51单片机——定时器/计数器

1.概述

        8051单片机内部有T0和T1两个定时器/计数器。它们既可用作定时器，也可用作计数器，可以通过编程来设置其使用方法。

2.定时器/计数器

2.1 定时功能

2.2.1 定时功能的用法

        当定时器/计数器用作定时器时，可以用来计算时间。如果要求单片机在一定的时间后产生某种控制，可将定时器/计数器设为定时器。单片机定时器/计数器的定时功能用法如图1所示。

图1 定时器/计数器的定时功能用法  

        要将定时器/计数器 T0设为定时器，实际上就是将定时器/计数器与外部输入断开，而与内部信号接通，对内部信号计数来定时。单片机的时钟振荡器可产生12MHz的时钟脉冲信号，经12分频后得到1MHz的脉冲信号，1MHz信号每个脉冲的持续时间为1μs，如果定时器T0对1MHz的信号进行计数，若从0计到65536，将需要65536μs，也即65.536ms。65.536ms后定时器计数达到最大值，会溢出而输出一个中断请求信号去中断系统，中断系统接受中断请求后，执行中断子程序，子程序的运行结果将P1.0端口置“0”，该端口外接的发光二极管点亮。

2.1.2 任意定时方法

        在图1中，定时器只有在65.536ms 后计数达到最大值时才会溢出，如果需要不到65.536ms定时器就产生溢出，比如1ms后产生溢出，可以对定时器预先进行置数。将定时器初始值设为64536，这样定时器就会从64536开始计数，当计到65536时，定时器定时时间就为1ms而产生一个溢出信号。

2.2 计数功能

2.2.1 计数功能的用法

        当定时器/计数器用作计数器时，可以用来计数。如果要求单片机计数达到一定值时产生某种控制，可将定时器/计数器设为计数器。单片机定时器/计数器的计数功能用法如图2所示。

图2 定时器/计数器的计数功能用法

        用编程的方法将定时器/计数器T0设为一个16位计数器，它的最大计数值为216=65536。T0端（即P3.4引脚）用来输入脉冲信号。当脉冲信号输入时，计数器对脉冲进行计数，当计到最大值65536时，计数器溢出，会输出一个中断请求信号到中断系统，中断系统接受中断请求后，执行中断子程序，子程序的运行结果将P1.0端口置“0”，该端口外接的发光二极管点亮。

2.2.2 任意计数方法

        在图2中，只有在T0端输入65536个脉冲时，计数器计数达到最大值才会溢出，如果希望输入100个脉冲时计数器就能溢出，可以在计数前对计数器预先进行置数，将计数器初始值设为65436，这样计数器就会从65436开始计数，当输入100个脉冲时，计数器的计数值就达到65536而产生一个溢出信号。

2.3 定时器/计数器的结构原理

2.3.1 定时器/计数器的结构

        8051单片机内部定时器/计数器的结构如图3所示。单片机内部与定时器/计数器有关的部件主要有以下几种：

        ① 两个定时器/计数器（T0和 T1）。每个定时器/计数器都是由两个8位计数器构成的16位计数器。

        ② TCON寄存器。TCON为控制寄存器，用来控制两个定时器/计数器的启动/停止。

        ③ TMOD寄存器。TMOD为工作方式控制寄存器，用来设置定时器/计数器的工作方式。两个定时器/计数器在内部还通过总线与CPU连接，CPU可以通过总线对它们进行控制。

图3 定时器/计数器的结构

2.3.2 定时器/计数器的工作原理

        由于定时器/计数器是在寄存器TCON和TMOD的控制下工作的，要让定时器/计数器工作，必须先设置寄存器 TCON 和 TMOD（可编写程序来设置）。单片机内部有2个定时器/计数器，它们的工作原理是一样的，这里以定时器/计数器T0为例进行说明。

1.定时器/计数器T0用作计数器

        要将定时器/计数器T0当作计数器使用，须设置寄存器TCON和TMOD，让它们对定时器/计数器T0进行相应的控制，然后定时器/计数器T0才开始以计数器的形式工作。

        （1）寄存器TCON和TMOD的设置将T0用作计数器时TCON、TMOD寄存器的设置内容主要有：

        ① 将寄存器TMOD的C/T位置“1”，如图8-3所示，该位发出控制信号让开关S0置“1”，定时器/计数器T0与外部输入端T0（P3.4）接通。

        ② 设置寄存器TMOD的M0、M1位，让它控制定时器/计数器T0的工作方式，比如让M0=1、M1=0，可以将定时器/计数器T0设为16位计数器。

        ③ 将寄存器TCON的TR0位置“1”，启动定时器/计数器T0开始工作。

        （2）定时器/计数器T0的工作过程定时器/计数器T0用作计数器的工作过程有以下几步：

        ① 计数。定时器/计数器T0启动后，开始对外部T0端（P3.4）输入的脉冲进行计数。

        ② 计数溢出，发出中断请求信号。当定时器/计数器T0计数达到最大值65536时，会溢出产生一个信号，该信号将寄存器TCON的TF0位置“1”，寄存器TCON立刻向CPU发出中断请求信号，CPU便执行中断子程序。

2.定时器/计数器T0用作定时器

        要将定时器/计数器T0当作定时器使用，同样也要设置寄存器TCON和TMOD，然后定时器/计数器T0才开始以定时器形式工作。

        （1）寄存器TCON和TMOD的设置将T0用作定时器时TCON、TMOD寄存器的设置内容主要有：

        ① 将寄存器TMOD的C/T位置“0”，如图8-3所示，该位发出控制信号让开关S0置“2”，定时器/计数器T0与内部振荡器接通。

        ② 设置寄存器 TMOD 的 M0、M1位，让它控制定时器/计数器 T0的工作方式，如让M0=0、M1=0，可以将定时器/计数器T0设为13位计数器。

        ③ 将寄存器TCON的TR0位置“1”，启动定时器/计数器T0开始工作。

        （2）定时器/计数器T0的工作过程定时器/计数器T0用作定时器的工作过程有以下几步：

        ① 计数。定时器/计数器T0启动后，开始对内部振荡器产生的信号（要经12分频）输入的脉冲进行计数。

        ② 计数溢出，发出中断请求信号。定时器/计数器T0对内部脉冲进行计数，由0计到最大值8192（213）时需要8.192ms的时间，8.192ms后定时器/计数器T0会溢出而产生一个信号，该信号将TCON寄存器的TF0位置“1”,TCON寄存器马上向CPU发出中断请求信号，CPU便执行中断子程序。

2.4 定时器/计数器的控制寄存器与四种工作方式

        定时器/计数器是在TCON寄存器和TMOD寄存器的控制下工作的，设置这两个寄存器相应位的值，可以对定时器/计数器进行各种控制。

2.4.1 定时器/计数器的控制寄存器TCON

        TCON寄存器的功能主要是接收外部中断源（INT0、INT1）和定时器/计数器（T0、T1）送来的中断请求信号，并对定时器/计数器进行启动/停止控制。TCON的字节地址是88H，它有8位，每位均可直接访问（即可位寻址）。TCON的字节地址、各位的位地址和名称功能如图4所示。

图4 TCON寄存器的字节地址、各位的位地址和名称功能

        TCON寄存器的各位功能在前面已介绍过，这里仅对与定时器/计数器有关的位进行说明。

        ① TF0位和TF1位：分别为定时器/计数器0和定时器/计数器1的中断请求标志位。当定时器/计数器工作产生溢出时，会将TF0或TF1位置“1”，表示定时器/计数器T0或T1有中断请求。

        ② TR0和TR1：分别为定时器/计数器0和定时器/计数器1的启动/停止位。在编写程序时，若将TR0或TR1设为“1”，那么T0或T1定时器/计数器开始工作；若设置为“0”,T0或T1定时器/计数器则会停止工作。 

2.4.2 定时器/计数器工作方式控制寄存器TMOD

        TMOD寄存器的功能是控制定时器/计数器T0、T1的功能和工作方式。TMOD寄存器的字节地址是89H，不能进行位操作。在上电（给单片机通电）复位时，TMOD寄存器的初始值为00H。TMOD的字节地址和各位名称功能如图5所示。

图5 TMOD的字节地址和各位名称功能

        在TMOD寄存器中，高4位用来控制定时器/计数器T1，低4位用来控制定时器/计数器T0，两者对定时器/计数器的控制功能一样，下面以TMOD寄存器高4位为例进行说明。

        ① GATE位：门控位，用来控制定时器/计数器的启动模式。当GATE=0时，只要TCON寄存器的TR1位置“1”，就可启动T1开始工作；当GATE=1时，除了需要将 TCON 寄存器的 TR1 位置“1”外，还要使引脚为高电平，才能启动T1工作。

        ② 位：定时、计数功能设置位。当时，将定时器/计数器设置为定时器工作模式；当时，将定时器/计数器设置为计数器工作方式。

        ③ M1、M0位：定时器/计数器工作方式设置位。M1、M0位取不同值，可以将定时器/计数器设置为不同的工作方式。TMOD寄存器高4位中的M1、M0用来控制T1的工作方式，低4位中的M1、M0用来控制T0的工作方式。M1、M0位不同取值与定时器/计数器工作方式的关系见表1。

表1 TMOD寄存器的M1、M0位值与定时器/计数器工作方式

2.4.3 定时器/计数器的工作方式

        在TMOD寄存器的M1、M0位的控制下，定时器/计数器可以工作在4种不同的方式下，不同的工作方式适用于不同的场合。

1.方式0

        当M1=0、M0=0时，定时器/计数器工作在方式0，它被设成13位计数器。在方式0时，定时器/计数器由TH、TL两个8位计数器组成，使用TH的8位和TL的低5位。

        （1）定时器/计数器工作在方式0时的电路结构与工作原理

        定时器/计数器T0、T1工作在方式0时的电路结构与工作原理相同。以T0为例，将TMOD寄存器的低4位中的M1、M0位均设为“0”,T0工作在方式0。定时器/计数器T0工作在方式0时的电路结构如图6所示。

图6 定时器/计数器T0工作在方式0时的电路结构 

        当T0工作在方式0时，T0是一个13位计数器（TH0的8位+TL0的低5位）。位通过控制开关S1来选择计数器的计数脉冲来源。当时，计数脉冲来自单片机内部振荡器（经12分频）；当时，计数脉冲来自单片机T0引脚（P3.4引脚）。GATE位控制T0的启动方式。GATE位与引脚、TR0位一起经逻辑电路后形成CON电平，再由CON电平来控制开关S2的通断。当CON=1时，S2闭合，T0工作；当CON=0时，S2断开，T0停止工作（S2断开后无信号送给T0）。

        当GATE=0时，CON的值与TR0的值一致，TR0可直接控制T0的启动/停止。

        当GATE=1时，CON 的值由 TR0、两个值决定，其中TR0的值由编程来控制（软件控制），而的值由外部引脚的电平控制，只有当它们的值都为“1”时，CON的值才为“1”，定时器/计数器T0才能启动。 

        （2）定时器/计数器初值的计算若定时器/计数器工作在方式0，当其与外部输入端（T0引脚）连接时，可以用作13位计数器；当与内部振荡器连接时，可以用作定时器。

        ① 计数初值的计算。

        当定时器/计数器用作13位计数器时，它的最大计数值为8192（），当T0引脚输入8192个脉冲时，计数器就会产生溢出而发出中断请求信号。如果希望不需要输入8192个脉冲，计数器就能产生溢出，可以给计数器预先设置数值，这个预先设置的数值称为计数初值。

       在方式0时，定时器/计数器的计数初值可用下式计算：

        计数初值=−计数值

        比如希望输入1000个脉冲计数器就能产生溢出，计数器的计数初值应设置为7192 （8192−1000）。

        ② 定时初值的计算。

        当定时器/计数器用作定时器时，它对内部振荡器产生的脉冲（经12分频）进行计数，该脉冲的频率为fosc/12，脉冲周期为12/fosc，定时器的最大定时时间为·12/fosc，若振荡器的频率fosc为12MHz，定时器的最大定时时间为8192μs。如果不希望定时这么长，定时器就能产生溢出，可以给定时器预先设置数值，这个预先设置的数值称为定时初值。

        在方式0时，定时器/计数器的定时初值可用下式计算：

        定时初值=−定时值=−t·fosc/12

        比如单片机时钟振荡器的频率为12MHz（即12×106Hz），现要求定时1000μs（即1000 ×10−6s）就能产生溢出，定时器的定时初值应为

定时初值=−t·fosc/12=8192−1000×10−6×12×106/12=7192

2.方式1

        当M1=0、M0=1时，定时器/计数器工作在方式1，它为16位计数器。除了计数位数不同外，定时器/计数器在方式1的电路结构与工作原理与方式0完全相同。定时器/计数器工作在方式1时的电路结构（以定时器/计数器T0为例）如图7所示。

        定时器/计数器工作在方式1时的计数初值和定时初值的计算公式分别如下：

计数初值=−计数值

定时初值=−定时值=−t·fosc/12

图7 定时器/计数器在方式1时的电路结构

3.方式2

        定时器/计数器工作方式0和方式1时适合进行一次计数或定时，若要进行多次计数或定时，可让定时器/计数器工作在方式2。当M1=1、M0=0时，定时器/计数器工作在方式2，它为8位自动重装计数器。定时器/计数器工作在方式2时的电路结构（以定时器/计数器T0为例）如图8所示。

图8 定时器/计数器T0在方式2时的电路结构

        工作在方式2时，16位定时器/计数器T0分成TH0、TL0两个8位计数器，其中TL0用来对脉冲计数，TH0用来存放计数器初值。在计数时，当TL0计数溢出时会将TCON寄存器的TF0位置“1”，同时也控制TH0重装开始，将TH0中的初值重新装入TL0中，然后TL0又开始在初值的基础上对输入脉冲进行计数。

        定时器/计数器工作在方式2时的计数初值和定时初值的计算分别如下：

计数初值=−计数值

定时初值=−定时值=−t·fosc/12 

4.方式3

        定时器/计数器T0有方式3，而T1没有（T1只有方式0～2）。当TMOD寄存器低4位中的M1=1、M0=1时，T0工作在方式3。

        在方式3时，T0用作计数器或定时器。

        （1）T0工作在方式3时的电路结构与工作原理

        在方式3时，定时器/计数器T0用作计数器或定时器，在该方式下T0的电路结构如图9所示。

图9 T0工作在方式3时的电路结构

        在方式3时，T0被分成TL0、TH0两个独立的8位计数器，其中TL0受T0的全部控制位控制（即原本控制整个T0的各个控制位，在该方式下全部用来控制T0的TL0计数器），而TH0受T1的部分控制位（TCON的TR1位和TF1位）控制。

        在方式3时，TL0既可用作8位计数器（对外部信号计数），也可用作8位定时器（对内部信号计数）;TH0只能用作8位定时器，它的启动受TR1的控制（TCON的TR1位原本用来控制定时器/计数器T1）。当TR1=1时，TH0开始工作，当TR1=0时，TH0停止工作，当TH0计数产生溢出时会向TF1置位。

        （2）T0工作在方式3时T1的电路结构与工作原理

        当T0工作在方式3时，它占用了T1的一些控制位，此时T1还可以工作在方式0～2（可通过设置TMOD寄存器高4位中的M1、M0的值来设置）,T1在这种情况下一般用作波特率发生器。当T0工作在方式3时，T1工作在方式1和方式2的电路结构分别如图10（a）、（b）所示。

图10 T0在方式3时T1工作在方式1和方式2的电路结构

        图10（a）是T0在方式3时T1工作在方式1（或方式0）时的电路结构。在该方式下，T1是一个16位计数器，由于TR1控制位已被借用来控制T0的高8位计数器TH0，所以T1在该方式下无法停止，一直处于工作状态，另外由于TF1位也借给了TH0，所以T1溢出后也不能对TF1进行置位产生中断请求信号，T1溢出的信号只能输出到串行通信口，此方式下的T1为波特率发生器。

        图10（b）是T0在方式3时T1工作在方式2时的电路结构。在该方式下，T1是一个8位自动重装计数器，除了具有自动重装载功能外，其他与方式1相同。