单片机课件：第6章 MCS

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1、第第6 6章章 MCS-51MCS-51定时器定时器/ /计数器计数器 6.1 6.1 定时器的结构及工作原理定时器的结构及工作原理 6.2 6.2 定时器应用举例定时器应用举例 6.3 6.3 定时器定时器/ /计数器计数器T2 T2 实现定时常用的三种方法： （1）软件定时：占用CPU时间，效率低。 （2）用555电路：不可编程。 （3）可编程芯片：功能强，需要另外扩展。 单片机内部有2个16位的定时/计数器：使用灵活，编程方便。 优先选用6.1 6.1 定时器的结构及工作原理定时器的结构及工作原理 8051单片机定时器内部结构框图如图所示，内部有两个16位的定时器T0和T1，可用于定时或延时控制、对外部事件检测、计数等。定时器和计数器实质上是一样的，“计数”就是对外部输入脉冲的计数；所谓“定时”是通过计数内部脉冲完成的。 定时器T0、T1各由两个8位的特殊功能寄存器TH0、TL0和TH1、TL1构成。方式寄存器TMOD用于设置定时器的工作方式。控制状态寄存器TCON用于启动和停止定时器的计数，并检测定时器的状态。每一个定时器的内部结构实质上是一个可程控的加法计数器，通过内总线与C

2、PU相连，由CPU编程设置定时器的初值、工作方式、启动、停止。当设置了定时器的工作方式、初值并启动定时器工作后，定时器就按被设定的工作方式独立工作，不再占有CPU时间，只有在定时器溢出时，才向CPU申请中断。由此可见，定时器是单片机中工作效率高且应用灵活的部件。 图6-2是定时器Tx（x为0或1，表示T0或T1）的原理框图，图中的“外部引脚Tx”是外部输入引脚的标识符，通常将引脚P3.4、P3.5用T0、T1表示。图6-2 定时器/计数器原理框图 当控制信号= 0时，定时器工作在定时方式。加1计数器对内部时钟f进行计数，直到计数器计满溢出。f是振荡器时钟频率f0的12分频，脉冲周期为一个机器周期，即计数器计数的是机器周期脉冲的个数，以此来实现定时。因此，定时器的定时时间不仅与加1计数器的初值（计数器中的起始值THx、TLx）有关，而且还与系统振荡器时钟频率f0有关。 当控制信号= 1时，定时器工作在计数方式。加1计数器对来自“外部引脚Tx”的外部信号脉冲计数（下降沿触发）。在每一个机器周期的S5P2期间（见第2章时序部分），采样引脚输入电平。若前一个机器周期采样值为“1”，后一个机器周

3、期采样值为“0”，则计数器加1。由于它需要两个机器周期（24个时钟周期）来识别一个“1”到“0”的跳变信号，所以最高的计数频率为时钟频率的1/24。对外部输入信号脉冲的占空比没有特别的限制，但必须保证输入信号电平在它发生跳变前至少被采样一次，因此输入信号的电平至少应在一个完整的机器周期中保持不变。 控制信号K的作用是控制“计数器”的启动和停止，如图6-2所示，K=TRx(+ )。当GATE=0时，K=TRx，K不受输入电平的影响：若TRx=1，允许计数器加1计数；若TRx=0计数器停止计数。 当GATE=1时，K=TRx，与门的输出由输入电平和TRx位的状态来确定：仅当TRx=1，且引脚=1时，才允许计数；否则停止计数。 8051单片机的定时器主要由几个特殊功能寄存器TMOD、TCON、TH0、TL0、TH1、TL1组成。所谓可编程定时器就是通过软件读/写这些特殊功能的寄存器，达到控制定时器目的。其中，THx和TLx分别用来存放计数器初值的高8位和低8位，TMOD用来控制定时器的工作方式，TCON用来存放中断溢出标志并控制定时器的启、停。6.1.1 6.1.1 工作方式寄存器工作方式寄

4、存器TMODTMOD TMOD的地址为89H，用于设定定时器T0、T1的工作方式。无位地址不能位寻址，只能通过字节指令进行设置。复位时，TMOD所有位均为“0”。其格式如下： TMOD的低4位为T0的工作方式字段，高4位为T1的工作方式字段，它们的含义是完全相同的。（1）M1和M0方式选择位对应关系见表6-1。 （2）功能选择位。=0为选择定时方式，=1为外部事件计数方式。 （3）GATE门控位。GATE=0，允许软件控制位TR0或TR1（TR0、TR1在TCON中）启动计数器T0或T1；GATE=1，允许通过外部引脚（P3.2）、TR0或（P3.3）、TR1启动计数器，控制T0或T1的运行。表6-1 M1和M0方式选择位对应关系6.1.2 6.1.2 控制寄存器控制寄存器TCONTCON TCON的地址为88H，具有位地址，可位寻址，用来存放定时器的溢出标志TF0、TF1和定时器的启、停控制位TR0、TR1。复位时，TCON的所有位均为“0”。其格式如下： TCON的高4位存放定时器的运行控制位和溢出标志位。低4位存放外部中断的触发方式控制位和锁存外部中断请求源，与中断有关。 （1）

5、TFx：定时器Tx溢出标志。定时器的核心为加法计数器，当定时器Tx发生计数溢出时，由硬件将此位置“1”。TFx可以由程序查询，也是定时中断的请求源，当CPU响应中断、进入中断服务程序后，由单片机内部的“硬件”自动将TFx清“0”。 （2）TRx：定时器Tx运行控制位，通过软件（指令“SETB TRx”或“CLR TRx”）置“1”或 清“0”。TRx为“1”启动“计数器”计数，为“0”停止“计数器”计数。6.1.3 6.1.3 定时器的工作方式定时器的工作方式 MCS-51的定时器T0有4种工作方式，即方式0、方式1、方式2及方式3。定时器T1只有3种工作方式，即方式0、方式1及方式2。 1 1方式方式0 0 当M1、M0两位为00时，定时器被选为工作方式0，13位计数器。其逻辑结构如图6-3所示。在这种方式下，16位寄存器TH0和TL0只用13位，由TH0的8位和TL0的低5位构成。TL0的高3位是不定的，可以不必理会，如图6-4所示。因此方式0是一个13位的定时计数器。当TL0的低5位计数溢出时即向TH0进位，而TH0计数溢出时向中断标志位TF0进位（称硬件置位TF0），并请求中断

6、。因此，可通过查询TF0是否置“1”或考察中断是否发生（通过CPU响应）来判断定时器T0是否溢出。图6-3 T0方式0逻辑结构 当C/=0时，为定时工作方式。开关接到振荡器的12分频器输出，计数器对机器周期脉冲计数。其定时时间为： (2 初值)时钟周期12 若晶振频率为12MHz，则最长的定时时间为： (2 0)(1/12)12s=8.191ms 当C/=1时，为计数方式。开关与外部引脚T0（P3.4）接通，计数器对来自外部引脚T0的输入脉冲计数，当外部信号发生负跳变（下降边沿）时，计数器加1。 定时器的运行控制信号K如前已述，这里不再赘述。以上分析同样适合于定时器T1。图6-4 TH0、TL0构成13位结构1313 2 2方式方式1 1 当M1、M0两位为01时，定时器被选为工作方式1，方式1和方式0的差别仅在于计数器的位数不同。方式1为16位计数器，其逻辑结构如图6-5所示。图6-5 T0方式1逻辑结构作为定时方式使用时，其定时时间为：(2 初值)时钟周期12若晶振频率为12MHz，则最长的定时时间为：(2 0)(1/12)12s = 65.536ms1616 3 3方式方式2 2

7、 当M1、M0两位为10时，定时器被选为工作方式2，为8位计数器，其逻辑结构如图6-6所示。TL0作为8位计数器，TH0作为重置初值的缓冲器，在程序初始化时，由软件赋予同样的初值，一旦计数器溢出便置位TF0，同时自动将TH0中的初值再装入TL0，从而进入新一轮的计数，如此循环不止，而TH0中的初值始终不变。其一次定时时间为： (28初值)时钟周期12图6-6 T0方式2逻辑结构 方式2具有初值自动装入的功能，可以避免在程序中因重新装入初值而对定时精度的影响，适用于需要产生高精度的定时时间的应用场合，常用做串行口波特率发生器。 4 4方式方式3 3 当M1、M0两位为11时，定时器T0被选为工作方式3，这种工作方式只有定时器T0才有。此时T0被拆成两个独立的8位计数器TL0和TH0。其逻辑结构如图6-7所示。图6-7 T0方式3逻辑结构 在图6-7中，8位计数器TL0使用原定时器T0的控制位C/、GATE、TR0和。它既可以工作在定时方式，也可工作在计数方式，计数来自外部引脚T0的外部输入脉冲。 8位计数器TH0，占用了原定时器T1的控制位TR1和溢出标志位TF1，同时也占用了T1中断源

8、。它被固定为一个8位定时工作方式，其启动和停止仅受TR1控制。TR1=1时， 启动TH0计数；TR1=0时，停止TH0计数。由此可见，在方式3下，TH0只能用做定时工作方式，不能对外部脉冲进行计数，这一点请读者要注意。 必须指出，当定时器T0用做方式3时，定时器T1仍可设置为方式0、方式1或方式2。但由于TR1、TF1及T1的中断源已被定时器T0占用，此时定时器T1仅由控制位C/选择计数的时钟源，当计数器计数满溢出时，产生的信号只能送往内部的串行口，作为串行通信的收发时钟，即用做串行口波特率发生器。 如果企图将定时器T1置为方式3，则它将停止计数，其效果与置TR1=0相同，即关闭定时器。6.2 6.2 定时器应用举例定时器应用举例 在利用MCS-51内部的定时器进行定时或计数之前，首先要通过软件对它进行初始化。初始化包括下述几个步骤： （1）确定工作方式字：对TMOD寄存器正确赋值。 （2）确定定时器初值：计算初值，并直接将初值写入寄存器THx、TLx。 由于计数器采用加法计数，通过溢出产生中断标志，因此不能直接输入所需的“计数值”，而是要从计数器的最大值减去“计数值”才是应置入THx

9、、TLx的初值。 设计数器的最大值为M，在不同的工作方式中，M可以为2（方式0）、2（方式1）、2（方式2、3），则置入的初值N可这样来计算，即 计数方式时，N=M“计数值” 定时方式时，N=M(“定时时间”/T) 其中，T为机器周期，是单片机时钟脉冲周期的12倍，T=12/ f0。 （3）根据需要，开放定时器中断：对寄存器IE置初值。 （4）启动定时器：对寄存器TCON中的TR1或TR0置“1”。置“1”后，计数器即按规定的工作方式和初值开始计数。131686.2.1 6.2.1 定时控制、脉宽检测定时控制、脉宽检测 【例例】利用T0方式0产生1ms的定时，在P1.0引脚上输出周期为2ms的方波。设单片机晶振频率fosc=12MHz。 要在P1.0输出周期为2ms的方波，需要使P1.0每隔1ms取反一次输出即可。 （1）确定工作方式字 T0为方式0，定时工作状态，GATE=0，不受控制，T1不用全部取“0”值，故TMOD=00H。 （2）计算1ms定时初值N 方式0为13位计数方式，取M=2。 机器周期T= (1/fosc)12=1/ (12106)12=1s。 计算初值N=2 11

10、03/T=2 1103/1=81921000 = (7192)10 = (1110000011000)2131313TH0= E0H，TL0=18H，故TH0初值为E0H，TL0初值为18H。 （3）采用查询TF0的状态来控制P1.0输出 其程序如下： MOV TMOD,#00H;置T0为方式0 MOV TL0,#18H;送计数初值 MOV TH0,#0E0H SETB TR0;启动T0 LOOP:JBC TF0,NEXT;查询定时时间到，转NEXT，同时清TF0 SJMP LOOP NEXT:MOV TL0,#18H;重赋计数初值 MOV TH0,#0E0H CPL P1.0 ;输出取反 SJMP LOOP;重复循环 END6.2.2 6.2.2 电压电压/ /频率转换频率转换 在工程实践中，常利用电压/频率（V/F）转换器，配合单片机定时器/计数器构成高分辨率、高精度、低成本的A/D转换器。其设计思想为：模拟量传感器输出的mV级的电压信号经运算放大器放大后，用V/F转换器转换成频率随电压变化的脉冲信号，然后利用单片机内部的计数器/定时器进行计数，再通过软件进行处理获得相应模拟量的数

11、字量。 若令定时器T0工作于定时方式，用于产生计数的门限时间t；再用定时器T1对输入的被测脉冲进行计数，即工作于计数方式1，初值为0，最大计数值为65 536。当V/F转换器选定之后，其最大的模拟量所对应的最大输出频率值fmax已确定，则最大计数值为fmaxt，被测信号的电压值： Vx=Vmax(Nx/Nmax)=VmaxNx/(fmaxt) 式中，Nx为t时间段内的实际计数值；Vmax为V/F转换器的最大量程。 V/F转换器具有良好的精度、线性和积分输入的特点，其转换速率不低于双积分型A/D器件，与单片机接口具有以下优点： （1）接口电路简单：每一路模拟信号只占用1位I/O线。 （2）输入方式灵活：既可以作为I/O输入，也可以作为中断方式输入，还可以作为计数器信号输入，从而满足各种不同系统的要求。 （3）具有较强的抗干扰性：由于V/F转换的过程是对输入信号不断积分的过程，因而对噪声有一定的平滑作用，同时其输出为数字量，便于采用光电隔离技术。 （4）易于远距离传输：V/F输出的是一个串行信号，易于远距离传输，若与光导纤维技术相结合，可构成一个不受电磁干扰的远距离传输系统。【例例】在图6

12、-10所示的电路中，设V/F转换器AD654输入的模拟电压为01V，输出引脚1可输出0500kHz的脉冲，其与单片机的定时器T1的输入脚相连，以便进行计数。定时器T0控制T1计数的时间t=100ms，则脉冲信号的最大计数值Nmax=50 000，所以T1应设定在方式1（16位）、计数模式。若主频为6MHz，则定时时间100ms所对应的计数值为50 000，T0工作于定时方式1，计数器初值N=65 53650 000=15 536，其C51程序如下： #include #include unsigned int data n,v; main() TMOD=0x51; /设置T0工作于定时方式1，T1工作于计数方式1 TL0=15536%256,TH0=15536/256; /设置T0、T1的计数初值 TH1=0,TL1=0; EA=1,ET0=1; /开启T0、CPU中断 TR0=1,TR1=1; /开启T0、T1计数器 while (1); /等待100ms到 void time0() interrupt 1 /T0中断函数 n=TH1*256+TL1; /读T1计数值 v=1000*

13、n/50000; /计算电压值，单位为mV TL0=15536%256,TH0=15536/256; /重置T0、T1计数初值 TH1=0,TL1=0; 6.3 6.3 定时器定时器/ /计数器计数器T2T2 在MCS-51的52子系列单片机中，增加了一个16位定时器/计数器T2。定时器T2使52子系列的P1.0、P1.1具有了第二功能，分别是时钟信号输入脚T2和外部边沿信号输入脚T2EX，同时也增加了一个中断源T2和中断入口地址0002BH。 T2的功能比T0、T1更强，在特殊功能寄存器中有5个与T2有关的寄存器，分别是TH2、TL2、定时器2控制寄存器T2CON、捕捉寄存器RCAP2L、RCAP2H。T2与T0、T1有类似的功能，也可作为定时器/计数器使用，此时由T2CON中的C/位来控制。除此之外，T2还可具有16位捕捉方式、16位常数自动重装入方式和波特率发生器方式。6.3.1 T26.3.1 T2的状态控制寄存器的状态控制寄存器T2CONT2CON T2CON为状态控制寄存器，可位寻址，其位地址和格式如下所示：其中，D7、D6为状态位，其余为控制位，D0、D2、D4、D5设定

14、T2的三种工作方式，见表6-2。表6-2 定时器T2方式选择（1）溢出中断标志位TF2（2）外部中断标志EXF2（3）串行口接收时钟选择位RCLK（4）串行口发送时钟选择位TCLK（5）外部允许标志位EXEN2（6）T2的计数控制位TR2（7）定时器或计数器功能选择位（8）捕捉或16位常数自动重装方式选择位6.3.2 T26.3.2 T2的工作方式的工作方式 1 1捕捉模式捕捉模式 当=1时，T2工作于捕捉方式，其结构原理如图6-13所示。此时，T2CON中的EXEN2位控制T2捕捉动作的发生。图6-13 定时器T2捕捉模式结构图 当EXEN2=0时，不发生捕捉动作，T2作为定时器/计数器使用。若C/=0时，T2为定时器；若C/=1时，T2为外部事件计数器（下降沿触发），当T2计数溢出时，将TF2标志置“1”，并发出中断请求。在这种情况下，TH2和TL2的内容不会送入捕捉寄存器中。 若EXEN2=1，T2除实现上述定时器/计数器的功能外，还可实现捕捉功能，即当在T2EX引脚（P1.1）上发生的负跳变时，就会把TH2和TL2的内容锁入捕捉寄存器（RCAP2H和RCAP2L）中，并将T2C

15、ON中的中断标志EXF2置“1”，向CPU发出中断请求。 T2的16位捕捉方式主要用于测试外部事件的发生时间，如可用于测试输入脉冲的频率、周期等，此时T2的初值一般取0，使T2循环地从0开始计数。 2 21616位常数自动装入模式位常数自动装入模式 当CP/=0时，T2工作于16位常数自动装入方式，其结构原理如图6-14所示。此时，T2CON中的EXEN2位控制T2常数自动装入动作的发生。 当EXEN2=0时，T2作为定时器/计数器使用，当TR2=1时，T2从初值开始加1计数，溢出时将打开控制初值装入的三态门，将RCAP2H和RCAP2L中存放的计数初值重新装入TH2和TL2中，使T2从该值开始重新计数，同时将TF2标志置“1”，向CPU发出中断请求。RCAP2H和RCAP2L中的初值在初始化时由软件编程置入。 若EXEN2=1，T2在T2EX引脚（P1.1）上发生的负跳变或计数器加法溢出时，都可以将RCAP2H和RCAP2L中存放的计数初值重新装入TH2和TL2中，使T2从该值开始重新计数。此时，当T2EX引脚（P1.1）上出现的负跳变时，将外中断标志EXF2置“1”或计数器加法溢出

16、时，将TF2置“1”均向CPU发出中断请求。 T2的16位常数自动装入方式的初值只需设定一次。在定时方式（C/=0）时，若设定初值为N，则定时时间精确地等于(216N)12/fosc。图6-14 定时器T2常数自动装入模式结构图3 3波特率发生器方式波特率发生器方式 当T2CON中的控制位RCLK=1或TCLK=1时，T2作为串行口方式1和方式3的波特率发生器，这时的逻辑结构如图6-15所示。 图6-15 定时器T2的波特率发生器的结构 T2的波特率发生器方式和内部控制的16位常数自动装入方式相类似。不同的是当C/=0时，以振荡器的二分频信号作为T2的计数脉冲，当计数溢出时，将RCAP2H和RCAP2L中存放的计数初值重新装入TH2和TL2中，使T2从初值开始重新计数，但并不置TF2为“1”，也不向CPU发中断请求，因此可以不必禁止T2中断。 RCAP2H和RCAP2L中的常数由软件设定为N后，T2的溢出率是严格不变的，其值为 T2的溢出率=(216N)振荡器频率/2 因而使串行口的方式1和方式3的波特率非常稳定，其值为 方式1和方式3的波特率=(216N)振荡器频率/32 若EXEN

17、2=1，当T2EX引脚（P1.1）上发生的负跳变时，也不会将RCAP2H和RCAP2L中存放的计数初值重新装入TH2和TL2中，而仅仅置位EXF2，向CPU请求中断，因此T2EX可以作为一个外部中断源使用。 由于在计数过程中（TR2=1），不能对TH2、TL2、RCAP2H和RCAP2L进行写操作，因此初始化时，应对它们均设置初值后，才将TR2置“1”，启动计数。 习题61综述MCS-51系列单片机定时器T0、T1的结构与工作原理。2定时器T0已预置初值为FFFFH，并选定用于方式1、计数工作方式，问此时定时器T0的实际用途将可能是什么？3定时器T0如用于下列定时，晶振频率为12MHz，试为定时器T0编制初始化程序。（1）50ms。（2）25ms。4定时器T0已预置初值156，且选定用于方式2、计数工作方式，现在T0引脚上输入周期固定为1ms的脉冲，问：（1）分析此时定时器T0的实际用途可能是什么？（2）在什么情况下，定时器T0溢出？ 5设晶振频率为12MHz，定时器T0的初始化程序如下： MAIN: MOV TH0,#0DH MOV TL0,#0D0H MOV TMOD,#01H SETB TR0 LOOP: JNB TF0,LOOP CLR TF0 CPL P1.0 SJMP LOOP 问：（1）该定时器工作于什么方式？ （2）相应的定时时间或计数值是多少？ 6综述定时器T0、定时器T1各有哪几种工作方式？相应的方式特征与用法是什么？ 7利用T0方式0产生2ms的定时，在P1.0引脚上输出周期为4ms的方波。设单片机晶振频率为12MHz。 8利用T0方式1产生50ms的定时，在P1.0引脚上输出周期为150ms的波形。其中，高电平为50ms，低电平为100ms。设单片机晶振频率为12MHz。 9利用定时器T0门控位GATE，测试（P3.2）引脚上出现的正脉冲的宽度，并将脉冲的宽度存放在31H30H中。设单片机晶振频率为12MHz。

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