基于單片機定時器/計數器的時鐘設計以及計數設計

• 第一部分 前言
• 第二部分 定時器/計數器的原理
• • MCS-51定時器/計數器的結構
  • 定時器/計數器相關特殊功能寄存器
  • 定時器/計數器工作方式
• 第三部分 定時器/計數器編程方法
• 第四部分 定時器/計數器仿真設計
• • 設計案例一
  • • 原理圖
    • 動態仿真結果
    • 代碼
  • 設計案例二
  • • 原理圖
    • 動態仿真結果
    • 代碼

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，然后Keil軟件下編寫源程序并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了解定時器/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個都可設置為定時器或事件計數器。當其作為“定時器”功能時，它是對標準時鐘計數，每個時鐘周期寄存器自動增1。由于MCS-51單片機的一個機器周期由12個振蕩器周期組成，計數速率是振蕩器頻率的1/12。作為“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，并同時會建立一個相應的溢出標志（即中斷標志位）。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單片機為例講解定時器/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，對機器周期計數，每過一個機器周期，計數器加１。由于每個機器周期包含12個振蕩信號周期，所以加１計數器的計數頻率為振蕩器信號頻率的1/12。當用作計數器功能時，加1計數器的計數脈沖取自外部輸入端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在每個機器周期的S5P2時刻對外部輸入狀態進行采樣，計數器加1的執行是在檢測到跳變后的下一個機器周期的S3P1時刻。由于需要兩個機器周期來識別一個從“1”到“0”的負跳變，所以最大計數頻率為振蕩信號頻率的1/24。而外部時鐘脈沖持續為0和為1的時間不能少于一個機器周期。
??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 啟動；
• GATE=1，INT0/1 (=1) 及運行控制位TR0/TR1(=1)控制T0/T1啟動，可用于外部脈沖寬度測量
• C/T=0，用作定時器（定時功能通過計數實現，計數脈沖來自內部系統時鐘輸入，一個機器周期產生一個計數脈沖）；
• C/T=1，用作計數器（對外部脈沖計數，外部輸入脈沖發送負跳
  變時加1）

T0模式

M1M0功能

0	0	13 位定時器/ 計數器，TL1 低5 位 + TH1全8 位，最大值為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，最大值為256；
1	1	定時器/ 計數器1 此時無效（停止計數）

T1模式

M1M0功能

0	0	13 位定時器/ 計數器，TL1 低5 位 + TH1全8 位，最大值為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，最大值為256；
1	1	定時器0 為雙8 位定時器/ 計數器，TL0 作為一個8 位定時器/ 計數器，通過標準定時器0 的控制位控制，TH0 僅作為一個8 位定時器，由定時器1 的控制位控制。

2.TCON
??TCON寄存器的字節地址為88H，可進行位尋址。高4位分別為定時器／計數器的啟動控制和溢出中斷標志，低4位與外部中斷控制有關，

各標志位的功能：

1. IT0—選擇外部中斷請求0為跳沿觸發方式還是電平觸發方式：
IT0=0，為電平觸發方式。
IT0=1，為跳沿觸發方式。
??可由軟件置“1”或清“0”。
2. IE0—外部中斷請求0的中斷請求標志位。
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為跳沿觸發方式還是電平觸發方式，意義與IT0類似。

IE1—外部中斷請求1的中斷請求標志位，意義與IE0類似。

TF0 —T0溢出中斷請求標志位。**
??T0計數后，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的溢出中斷請求標志位，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。字節地址為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個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復位后，IE清0，所有中斷請求被禁止。若使某一個中斷源被允許中斷，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處于定時工作方式，多路開關接通振蕩脈沖的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處于計數工作方式，多路開關接通計數引腳（T0），外部計數脈沖由腳T0輸入。當計數脈沖發生負跳變時，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志位TF0進位。同時，GATA位的狀態決定定時器運行控制取決于TR0一個條件還是TR0和/INT0引腳這兩個條件。當GATA=1時，由于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與門輸出為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范圍為1～8192（213?1）。由于MCS-51單片機的T0和T1采用加計數，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，那么TH0（TH1），TL0（TL1）的值分別為0E0H和18H。由于TL0（TL1）為低5為有效，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，保留后面13位，并取低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進制編碼為18H，而1110 0000這8位為TH0（TH1）的內容，其16進制編碼為0E0H。
??當定時器/計數器工作于方式0且確定了定時時間T1后，其計數初值N的計算公式為

N=8192-(T1×fosc/12)

??式中，fosc為系統時鐘振蕩頻率。
??假設單片機的晶振選為12MHz，需要用T0進行2ms定時控制，則T0的初值N計算為

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

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

2. 工作方式1

定時器/計數器0、1工作于方式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的區別僅在于計數器的位數不同，方式0為13位，而方式1則為16位，由TH0作為高8位，TL0為低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范圍是：1～65536
??當定時器/計數器工作于方式1且確定了定時時間T1后，其計數初值N的計算公式為：

N=65536-（T1×fosc/12）

??則寫入到8位寄存器TH0（TH1），TL0（TL1）值分別為
??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處于工作方式2，此時其電路邏輯結構如圖9-4所示。以定時/計數器0為例，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/計數器工作于方式3下。方式3只適用于定時器T0，若將T1置為方式3，則它將停止計數，其效果相當于置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既可以作為計數器使用，也可以作為定時器使用，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，只能作為簡單的定時器使用，而且由于定時器/計數器0的控制位已被TL0占用，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定時器的啟動和停止。由于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：

設置定時器工作模式（設置TMOD）；

設置定時器計數初值（設置THx/TLx）；

允許定時器中斷（IE）；

啟動定時器（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/ 機器周期； 如果時鐘頻率fosc=12MHZ,則機
  器周期=12時鐘周期=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
• 啟動定時器
  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

??基于上述原理可以設計一個60s計時的秒表，完成秒表電路的設計與編程調試。

原理圖

??定時器T0或T1實現秒表的計時功能，工作模式不限，計時60s后自動從0開始重新計時， INT0中斷方式實現秒表的啟動和暫停計時； INT1中斷方式實現秒表的計時重置。

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，計數初值為0，數碼管顯示3位數
• T1工作模式不限，非中斷方式，計數初值為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于定時器/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，后續將會推出單片機的進階設計文章。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的基于单片机定时器/计数器的时钟设计及计数设计的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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