学习笔记之-51单片机定时计数器

一、单片机的时序

　　单片机工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍地进行的。由于指令的字节数不同，取这些指令所需要的时间也就不同，即使是字节数相同的指令，由于执行操作有较大的差别，不同的指令执行时间也不一定相同，即所需的拍节数不同。
　　时钟周期：时钟周期也称为振荡周期，定义为时钟脉冲的倒数（可以这样来理解，时钟周期就是单片机外接晶振的倒数，例如12M的晶振，它的时间周期就是1/12 us），是计算机中最基本的、最小的时间单位。 在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。 在8051单片机中把一个时钟周期定义为一个节拍（用P表示），二个节拍定义为一个状态周期（用S表示）。
　　机器周期：在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一阶段完成一项工作。8051系列单片机的一个机器周期同6个S周期（状态周期）组成。前面已说过一个时钟周期定义为一个节拍（用P表示），二个节拍定义为一个状态周期（用S表示），8051单片机的机器周期由6个状态周期组成，也就是说一个机器周期=6个状态周期=12个时钟周期。
　　指令周期： 指令周期是执行一条指令所需要的时间，一般由若干个机器周期组成。指令不同，所需的机器周期数也不同。 时钟周期、机器周期、指令周期之间的关系图如下。

---

二、51单片机的定时/计数器的概念

　　单片机中,脉冲计数与时间之间的关系十分密切,每输入一个脉冲,计数器的值就会自动累加1,只要相邻两个计数脉冲之间的时间间隔相等,则计数值就代表了时间的流逝，因此,单片机中的定时器和计数器其实是同一个物理的电子元件,只不过计数器记录的是单片机外部发生的事情(接受的是外部脉冲),而定时器则是由单片机自身提供的一个非常稳定的计数器,这个稳定的计数器就是单片机上连接的晶振部件;MCS-51单片机的晶振经过12分频之后提供给单片机稳定脉冲;晶振的频率是非常准确的,所以单片机的计数脉冲之间的时间间隔也是非常准确的。

---

三、51单片机的定时/计数器的工作原理

　　加1计数器输入的计数脉冲有两个来源,一个是由系统的时钟振荡器输出脉冲经12分频后送来；一个是T0或T1引脚输入的外部脉冲源。
　　作为定时器使用时,定时器计数8051单片机片内振荡器输出经过12分频后的脉冲个数,即:每个机器周期使定时器T0/T1的寄存器值自动累加1,直到溢出,溢出后继续从0开始循环计数;所以,定时器的分辨率是时钟振荡频率的1/12;
　　作为计数器使用时,通过引脚T0(P3.4)或T1(P3.5)对外部脉冲信号进行计数,当输入的外部脉冲信号发生从1到0的负跳变时,计数器的值就自动加1由于检测一个从1到0的下降沿需要2个机器周期，因此要求被采样的电平至少要维持一个机器周期。当晶振频率为12MHz时，最高计数频率不超过1/2MHz，即计数脉冲的周期要大于2微秒。;计数器的最高频率一般是时钟振荡频率的1/24;
　　由此可知,不论是定时器还是计数器工作方式,定时器T0和T1均不占用CPU的时间,除非定时器/计数器T0和T1溢出,才可能引起CPU中断,转而去执行中断处理程序。所以说,定时器/计数器是单片机中效率高而工作灵活的部件。

---

51单片机定时器工作原理图：

　　由上图可见与定时器相关的寄存器主要有下面这几个：TMOD、 TCON、 TL0、TH0、TL1、TH1。下面介绍一下这几个寄存器

• 16位加法计数器：
  
  　　是定时计数器的核心，其中 TL0、TH0、是定时计数器0的底八位和高八位；TL1、TH1是定时计数器1的底八位和高八位；并且高八位和底八位可单独使用。16位加法计数器主要是在设置定时计数器的初值时候使用
• TMOD定时器工作模式及方式寄存器
  
  　　 GATE ：定时操作开关控制位，当GATE=1时，INT0或INT1引脚为高电平，同时TCON中的TR0或TR1控制位为1时，计时/计数器0或1才开始工作。若GATE=0，则只要将TR0或TR1控制位设为1，计时/计数器0或1就开始工作。
  　　C/T ：定时器或计数器功能的选择位。C/T=1为计数器，通过外部引脚T0或T1输入计数脉冲。C/T=0时为定时器，由内部系统时钟提供计时工作脉冲。
  　　M1 M0：T0、T1工作模式选择位
  　　
  　　
• TCON定时器控制寄存器
  
  TF1：定时器T1溢出标志，可由程序查询和清零，TF1也是中断请求源，当CPU响应T1中断时由硬件清零。
  TF0：定时器T0溢出标志，可由程序查询和清零，TF0也是中断请求源，当CPU响应T0中断时由硬件清零。
  TR1：T1充许计数控制位，为1时充许T1计数（定时）。
  TR0：T0充许计数控制位，为1时充许T0计数（定时）。
  IE1：外部中断1请示源（INT1，P3.3）标志。IE1＝1，外部中断1正在向CPU请求中断，当CPU响应该中断时由硬件清“0”。
  IT1：外部中断源1触发方式控制位。此位为1设置为底电平触发，为0设置为下降沿触发。
  IE0：外部中断0请示源（INT0，P3.2）标志。IE0＝1，外部中断1正在向CPU请求中断，当CPU响应该中断时由硬件清“0”。
  IT0：外部中断源0触发方式控制位。此位为1设置为底电平触发，为0设置为下降沿触发。

---

51单片机定时器4种工作方式：

　　工作模式0:
　　由TL0的低5位和TH0的全部8位共同构成一个13位的定时器/计数器，定时器/计数器启动后,定时或计数脉冲个数加到TL0上,从预先设置的初值(时间常数)开始累加,不断递增1，当 TL0计满后,向TH0进位,直到13位寄存器计满溢出，TH0溢出时，置位TCON中的TF0标志，向CPU发出中断请求。并且定时器/计数器硬件会自动地把13位的寄存器值清0,如果需要进一步定时/计数,需要使用相关指令重置时间常数,并把定时器/计数器的中断标记TF0置0。
　　工作模式1:最常用的定时器工作模式
　　模式1与模式0几乎完全相同,唯一的区别就是,模式1中的寄存器TH0和TL0共同构成的是一个16位定时器/计数器来参与操作,因此比模式0中的定时/计数范围更大

　　工作模式2: 工作方式2特别适合于用作较精确的脉冲信号发生器。
　　这种模式又称为自动再装入预置数模式。有时候,我们的定时/计数操作是需要多次重复定时/计数的，如果溢出时不做任何处理，那么，在第二轮定时/计数时就是从0开始定时/计数了，而这并不是我们想要的。所以,要保证每次溢出之后,再重新开始定时/计数的操作是我们想要的，那就要把预置数(时间常数)重新装入某个地方，而重新装入预置数的操作是硬件设备自动完成的，不需要人工干预，所以这种工作模式就叫自动再装入预置数方式。在工作模式2中,把自动重装入的预置数存放在定时器/计数器的寄存器的高8位中,也就是存放在TH0中,而只留下TL0参与定时/计数操作。
　　这个工作模式常用于波特率发生器(串口通讯),T1工作在串口模式2;用于这种方式时,定时器就是为了提供一个时间基准;计数溢出之后,不需要做太多的事情,只做一件事就可以,就是重新装入预置数,再开始重新计数,而且中间不需要任何延时。

　　工作模式3:
　　方式3只适用于定时/计数器T0，定时器T1处于方式3时相当于TR1=0，停止计数由于定时器/计数器T1没有工作模式3,如果把定时器/计数器T0设置为工作模式3,那么TL0和TH0将被分割成两个相互独立的8位定时器/计数器。

---

三、51单片机的定时/计数器的应用

　　在protues下搭建仿真环境：
　　

---

　　在这里介绍一下定时器初值的设定：
　　
工作方式0:13位定时器/计数器工作模式,最多可计数2的13次方次,即:8192次
工作方式1:16位定时器/计数器工作模式,最多可计数2的16次方次,即:65536次
工作方式2:8位定时器/计数器工作模式,最多可计数2的8次方次,即:256次,
工作方式3:8位定时器/计数器工作模式,最多可计数2的8次方次,即:256次

　　以12M晶振为例：每秒钟可以执行1000000次机器周期个机器周期。而定时器每次溢出 最多65536 个机器周期。
那么对12MHz的晶振来讲
1个机器周期 1us （ 12/fosc = 1us）
方式0 13位定时器最大时间间隔 = 2^13 = 8.192ms
方式1 16位定时器最大时间间隔 = 2^16 = 65.536ms
方式2 8位定时器最大时间间隔 = 2^8 = 0.256ms =256 us
方式3 8位定时器最大时间间隔 = 2^8 = 0.256ms =256 us

以上是对定时器定时的最大时间间隔做一个说明，下面具体说明怎么计算初值（小于最大时间间隔）假如定时10ms那么的定时器初值计算如下：
－当使用12M晶振，12MHz除12为1MHz，也就是说一秒=1000000次机器周期。10ms=10000次 机器周期。
预置数的计算公式:预置数=最大值-需要计数的次数;（65536-10000）
再将预置数装入16位定时计数器，如下：
TH0=（65536-10000）/256
TL0=（65536-10000）%256
－当使用11.0592M晶振，11.0592MHz除12为921600Hz，就是一秒921600次机器周期，10ms=9216次机器周期。
预置数的计算公式:预置数=最大值-需要计数的次数;（65536-9216）
再将预置数装入16位定时计数器，如下：
TH0=（65536-9216）/256
TL0=（65536-9216）%256

---

　　介绍完初值的确定，下面介绍定时器最常见的两种用法

• 定时：定时计数器作为定时器使用，配置步骤如下：
  1.模式设置，配置TMOD寄存器
  2.定时器初值设置 假设10ms中断
  3.开定时器中断
  4.开总中断
  5.打开定时器
  通过以上5步就打开了一个定时器，定时器没10毫秒发起一次中断，即没10毫秒进入一次中断服务程序
  示例程序如下：

#include

sbit led=P1^0;
unsigned int flag;
void main()
{
    TMOD=0x01;//1.模式设置，00000001，采用的是定时器0，工作与式1（M1=0，M0=1）。
    TH0=(65536-10000)/256;  //2.定时器设置，每隔10毫秒发起一次中断。
    TL0=(65536-10000)%256;
    ET0=1;                  //3.开定时器0中断
    EA = 1;                 //4.开总中断
    TR0=1;                  //5.打开定时器
    while(1)
    {
         if(flag==100)  
        {
            led=~led;
            flag=0;

        }   
    }
}

void TIM0() interrupt 1 //中断服务程序
{   
    TH0=(65536-10000)/256;  //进入中断要重新设置定时器处置，要注意。
    TL0=(65536-10000)%256;
    flag++;
}

• 计数:定时计数器作为计数器使用，配置步骤如下：
  1.模式设置，配置TMOD寄存器。
  2.开计数器中断
  3.开总中断
  4.打开计数器
  通过这简单的四步，我们就打开了一个计数器，可以对P3.4或者P3.5进行下降沿的脉冲计数，这里有一点要注意就是计数器可以不开中断，这样溢出时只是不会进去中断服务程序。
  示例程序如下：

#include

sbit led=P1^0;
sbit s=P3^4;
unsigned int count;
void main()
{
    TMOD=0x05;       //1.模式设置，00000101，采用的是计数器0，工作模式1（M1=0，M0=1）。
    TH0=0;           //计数器清零
    TL0=0;
    ET0=1;           //2.开计数器0中断
    EA=1;            //3.开总中断
    TR0=1;           //4.打开计数器
    led=1;
    while(1)
    {   
        count=(TH0<<8)|TL0;
        if((count*10000)==50000)//按5下按键led状态取反  
            {
                led=0;
                TH0=0XFF;
                TL0=0XFF; //人为的让计数器进入中断
            }
    }
}

 void TIM0() interrupt 1 //中断服务程序
{   
    led=1;
    TH0=0;
    TL0=0;          
}

心得体会~

这样51单片机的定时计数器就会使用了，当然这只是基础的应用，当然我们使用单片机只是学习配置它的硬件，其他高大上的用法可以说不关单片机的事情，那关系到算法啊思路想法这些东西了，真正难得还是后者。所以说只是要求会用，那么花不了几天时间就可以学会了，涉及到应用那就是一辈子的事情啦，写这篇博客一是对51系列单片机做一下总结，方便日后开发，二呢也方便初学者借鉴一下，快速入门提高。