51单片机定时器/计数器的基本结构及工作原理
80C51单片机内部设有两个16位的可编程定时器/计数器。可编程的意思是指其功能（如工作方式、定时时间、量程、启动方式等）均可由指令来确定和改变。在定时器/计数器中除了有两个16位的计数器之外,还有两个特殊功能寄存器（控制寄存器和方式寄存器）。
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ion=edit§ion=1"<编辑] 定时器/计数器的结构
从 上面定时器/计数器的结构图中我们可以看出,16位的定时/计数器分别由两个8位专用寄存器组成,即:T0由TH0和TL0构成;T1由TH1和TL1构 成。其访问地址依次为8AH-8DH。每个寄存器均可单独访问。这些寄存器是用于存放定时或计数初值的。此外,其内部还有一个8位的定时器方式寄存器 TMOD和一个8位的定时控制寄存器TCON。这些寄存器之间是通过内部总线和控制逻辑电路连接起来的。TMOD主要是用于选定定时器的工作方 式;TCON主要是用于控制定时器的启动停止,此外TCON还可以保存T0、T1的溢出和中断标志。当定时器工作在计数方式时,外部事件通过引脚 T0（P3.4）和T1（P3.5）输入。 ion=edit§ion=2"<编辑] 定时计数器的原理
16 位的定时器/计数器实质上就是一个加1计数器,其控制电路受软件控制、切换。当定时器/计数器为定时工作方式时,计数器的加1信号由振荡器的12分频信号 产生,即每过一个机器周期,计数器加1,直至计满溢出为止。显然,定时器的定时时间与系统的振荡频率有关。因一个机器周期等于12个振荡周期,所以计数频 率 fcount=1/12osc。如果晶振为12MHz,则计数周期为: T=1/（12×106）Hz×1/12=1μs
这 是最短的定时周期。若要延长定时时间,则需要改变定时器的初值,并要适当选择定时器的长度（如8位、13位、16位等）。当定时器/计数器为计数工作方式 时,通过引脚T0和T1对外部信号计数,外部脉冲的下降沿将触发计数。计数器在每个机器周期的S5P2期间采样引脚输入电平。若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。此后的机器周期S3P1期间,新的计数值装入计数器。所以检测一个由1至0的跳变需要两个机器周期,故外部事年 的最高计数频率为振荡频率的1/24。例如,如果选用12MHz晶振,则最高计数频率为0.5MHz。虽然对外部输入信号的占空比无特殊要求,但为了确保 某给定电平在变化前至少被采样一次,外部计数脉冲的高电平与低电平保持时间均需在一个机器周期以上。
当 CPU用软件给定时器设置了某种工作方式之后,定时器就会按设定的工作方式独立运行,不再占用CPU的操作时间,除非定时器计满溢出,才可能中断CPU 当前操作。CPU也可以重新设置定时器工作方式,以改变定时器的操作。由此可见,定时器是单片机中效率高而且工作灵活的部件。综上所述,我们已知定时器/ 计数器是一种可编程部件,所以在定时器/计数器开始工作之前,CPU必须将一些命令（称为控制字）写入定时/计数器。将控制字写入定时/计数器的过程叫定 时器/计数器初始化。在初始化过程中,要将工作方式控制字写入方式寄存器,工作状态字（或相关位）写入控制寄存器,赋定时/计数初值。下面我们就提出的控 制字的格式及各位的主要功能与大家详细的讲解。
控制寄存器 定时器／计数器T0和T1有2个控制寄存器-TMOD和TCON,它们分别用来设置各个定时器／计数器的工作方式,选择定时或计数功能,控制启动运行,以及作为运行状态的标志等。其中,TCON寄存器中另有4位用于中断系统。 ion=edit§ion=3"<编辑] 定时器/计数器方式寄存器TMOD
定时器方式控制寄存器TMOD在特殊功能寄存器中,字节地址为89H,无位地址。TMOD的格式如下图所示。
由 图可见,TMOD的高4位用于T1,低4使用于T0,4种符号的含义如下: GATE:门控制位。GATE和软件控制位TR、外部引脚信号INT的状态,共同控制定时器／计数器的打开或关闭。 C／T:定时器／计数器选择位。C/T＝1,为计数器方式;C／T＝0,为定时器方式。 M1M0:工作方式选择位,定时器／计数器的4种工作方式由M1M0设定。
| M0 | M1 | 工作方式 | 功能描述 |
| 0 | 0 | 工作方式0 | 13位计数器 |
| 0 | 1 | 工作方式1 | 16位计数器 |
| 1 | 0 | 工作方式2 | 自动再装入8位计数器 |
| 1 | 1 | 工作方式3 | 定时器0:分成两个8位计数器;定时器1:停止计数 |
定时器/计数器方式控制寄存器TMOD不能进行位寻址,只能用字节传送指令设置定时器工作方式,低半字节定义为定时器0,高半字节定义为定时器1。复位时,TMOD所有位均为0。
例: 设定定时器1为定时工作方式,要求软件启动定时器1按方式2工作。定时器0为计数方式,要求由软件启动定时器0,按方式1工作。我们怎么来实现这个要求 呢？大家先看上面TMOD寄存器各位的分布图第一个问题:控制定时器1工作在定时方式或计数方式是哪个位？通过前面的学习,我们已知道,C/T位（D6） 是定时或计数功能选择位,当C/T=0时定时/计数器就为定时工作方式。所以要使定时/计数器1工作在定时器方式就必需使D6为0。第二个问题:设定定时 器1按方式2工作。上表中可以看出,要使定时/计数器1工作在方式2,M0（D4） M1（D5）的值必须是1 0。第三个问题:设定定时器0为计数方式。与第一个问题一样,定时/计数器0的工作方式选择位也是C/T（D2）,当C/T=1时,就工作在计数器方式。 第四个问题:由软件启动定时器0,前面已讲过,当门控位GATE=0时,定时/计数器的启停就由软件控制。第五个问题:设定定时/计数器工作在方式1,使 定时/计数器0工作在方式1,M0（D0） M1（D1）的值必须是0 1。从上面的分析我们可以知道,只要将TMOD的各位,按规定的要求设置好后,定时器/计灵敏器就会按我们预定的要求工作。我们分析的这个例子最后各位的 情况如下:
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D00 0 1 0 0 1 0 1
二进制数00100101=十六进制数25H。所以执行MOV TMOD,#25H这条指令就可以实现上述要求。 ion=edit§ion=4"<编辑] 定时器/计数器控制寄存器TCON
TCON 在特殊功能寄存器中,字节地址为88H,位地址(由低位到高位)为88H一8FH,由于有位地址,十分便于进行位操作。 TCON的作用是控制定时器的启、停,标志定时器溢出和中断情况。 TCON的格式如下图所示。其中,TFl,TRl,TF0和TR0位用于定时器／计数器;IEl,ITl,IE0和IT0位用于中断系统。
各 位定义如下: TF1:定时器1溢出标志位。当字时器1计满溢出时,由硬件使TF1置“1”,并且申请中断。进入中断服务程序后,由硬件自动清“0”,在查询方式下用软 件清“0”。 TR1:定时器1运行控制位。由软件清“0”关闭定时器1。当GATE=1,且INT1为高电平时,TR1置“1”启动定时器1;当GATE=0,TR1 置“1”启动定时器1。 TF0:定时器0溢出标志。其功能及操作情况同TF1。 TR0:定时器0运行控制位。其功能及操作情况同TR1。 IE1:外部中断1请求标志。 IT1:外部中断1触发方式选择位。 IE0:外部中断0请求标志。 IT0:外部中断0触发方式选择位。
TCON 中低4位与中断有关,我们将在下节课讲中断时再给予讲解。由于TCON 是可以位寻址的,因而如果只清溢出或启动定时器工作,可以用位操作命令。例如:执行“CLR TF0”后则清定时器0的溢出;执行“SETB TR1”后可启动定时器1开始工作（当然前面还要设置方式定）。 ion=edit§ion=5"<编辑] 定时器/计数器的初始化
由于定时器/计数器的功能是由软件编程确定的,所以一般在使用定时/计数器前都要对其进行初始化,使其按设定的功能工作。初始货的步骤一般如下:
1、 确定工作方式（即对TMOD赋值）; 2、预置定时或计数的初值（可直接将初值写入TH0、TL0或TH1、TL1）; 3、根据需要开放定时器/计数器的中断（直接对IE位赋值）; 4、启动定时器/计数器（若已规定用软件启动,则可把TR0或TR1置“1”;若已规定由外中断引脚电平启动,则需给外引脚步加启动电平。当实现了启动要 求后,定时器即按规定的工作方式和初值开始计数或定时）。
下面介绍一下确定时/计数器初值的具体方法。因为在不同工作方式下计数器位数不同,因而最大计数值也不同。
现假设最大计数值为M,那么各方式下的最大值M值如下: 方式0:M=2^13=8 192 ;方式1:M=2^16=65 536; 方式2:M=2^8=256 ;方式3:定时器0分成两个8位计数器,所以两个M均为256。
因为定时器/计数器是作“加1”计数,并在计数满溢出时产生中断,因此初值X可以这样计算: X=M-计数值
下 面举例说明初值的确定方法。例1、选择T1方式0用于定时,在P1.1输出周期为1ms方波,晶振fosc=6MHz。解:根据题意,只要使P1.1每隔 500us取反一次即可得到1ms的方波,因而T1的定时时间为500us,因定时时间不长,取方式0即可。则M1 M0=00;因是定时器方式,所以C/T=0;在此用软件启动T1,所以GATE=0。T0不用,方式字可任意设置,只要不使其进入方式3即可,一般取 0,故TMOD=00H。系统复位后TMOD为0,可不对TMOD重新清0。下面计算500us定时T1初始值: 机器周期T=12/fosc=12/（6×106）Hz=2μs
设初值为X,则:(8192－x）×2×10^(-6)s=500×10-6s ;=>X=7942D=1111100000110B=1F06H
因为在作13位计数器用时,TL1的高3位未用,应填写0,TH1占用高8位,所以X的实际填写应为:
X=111100000000110B=F806H
结果:TH1=F8H,TL1=06H
源程序如下:
ORG 2000H
MOV TL1,#06H ;给TL1置初值
MOV TH1,#0F8H ;给TH1置初值
SETB TR1 ;启动T1LP1:
JBC TF1,LP2 ;查询计数溢出否？
AJMP LP1LP2:
MOV TL1,#06H ;重新设置计数初值
MOV TH1,#0F8H
CPL P1.1 ;输出取反
AJMP LP1 ;重复循环ion=edit§ion=6"<编辑] 定时器/计数器的四种工作方式
T0或T1无论用作定时器或计数器都有4种工作方式:方式0、方式1、方式2和方式3。除方式3外,T0和T1有完全相同的工作状态。下面以T1为例,分述各种工作方式的特点和用法。 ion=edit§ion=7"<编辑] 工作方式0
13位方式由TL1的低5位和TH1的8位构成13位计数器（TL1的高3位无效）。工作方式0的结构见下图:
定 时／计数选择:C／T＝0,T1为定时器,定时信号为振荡周期12分频后的脉冲;C／T＝l,T1为计数器,计数信号来自引脚T1的外部信号。定时器T1 能否启动工作,还受到了R1、GATE和引脚信号INT1的控制。由图中的逻辑电路可知,当GATE＝0时,只要TR1＝1就可打开控制门,使定时器工 作;当GATE＝1时,只有TR1＝1且INT1＝1,才可打开控制门。GATE,TR1,C／T的状态选择由定时器的控制寄存器TMOD, TCON中相应位状态确定,INT1则是外部引脚上的信号。在一般的应用中,通常使GATE＝0,从而由TRl的状态控制Tl的开闭:TRl＝ 1,打开T1;TRl＝0,关闭T1。在特殊的应用场合,例如利用定时器测量接于INT1引脚上的外部脉冲高电平的宽度时,可使GATE＝1,TRl＝ 1。当外部脉冲出现上升沿,亦即INT1由0变1电平时,启动T1定时,测量开始;一旦外部脉冲出现下降沿,亦即INT1由l变O时就关闭了T1。定时器 启动后,定时或计数脉冲加到TLl的低5位,从预先设置的初值(时间常数)开始不断增1。TL1计满后,向THl进位。当TL1和THl都计满之后,置位T1的定时器回零标志TFl,以此表明定时时间或计数次数已到,以供查询或在打开中断的条件下,可向CPU请求中断。如需进一步定时/计数,需用指令重置时间常数。
方式0是13位计数结构的工作方式,其计数器由TH0全部8位和TL0的低5位构成。当TL0的低5位计数溢出时,向TH0进位,而全部13位计数溢出时,则向计数溢出标志位TF0进位。
在方式0下,当为计数工作方式时,计数值的范围是: 1～8192（213）
当为定时工作方式时,定时时间的计算公式为:
（213－计数初值）×晶振周期×12 或 （213－计数初值）×机器周期
其时间单位与晶振周期或机器周期相同（ms）。
例题1:当某单片机系统的外接晶振频率为6MHz,该系统的最小定时时间为:
[213－（213－1）]×[1/（6×10^6）]×12＝2×10^(－6)＝2（μs）
最大定时时间为:
（213－0）×[1/（6×106）]×12＝16384×10－6＝16384（μs）
或:最小定时单位×2^13＝16384（μs）
例题2: 设某单片机系统的外接晶振频率为6MHz,使用定时器1以方式0产生周期为500ms的等宽正方波连续脉冲,并由P1.0输出。
以查询方式完成。
⑴ 计算计数初值
欲产生500μs的等宽正方波脉冲,只需在P1.0端以250μs为周期交替输出高低电平即可实现,为此定
时时间应为250μs。使用6MHz晶振,根据上例的计算,可知一个机器周期为2μs。方式0为13位计数结
构。设待求的计数初值为X,则:
（8192-X）×2×10^(-6)＝250×10^(-6)
求解得:
X＝8192－（250÷2）＝8067。
二进制数表示为1111110000011。十六进制表示,高8位为FCH,放入TH1,即TH1＝FCH;低5位为03H。放入TL1,即TL1＝03H。
⑵ TMOD寄存器初始化
为把定时器/计数器1设定为方式0,则M1M0＝00;为实现定时功能,应使C/T＝0;为实现定时
器/计数器1的运行控制,则GATE＝0。定时器/计数器0不用,有关位设定为0。因此TMOD寄存
器应初始化为00H。
⑶ 由定时器控制寄存器TCON中的TR1位控制定时的启动和停止 TR1＝1启动,TR1＝0停止。
⑷ 程序设计:
MOV TMOD,＃00H ;设置T1为工作方式0
MOV TH1,＃OFCH ;设置计数初值
MOV TL1,＃03H
MOV IE,＃00H ;禁止中断 (为什么要禁止中断呢?)
LOOP: SETB TR1 ;启动定时
JBC TF1,LOOP1 ;查询计数溢出
AJMP LOOPLOOP1:
MOV TH1,＃FCH ;重新设置计数初值
MOV TL1,＃03H
CLR TF1 ;计数溢出标志位清0
CPL P1.0 ;输出取反 AJMP LOOP ;重复循环ion=edit§ion=8"<编辑] 工作方式1
方式1是16位计数结构的工作方式,计数器由TH0全部8位和TL0全部8位构成。与工作方式0基本相同,区别仅在于工作方式1的计数器TL1和TH1组成16位计数器,从而比工作方式0有更宽的定时/计数范围。
当为计数工作方式时,计数值的范围是:
1～65536（216）
当为定时工作方式时,定时时间计算公式为:
（216－计数初值）×晶振周期×12
或
（216－计数初值）×机器周期
例题1:当某单片机系统的外部晶振频率为6MHz,则最小定时时间为:
[216－（216－1）]×1/6×10－6×12＝2×10－6＝2（ms）
最大定时时间为:
（216－0）×1/6×10－6×12＝131072×10－6（s）＝131072（ms）≈131（ms）
例题2: 某单片机系统外接晶振频率为6MHz,使用定时器1以工作方式1产生周期为500ms的等宽连续正方波脉冲,并在P1.0端输出。,但以中断方式完成。
⑴ 计算计数初值
TH1＝FFH TL1=83H
⑵ TMOD寄存器初始化
TMOD＝10H
⑶ 程序设计
主程序:
MOV TMOD,＃10H ;定时器1工作方式１
MOV TH1,＃0FFH ;设置计数初值
MOV TL1,＃0A1H SETB EA ;开中断
SETB ET1 ;定时器1允许中断
LOOP: SETB TR1 ;定时开始
HERE: SJMP $ ;等待中断
中断服务程序:
MOV TH1,＃0FFH ;重新设置计数初值
MOV TL1,＃0A1H CPL P1.0 ;
输出取反 RETI ;中断返回ion=edit§ion=9"<编辑] 工作方式2
8 位自动装入时间常数方式。由TLl构成8位计数器,THl仅用来存放时间常数。启动T1前,TLl和THl装入相同的时间常数,当TL1计满后,除定时器 回零标志TFl置位,具有向CPU请求中断的条件外,THl中的时间常数还会自动地装入TLl,并重新开始定时或计数。所以,工作方式2是一种自动装入时 间常数的8位计数器方式。由于这种方式不需要指令重装时间常数,因而操作方便,在允许的条件下,应尽量使用这种工作方式。当然,这种方式的定时／计数范围 要小于方式0和方式 1。工作方式2的结构见下图．
当 计数溢出后,不是像前两种工作方式那样通过软件方法,而是由预置寄存器TH以硬件方法自动给计数器TL重新加载。变软件加载为硬件加载。初始化时,8位计 数初值同时装入TL0和TH0中。当TL0计数溢出时,置位TF0,同时把保存在预置寄存器TH0中的计数初值自动加载TL0,然后TL0重新计数。如此 重复不止。这不但省去了用户程序中的重装指令,而且也有利于提高定时精度。但这种工作方式下是8位计数结构,计数值有限,最大只能到255。这种自动重新 加载工作方式非常适用于循环定时或循环计数应用,例如用于产生固定脉宽的脉冲, 此外还可以作串行数据通信的波特率发送器使用。例题1: 使用定时器0以工作方式2产生100ms定时,在P1.0输出周期为200ms的连续正方波脉冲。已知晶振频率fosc＝6MHz。 ⑴ 计算计数初值 6MHz晶振下,一个机器周期为2ms,以TH0作重装载的预置寄存器,TL0作8位计数器,假设计数初值为X,则:
（28-X）×2×10-6＝100×10-6
求解得:
X＝206D＝11001110B＝0CEH
把0CEH分别装入TH0和TL0中:
TH0＝0CEH,TL0＝0CEH
⑵ TMOD寄存器初始化
定时器/计数器0为工式方式2,M1M0＝10;为实现定时功能 C/T＝0;为实现定时器/计数器0的运行GATE＝0;定时器/计数器1不用,有关位设定为0。 综上情况TMOD寄存器的状态应为02H。
⑶ 程序设计（查询方式）
MOV IE,＃00H ;禁止中断 MOV TMOD,＃02H ;设置定时器0为方式2 MOV TH0,＃0CEH ;保存计数初值 MOV TL0,＃0CEH ;设置计数初值 SETB TR0 ;启动定时LOOP:JBC TF0,LOOP1 ;查询计数溢出 AJMP LOOPLOOP1:CPL P1.0 ;输出方波 AJMP LOOP ;重复循环
由于方式2具有自动重装载功能,因此计数初值只需设置一次,以后不再需要软件重置。
⑷ 程序设计（中断方式）主程序:
MOV TMOD,＃02H ;定时器0工作方式2 MOV TH0,＃0CEH ;保存计数初值 MOV TL0,＃0CEH ;设置计数初值 SETB EA ;开中断 SETB ET0 ;定时器0允许中断LOOP: SETB TR0 ;开始定时HERE: SJMP $ ;等待中断 CLP TF0 ;计数溢出标志位清0 AJMP LOOP
中断服务中断:
CPL P1.0 ;输出方波 RETI ;中断返回
例题2: 用定时器1以工作方式2实现计数,每计100次进行累加器加1操作。
⑴ 计算计数初值
28-100＝156D＝09CH 则 TH1＝09CH,TL1＝09CH
⑵ TMOD寄存器初始化
M1M0＝10,C/T＝1,GATE＝0 因此 TMOD＝60H
⑶ 程序设计
MOV IE, ＃00H ;禁止中断 MOV TMOD, ＃60H ;设置计数器1为方式2 MOV TH1, ＃9CH ;保存计数初值 MOV TL1, ＃9CH ;设置计数初值 SETB TR1 ;启动计数DEL: JBC TF1, LOOP ;查询计数溢出 AJMP DELLOOP: INC A ;累加器加1 AJMP DEL ;循环返回ion=edit§ion=10"<编辑] =工作方式3
2 个8位方式。工作方式3只适用于定时器0。如果使定时器1为工作方式3,则定时器1将处于关闭状态。当T0为工作方式3时,THo和TL0分成2个独立的 8位计数器。其中,TL0既可用作定时器,又可用作计数器,并使用原T0的所有控制位及其定时器回零标志和中断源。TH0只能用作定时器,并使用T1的控 制位TRl、回零标志TFl和中断源,见下图。
通 常情况下,T0不运行于工作方式3,只有在T1处于工作方式2,并不要求中断的条件下才可能使用。这时,T1往往用作串行口波特率发生器(见1．4), TH0用作定时器,TL0作为定时器或计数器。所以,方式3是为了使单片机有1个独立的定时器／计数器、1个定时器以及1个串行口波特率发生器的应用场合 而特地提供的。这时,可把定时器l用于工作方式2,把定时器0用于工作方式3。
下 才可能使用。这时,T1往往用作串行口波特率发生器,TH0用作定时器,TL0作为定时器或计数器。所以,方式3是为了使单片机有1个独立的定时器／计数 器、1个定时器以及1个串行口波特率发生器的应用场合而特地提供的。这时,可把定时器l用于工作方式2,把定时器0用于工作方式3。理解内容 ion=edit§ion=11"<编辑] 定时器/计数器的应用
例1、设fosc = 6MHz,利用单片机内定时/计数器及P10口线输出1000个脉冲,脉冲周期为2ms,试编程。解:
T = 12×1/fosc = 2us 选取T0定时;T1计数。设T0采用中断方式产生周期为2ms方波,T1对该方波计数,当输出至第1000个脉冲时,使TF1置1。在主程序中用查询方 法,检测到TF1变1时,关掉T0,停止输出方波。 T0、T1参数的确定: T0模式0、定时:脉宽为脉冲周期的一半所以,X = 213－1ms / 2us = 0001 1110 0000 1100B TH0 = 0F0H TL0 = 0CH T1模式1、计数:N = 1000 则 X = 65536－1000 = 64536 = 0FC18H （若选模式0也可以,此时X = 7192=1C18H）
程序:
ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH LJMP TOS ORG 1000HMAIN: MOV TMOD,#50H ;T0定时,模式0;T1计数,模式1 MOV TL0,#0CH MOV TH0,#0F0H MOV TL1,#18H MOV TH1,#0FCH SETB TR1 SETB TR0 SETB ET0 SETB EAWAIT: JNB TF1,WAIT ;查询1000个脉冲计够没有？没有等待。 CLR EA CLR ET0 ANL TCON,#0FH ;停T0、T1 SJMP $TOS: MOV TL0,#0CH MOV TH0,#0F0H CPL P10 RETI END
例 2、脉冲参数测量——GATE功能的使用。电路连接如下图所示。脉冲高电平（计数）长度值存于21H、20H中, 脉冲低电平长度存于23H、22H中。解: 复习GATE的用法: GATE = 0时,TRi = 1,即可启动Ti定时 / 计数 GATE = 1时,TRi = 1,且/INTi =1,才启动定时 / 计数。
ORG 0000H LJMP MAIN ORG 2000HMAIN: MOV TMOD,#99H ;T0、T1均工作在定时,模式1,GATE=1 MOV A,#00H ;T0、T1赋计数初值00H,定时最长时间为0000 ~ 65536 MOV TL0,A MOV TH0,A MOV TL1,A MOV TH1,ATEST0:JB P32,TEST0 ;检测是否到a点 SETB TR0 ;到a点,TR0 = 1,做好取计时值准备。TEST1:JNB P32,TEST1 ;检测是否到1点 SETB TR1 ;到1点T0计时;TR1 = 1,做好T1计时准备TEST2:JB P32,TEST2 ;检测是否到2点 CLR TR0 ;到2点,停止T0计时,T1开始计时 MOV 20H,TH0 ;保存T0计时结果 MOV 21H,TL0TEST3:JB P33,TEST3 ;检测是否到3点 CLR TR1 ;到3点,停止T1计数 MOV 22H,TH1 ;保存T1计数结果 MOV 23H,TL1 LCALL DISP SJMP $
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