方式0和方式1的區別僅在於計數器的位數不同，方式0爲13位，而方式1則爲16位，由TH0作爲高8位，TL0爲低8位，有關控制狀態字（GATA、TF0、TR0）和方式0相同。
  在工作方式1下，計數器的計數值X範圍是：1～65536
  當定時器/計數器工作於方式1且確定了定時時間T1後，其計數初值N的計算公式爲：

N=65536-（T1×fosc/12）

  則寫入到8位寄存器TH0（TH1），TL0（TL1）值分別爲
  TH0（TH1）＝N/256
  TL0（TL1）=N%256

3. 工作方式2

  當M1 M0=1 0時，定時器/計數器0、1處於工作方式2，此時其電路邏輯結構如圖9-4所示。以定時/計數器0爲例，定時/計數器1與之完全一致。

4. 工作方式3

  當M1 M0 =1 1時，定時器/計數器工作於方式3下。方式3只適用於定時器T0，若將T1置爲方式3，則它將停止計數，其效果相當於置TR1=0，即關閉定時器T1。當T0工作在方式3時，TH0和TL0被分成兩個相互獨立的8位計數器，其電路邏輯結構如圖所示。

  在工作方式3模式下，TL0既可以作爲計數器使用，也可以作爲定時器使用，定時器/計數器0的各控制位和引腳信號全歸它使用。其功能和操作與方式0或方式1完全相同。但TH0的功能受到限制，只能作爲簡單的定時器使用，而且由於定時器/計數器0的控制位已被TL0佔用，因此只能借用定時器/計數器1的控制位TR1和TF1，也就是以計數溢出去置位TF1，TR1則負責控制TH0定時器的啓動和停止。由於TL0既能作定時器也能作計數器使用，而TH0只能作定時器使用而不能作計數器使用，因此在方式3模式下，定時/計數器0可以構成兩個定時器或者一個定時器和一個計數器。

第三部分 定時器/計數器編程方法

定時器的初始化編程包括：

1. 設置定時器工作模式（設置TMOD）；
2. 設置定時器計數初值（設置THx/TLx）；
3. 允許定時器中斷（IE）；
4. 啓動定時器（TCON）。

例如：

• 設置定時器工作模式（TMOD不能位尋址）
  TMOD = 0x01； T0工作在模式 1下，16位定時器
  
• 設置定時器計數初值
  計算初值公式 （T0定時模式2，8）：
  TH0=(28- 計數值) ； \ 8192 1s, 1us=110^6 ,50000,50ms
  TL0=(28 -計數值)；
  計數值=定時時間/ 機器週期； 如果時鐘頻率fosc=12MHZ,則機
  器週期=12
  
  
  時鐘週期=12*1/fosc=1us。 6mhz,
  PS：如果要求定時器按某固定時間間隔不斷觸發，需要在中斷服務程
  序中再次設置定時器計數初值（模式2除外），否則，中斷服務程序以該模
  式下的最大定時值工作。
  
  
  
  
  
• 允許定時器中斷（中斷號）
  EA=1；ET0=1
  
• 啓動定時器
  定時器T0：TCON=0x10 或者 TR0=1
  

第四部分 定時器/計數器仿真設計

設計案例一

  基於上述原理可以設計一個60s計時的秒錶，完成秒錶電路的設計與編程調試。

原理圖

  定時器T0或T1實現秒錶的計時功能，工作模式不限，計時60s後自動從0開始重新計時， INT0中斷方式實現秒錶的啓動和暫停計時； INT1中斷方式實現秒錶的計時重置。

動態仿真結果

代碼

Keil代碼如下：

#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);//延遲函數
void Display2(uchar W1, Time);//顯示函數
void QP();//清屏函數
//主函數
void main()
{
   
      
   QP(); 
   TMOD=0x01;//設置定時器工作方式  
   TH0=(65536-50000)/256;//計算初值，高8位
   TL0=(65536-50000)%256;//計算初值，第8位
   ET0=1;
   EA=1;  //開總中斷 
   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//中斷函數
{
   
      
   EA=0;//關總中斷
   TH0=(65536-50000)/256;//重裝初值 
   TL0=(65536-50000)%256;//重裝初值
   if(++count==20)     //開始計數
     {
   
      
	  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//中斷函數
{
   
       EA=1;
 ET0=1;
    if(int1==0){
   
      
   Delay(10);
   if(int1==0)
   {
   
      Time=0;
   }
   }
}
void Display2(uchar W1, Time)//顯示函數
{
   
      
	 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)   //延時
{
   
      
	 uchar t;
	 while(x--) for(t=0;t<110;t++);
}

設計案例二

利用T0、T1計數器功能，實現按鍵計數，計數值分別在2個4位數碼管上顯示。

原理圖

• 利用定時器T0工作模式2，中斷方式，計數初值爲0，數碼管顯示3位數
• T1工作模式不限，非中斷方式，計數初值爲256，數碼管顯示3位數
• INT0中斷方式實現T0、T1計數清零
  
  

動態仿真結果

  通過不同的按鍵來實現對應的計數功能，利用定時器的計數功能可以使得單片機得到快速響應。

代碼

#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; //開總中斷
	   TMOD=0x46; //設置定時器工作方式   
	   TH0=TL0=0; //設定初值
	   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++);
}

  以上就是本次定時器/計數器的全部內容，希望通過本次的講解能夠加深大家對於定時器/計數器以及中斷的理解。文章的內容可能存在部分不足之處，如有錯誤，請在評論區指出，謝謝。如果大家覺得文章有用，麻煩點贊關注，感謝支持，後續將會推出單片機的進階設計文章。