51单片机开发入门（5）-定时器/计数器
本文最后更新于 2024-05-23，文章内容可能已经过时。
定时器/计数器阐述
AT89S51单片机有**两个16位**内部定时/计数器，记作T0、T1。
（AT89S52有3个定时/计数器，比AT89S51多了个T2。）
本质上，定时/计数器就是一个可以通过编程控制计数脉冲源、计数初值，并具有溢出标志和中断响应机制的**硬件加法计数器**。
定时/计数器在计数值**溢出时置位一个标志位TF**，可以供中断或者查询使用。
定时/计数器的计数脉冲源可以通过编程进行设置，从而起到**定时或者计数**的作用。
定时/计数器的结构
定时/计数器为16位硬件加法计数器，由高8位TH和低8位TL两个计数寄存器组成。
定时/计数器具有可选的两个计数脉冲源：
1、外部输入脉冲
2、内部机器周期脉冲
- 定时器模式
加法计数器对**内部机器周期**进行计数。
机器周期**T**已知
通过设置计数值**N确定定时时间t**。
t=NxT
- 计数器模式
加法计数器对**外部输入脉冲**进行计数，实现计数或频率测量功能。
外部计数脉冲由T0（P3.4）或T1（P3.5）引脚输入到计数器。计数器在检测到**外部输入脉冲下降沿时计数值加1，由于检测一个从1到0的下降沿需要2个机器周期，因此可以计数的外部脉冲最高频率为fosc/24**。
例：晶振频率12MHz时，最高外部计数频率500KHz。
12MHz / 24 = 500KHz
- 定时/计数器具有两个设置寄存器：
TMOD**，确定工作方式和功能；
**TCON，控制T0、T1的启停，且包含溢出标志。
定时/计数器有关的SFR
定时/计数器0计数值寄存器（16位）：
共16位，分为高8位和低8位进行存储；
根据工作方式的不同可以使用其中的13位、8位、16位；
计数值范围根据使用位数而发生变化；
只能加法计数；
用户在编程时可以向TH和TL写入定时/计数器的计数初始值，在启动定时/计数器后，定时/计数器将从设置的初始值开始加法计数。
📌当计数到最大值时，产生溢出标志。
- TMOD（T/C方式控制寄存器） SFR地址：0x89
GATE：门控信号
1 -- T/C启动要求TR和INT同时为‘1’；
0 -- T/C启动仅受TR控制
C/T：计数器/定时器选择位
0 -- 定时器模式；内部时钟
1 -- 计数器模式；外部脉冲
M1和M0：T/C工作方式选择
可以选择工作方式0、1、2、3。
- TCON（T/C控制寄存器） SFR地址：0x88
TR0：T/C0启动控制位；
TF0：T/C0溢出标志位，用于中断响应；
TR1：T/C1启动控制位；
TF1：T/C1溢出标志位，用于中断响应；
TR：1--启动计数；0--停止计数；
TF：计数值溢出时由硬件置1；CPU转入中断响应程
序时由硬件自动清零，也可以软件清零。
定时/计数器的工作方式
8051单片机的定时/计数器具有**四种**工作方式，可以使用TMOD中的M1和M0进行选择：
| M1 | M0 | 方式 | 功 能 |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 13位定时器/计数器 |
| 0 | 1 | 1 | 16位定时器/计数器 |
| 1 | 0 | 2 | 自动重载的8位定时器/计数器 |
| 1 | 1 | 3 | 仅适用于T0，两个8位定时器/计数器 |
工作方式0（定时/计数器0和1均可）
方式0为**13位**计数，由TL0的低5位（高3位未用）和TH0的8位组成。TL0的低5位溢出时向TH0进位，TH0溢出时，置位TCON中的TF0标志，向CPU发出中断请求。
工作方式1 （定时/计数器0和1均可）
方式1的计数位数是**16位**，由TL0作为低8位、TH0作为高8位，组成了16位加1计数器 。
工作方式2 （定时/计数器0和1均可）
方式2为自动重装初值的8位计数方式。
🎯**工作方式2特别适合于用作较精确的脉冲信号发生器。 **
定时器时间的设置（定时期初值的计算）
在内部定时方式下， T0、T1对内部机器周期计数，若fosc=6MHz，一个机器周期为12/fosc=2us,所以
✔ 方式0 13位定时器最大定时间隔=2^13×2us=16.384ms
✔ 方式1 16位定时器最大定时间隔=2^16×2us=131.072ms
✔ 方式2 8位定时器最大定时间隔 =2^8 ×2us=512us
例：若使T0工作在方式0，要求定时1ms，求计数初值。设计数初值为x，则有：
(2^13－x)×2us= 1000us
x = 2^13－500 = 0x1E0C
因此，TH，TL可置 8192－500
TH0 = 0xF0;TL0 = 0x0C;
工作方式3（仅适用于定时/计数器0）
方式3只适用于T/C0。当方式3时，TH0和TL0成为两个独立的计数器。 此时，TL0可用作定时/计数器，占用TR0和TF0；TH0只能用作定时器，占用TR1和TF1；T/C1仍可用于方式0、1、2，但不能使用中断。
📡只有在T/C1被串口占用时，T/C0才使用方式3
定时/计数器的使用
定时器／计数器的初始化及其步骤
使用8051的T0、T1前，应对它进行编程初始化，主要是对TCON和TMOD编程；计算和装载计数初值（TH、TL）。
一般完成以下几个步骤：
○确定定时/计数器的工作方式（编程TMOD寄存器）；
○计算计数初始值，并赋予TH、TL；
○如果在中断方式工作，需使能中断；
○启动定时器／计数器（编程TR0或TR1位）。
数码管显示实验
- “实现数值0～65535的变化显示”
问题：如何使数值变化的速度减慢？（如每隔1秒数值加1）
一般方法（延时函数）
void main(void)
{
unsigned char i,j;
unsigned int uiTemp = 0;
while(1)
{
convert(uiTemp);
for(i=0;i<6;i++)
{
P2=LED_seg[i]; //送段码
P0=LED_bit[i]; //送位码
delay1ms(5); //5ms延迟
}
j ++;
if ( j == 33 ) //约1秒
{
uiTemp++;
j = 0;
}
}
}
- 定时/计数器方法
实现数值0～65535的变化显示，每隔50ms数值加1。( 设晶振频率为12MHz)
#include < reg51.h>
unsigned int gluiTemp ;
void Timer0( ) interrupt 1 using 1
{
TH0 = (65536 – 50000) / 256;
TL0 = (65536 – 50000) % 256;
gluiTemp ++ ；
}
void main(void)
{
unsigned char i,j;
gluiTemp = 0;
TMOD = 0x01;
TH0 = (65536 – 50000) / 256;
TL0 = (65536 – 50000) % 256;
ET0 = 1;
EA = 1;
TR0 = 1;
while(1)
{
convert(gluiTemp);
for(i=0;i<6;i++)
{
P2=LED_seg[i]; //送段码
P0=LED_bit[i]; //送位码
delay1ms(5); //5ms延迟
P0=0;
}
}
}
实现数值0～65535的变化显示，每隔1s数值加1。( 设晶振频率为12MHz)
#include < reg51.h>
unsigned char glucCounter ;//定义一个全局变量，实现计数功能
unsigned int gluiTemp ;
void Timer0( ) interrupt 1 using 1
{
TH0 = (65536 – 50000) / 256;
TL0 = (65536 – 50000) % 256;
glucCounter ++ ;
if ( glucCounter == 20 )
{
gluiTemp ++ ；
glucCounter = 0;
}
}
void main(void)
{
unsigned char i,j;
gluiTemp = 0;
glucCounter = 0;
TMOD = 0x01;
TH = (65536 – 50000) / 256;
TL = (65536 – 50000) % 256;
ET0 = 1;
EA = 1;
TR0 = 1;
while(1)
{
convert(gluiTemp);
for(i=0;i<6;i++)
{
P2=LED_seg[i]; //送段码
P0=LED_bit[i]; //送位码
delay1ms(5); //5ms延迟
P0=0;
}
}
}
单片机输出(1)
例1：设晶振频率fosc=6MHz，要求在P2.0脚上输出周期为2ms的方波。
解：采用定时器T0的方式1进行编程
思路：采用定时间隔1ms，每次时间到P2.0取反并且启动下一次定时，从而实现2ms周期的方波。
定时所需计数次数n=1000us／2us＝500
由于计数器递增计数，为得到500个计数之后的定时器溢出，必须给定时器置初值65536－500。
中断方式
#include <reg51.h>
sbit P2_0=P2^0;
void T0_ISR() interrupt 1 using 1 //T0中断服务程序入口
{
TH0= （65536－500）/ 256; //计数初值重载
TL0=（65536－500）％ 256;
P2_0=!P2_0; //P2.0取反
}
void main(void)
{
TMOD=0x01; //T0工作在定时器方式l
TH0=（65536－500）/256; //计数初值
TL0=（65536－500）％256;
ET0=1; EA=1; //中断使能
TR0=1; //启动T0
while(1);
}
但是这里精度还有待考究
中断方式
#include <reg51.h>
sbit P2_0=P2^0;
void main(void)
{
TMOD=0x01; //T0工作在定时器方式l
TH0= （65536－500）/256; //计数初值
TL0=（65536－500）％256;
TR0=1; //启动T0
while(1)
{
TH0= （65536－500）/256; //计数初值
TL0=（65536－500）％256;
/*查询TF0是否为‘1’，如果为‘1’则说明溢出（定时时间到）*/
while (!TF0);
P2_0 = ! P2_0;
TF0 = 0;
}
}
单片机输出(2)
例2：设单片机fosc=6MHz，要求在P2.0引脚上输出周期为2ms，占空比为75％的矩形波。在例2基础上应作何修改？
解：采用定时器T0的方式1进行编程
思路：采用定时间隔0.5ms，并设置一个全局变量i对定时器的中断次数进行计数，小于等于3时输出高电平，等于4时输出低电平，以此循环。
#include "reg51.h"
sbit P1_0=P1^0;
unsigned char i;
void TIMER0_ISR (void) interrupt 1
{
TH0=(65536-250)/256;
TL0=(65536- 250)%256;
i++;
if(i = = 3) { P1_0=0; }
if(I = = 4) { P1_0=1; i=0; }
}
void main (void)
{
TMOD=0x01;
TH0=(65536- 250)/256;
TL0=(65536- 250)%256;
ET0=1; EA=1;
TR0=1;
i = 0;
P1_0 = 1;
while (1) { ; }
}
小思考
如果周期2ms占空比要求是35%，可以采用采用定时间隔0.5ms吗？
思路：高电平持续时间35%，低电平持续时间65%，应考虑取其公约数。一般取最大公约数。
所以可取时间间隔为0.1ms。
高电平持续7个定时间隔，低电平持续13个时间间隔。
单片机输出(3)
例3：设单片机fosc=6MHz，要求在P2.0引脚上输出周期为2ms，占空比为65％的矩形波。在例2基础上应作何修改？
#include "reg51.h"
sbit P1_0=P1^0;
unsigned char i;
void TIMER0_ISR (void) interrupt 1
{
TH0=(65536-50)/256;
TL0=(65536- 50)%256;
i++;
if(i = = 7) { P1_0=0; }
if(I = = 20) { P1_0=1; i=0; }
}
void main (void)
{
TMOD=0x01;
TH0=(65536- 50)/256;
TL0=(65536- 50)%256;
ET0=1; EA=1;
TR0=1;
i = 0;
P1_0 = 1;
while (1) { ; }
}
单片机输出(4)
例4：设晶振频率fosc=6MHz，要求在P2.0脚上输出周期为2s的方波。
长定时的实现
思路：定时间隔为1秒，使用T0无法直接得到1秒的定时。因此，需要使用多次定时复合的方法来得到较长时间的定时。
方法一 使用两个定时/计数器实现1秒定时：
T0工作在定时方式1，定时100ms，从而控制P1.0输出周期为200ms的方波；将这个方波输入到T1，T1工作在计数方式2，计数5次后溢出，控制P2.0反向，从而实现周期为2秒的方波输出。
#include <reg51.h>
sbit P1_0 = P1^0;
sbit P1_7 = P1^7;
void Timer0( ) interrupt 1 using 1
{
TH0 = (65536 – 50000) / 256;
TL0 = (65536 – 50000) % 256;
P1_0 = ! P1_0;
}
void Timer1( ) interrupt 3 using 2
{
P1_7 = ! P1_7;
}
void main( )
{
P1_7 = 0;
P1_0 = 1;
TMOD = 0x61;
TH0 = (65536 – 50000) / 256;
TL0 = (65536 – 50000) % 256;
TH1 = 256 – 5 ;
TL1 = 256 – 5;
IP = 0x08;
EA = 1;
ET0 = 1;
ET1 = 1;
TR0 = 1;
TR1 = 1;
while(1) { ; }
}
方法二 仅使用一个定时/计数器实现
使用方法一时需要使用两个定时器和两个IO引脚，资源消耗比较多。如何使用较少的资源实现同样的定时功能
#include < reg51.h>
sbit WAVE = P1^7;
unsigned char glucCounter;
void Timer0( ) interrupt 1 using 1
{
TH0 = (65536 – 50000) / 256;//设定初值，100ms定时
TL0 = (65536 – 50000) % 256;
glucCounter ++ ;//定义一个全局变量，实现计数功能
if ( glucCounter == 10 )
{
WAVE = ! WAVE;
glucCounter = 0;
}
}
void main( )
{
WAVE = 0;
TMOD = 0x01;
TH0 = (65536 – 50000) / 256;
TL0 = (65536 – 50000) % 256;
EA = 1;
ET0 = 1;
TR0 = 1;
glucCounter = 0;
while(1) { ; }
}
8051 定时计数器工程应用
设计要求
航标灯控制(工程设计)
2位拨码开关：灯质设定(频率与占空比)
光敏电阻：实现光照采集(光照强，电阻小；光照弱，电阻大)
灯驱动：发光二极管采用12V供电，要实验单片机驱动电路设计，三极管驱动
电路仿真图：
软件程序
这里把相关函数先封装起来了，具体程序代码如下所示：
main.c
#include <reg51.h>
#include "timer.h"
/*******变量类型宏定义*******/
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
/*******引用结构变量*******/
extern struct IALA IALA4[4];
extern struct Turn Counter50ms;
/*******IO口定义*******/
sbit D=P0^0; //灯输出控制，高电平有效
sbit OPCON=P1^2; //光照检测，高电平(亮)
/*******定时器0初始化*******/
void Timer0Init()
{
TMOD=(TMOD&0xf0)|0x01;//定时器0 方式1
TR0=1; //开启定时器T0
TH0=(65535-COUNT_50MS)/256;//设定定时器初始值（高8位）
TL0=(65535-COUNT_50MS)%256;//设定定时器初始值（低8位）
TF0=0; //中断标志位清零
ET0=1; //允许定时器0中断
EA=1; //打开总中断
PT0=0; //中断优先级设置
}
/*******主函数*******/
void main(void)
{
uchar key,pre_key=0,i;
uint sum;
Timer0Init(); //定时器0初始化
D=0; //LED控制端初始化
while(1)
{
key=key_scan(); //获取拨码开关对应状态
if(key!=pre_key)//拨码开关状态改变
{
sum=0; //变量初始化
for(i=0;i<6;i++)
{
sum=sum+IALA4[key].gcd*IALA4[key].state[i];//结构体变量赋值且运算赋值给sum
Counter50ms.state[i]=sum; //确定定时时间
}
}
pre_key=key;
}
}
void T0_ISR(void) interrupt 1 //中断服务函数
{
static uint i=0; //定义静态变量i
uchar j;
TH0=(65535-COUNT_50MS)/256; //重新赋初值
TL0=(65535-COUNT_50MS)%256;
if(OPCON==0) //如果是黑夜，对应灯质状态
{
for(j=0; j<2; j++) //循环闪烁
{
if(i==Counter50ms.state[2*j])
{
D=D_CLOSE;
}
if(i==Counter50ms.state[2*j+1])
{
D=D_OPEN;
}
}
if(i==Counter50ms.state[4])
{
D=D_CLOSE;
}
if(i>=Counter50ms.state[5])
{
D=D_OPEN;
i=0;
}
i++;
}
else
{
//白天熄灯
D=D_CLOSE;
i=0;
}
}
timer.c
#include <reg51.h>
#include "timer.h"
sbit D=P0^0; //灯输出控制，高电平有效
sbit OPCON=P1^2; //光照检测，高电平(亮)
//结构体全局变量定义,const：常数
const struct IALA IALA4[4]={
//NUM gcd ON1 OFF1 ON2 OFF2 ON3 OFF3
{0,0,0,0,0,0,0,0},//全亮
{1,10,1,3,0,0,0,0},
{2,10,1,1,1,7,0,0},
{3,10,1,2,1,2,1,5}
};
//结构体全局变量定义
struct Turn Counter50ms;
unsigned char key_scan(void) //拨码开关状态检测
{
unsigned char key;
key=0;
if(P1&0x01)
key=key|0x01;
if(P1&0x02)
key=key|0x02;
return(key);
}
timer.h
#ifndef _TIMER_H_
#define _TIMER_H_
#define COUNT_50MS 500 //50ms gcd:50ms的倍数
#define D_OPEN 1 //开灯
#define D_CLOSE 0 //关灯
//结构体类型声明1
struct IALA
{
unsigned char num; //拨码开关状态
unsigned char gcd; //各时间间隔最大公约数
unsigned char state[6];//无符号字符型时间常数
};
//结构体类型声明2
struct Turn
{
unsigned int state[6];
};
unsigned char key_scan(void); //函数声明
#endif
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