定时器工作原理及其应用
【说明】本文学习自《单片机原理及应用（张毅刚）》。
目录
1 定时器T0和T1
2 定时器/计数器的4种工作方式
2.1 方式0
2.2 方式1
2.3 方式2
2.4 方式3
2.4.1 工作方式3下的T0
2.4.2 T0工作在方式3下T1的各种工作方式
3 定时器/计数器得编程和应用
3.1 方式1的应用
3.2 方式2的应用
3.3 方式3的应用
3.4 门控制位GATE的应用——测量脉冲宽度
1 定时器T0和T1
T0和T1是2个独立的16bit向上计数定时器。T0共有4种不同的操作模式：
-
模式1：13位向上计数定时器；
-
模式2：16位向上计数定时器；
-
模式3：8位向上计数寄存器，并指定重装值；
-
模式4：独立的2个8位向上计数定时器。
T1有2种不同的操作模式：（只有T0的模式1和模式2）
-
模式1：13位向上计数定时器；
-
模式2：16位向上计数定时器。
T0和T1分别支持ET0和ET1中断。
2 定时器/计数器的4种工作方式
2.1 方式0
当M1、M0为00时，定时器/计数器被设置为工作方式0，这时定时器/计数器的等效框图如图2-1所示（以定时器/计数器T1为例，TMOD.5、TMOD.4 = 00）。
定时器/计数器工作在方式0时，为13位的计数器，由TLX（X=0，1）的低5位和THX的高8位所构成。TLX低5位溢出则向THX进位，THX计数溢出则置位TCON中的溢出标志位TFX。
图2-1中， 位控制的电子开关决定了定时器/计数器的工作模式：
1）电子开关打在上面位置，T1位定时器工作模式，以系统时钟振荡器12分频后的信号作为计数信号。
2） 电子开关打在下面位置，T1为计数器工作模式，计数脉冲为P3.5引脚上的外部输入脉冲，当引脚上发生负跳变时，计数器加1。
GATE位的状态决定定时器/计数器运行控制取决于TRX一个条件还是TRX和引脚这两个条件。
1） GATE=0时，A点（见图2-2）电位恒为1，B点的电位仅取决于状态。，B点为高电平，控制断控制电子开关闭合。计数脉冲加到T1（或T0）引脚，允许T1（或T0）计数。，B点为低电平，电子开关断开，禁止T1（或T0）计数。
2）GATE=1时，B点电位由的输入电平和的状态这两个条件来确定。当，且时（X=0或1），B点才为1，控制端控制电子开关闭合，允许定时器/计数器计数，故这种情况下计数器是否计数是由TRX和 2个条件来控制的。
图2-1 定时器/计数器方式0逻辑结构框图
2.2 方式1
当M1、M0为01时，定时器/计数器工作于方式1，这时定时器/计数器的等效电路如图2-2所示（以定时器/计数器T1为例）。
方式1和方式0的差别仅仅在于计数器的位数不同，方式1为16位的计数器，由THX作为高8位和TLX作为低8位构成（X-0，1），方式0则为13位计数器，有关控制状态位的含义（GATE、C/T、TFX、TRX）与方式0相同。
图2-2 定时器/计数器方式1逻辑结构框图
2.3 方式2
方式0和方式1的最大特点是计数溢出后，计数器为全0。因此在循环定时或循环计数应用时就存在反复装入计数初值的问题。这不仅影响定时精度，而且也给程序设计带来麻烦。方式2就是针对此问题而设置的。
当M1、M0为10时，定时器/计数器处于工作方式2，这时定时器/计数器的等效框图如图6-4所示（以定时器T1为例，X=1）。
方式0和方式1的最大特点是计数溢出后，计数器为全0。因此在循环定时或循环计数应用时就存在反复装入计数初值的问题。这不仅影响定时精度，而且也给程序设计带来麻烦。方式2就是针对此问题而设置的。
当M1、M0为10时，定时器/计数器处于工作方式2，这时定时器/计数器的等效框图如图2-3所示（以定时器T1为例，X=1）。
图 2-3 定时器/计数器方式2逻辑结构框图
定时器/计数器的方式2为自动恢复初值的（初值自动装入）8位定时器/计数器，TLX作为常数缓冲器，当TLX计数溢出时，在置1溢出标志TFX的同时，还自动的将THX中的初值送至TLX，使TLX从初值开始重新计数。定时器/计数器的方式2工作过程如图2-4若是（X=0，1）。
这种工作方式可以省去用户软件中重装初值的程序，简化定时初值的计算方法，可以相当精确的确定定时时间。
图 2-4 方式2工作过程
2.4 方式3
方式3是为了增加1个附加的8位定时器/计数器而提供的，从而使MCS-51具有3个定时器/计数器。方式3只适用与定时器/计数器T0，定时器/计数器T1不能工作在方式3。T1处于方式3相当于TR1=0，停止计数（此时T1可用来作串口波特率产生器）。
2.4.1 工作方式3下的T0
当TMOD的低2位位11时，T0的工作方式被选为方式3，各引脚与T0的逻辑关系框图如图2-5所示。
图 2-5 各引脚与T0的逻辑关系
定时器/计数器T0分为2个独立的8位计数器：TL0和TH0，TL0使用T0的状态控制位、GATE、TR0、，而TH0被固定为1个8位定时器（不能为外部计数模式），并使用定时器T1的状态控制位TR1和TF1，同时占用定时器T1的中断请求源TF1。
2.4.2 T0工作在方式3下T1的各种工作方式
一般情况下，当T1用作串行口的波特率发生器时，T0才工作在方式3。T0处于工作方式3时，T1可定为方式0、方式1和方式2，用来作为串行口的波特率发生器，或不需要中断的场合。
（i）T1工作在方式0
T1的控制字中M1、M0=00时，T1工作在方式0，工作示意图如图2-6所示。
图 2-6 T0工作在方式3时T1为方式0的工作示意图
（ii）T1工作在方式1
T1的控制字中M1、M0=01时，T1工作在方式1，工作示意图如图2-7所示。
图 2-7 T0工作在方式3时T1为方式1的工作示意图
(iii) T1工作在方式2
T1的控制字中M1、M0=10时，T1的工作方式为方式2，工作示意图如图2-8所示。
图 2-8 T0工作在方式3时T1为方式2的工作示意图
（iv）T1工作在方式3
T1的控制字中M1、M0=11时，T1停止计数。
在T0为方式3时，T1运行的控制条件只有2个，即和M1、M0。选择时定时器模式还是计数器模式，M1、M0选择T1运行的工作方式。
-
知识补充，在51单片机中，为什么T1不能工作于方式3
-
51单片机只有T0、T1，没有T2（52才有）。如果工作在方式0、方式1、方式2的话，51单片机T0、T1都可以做波特率发生器（一般时方式2做波特率发生器）。但是T0可以工作在方式3，T1不能工作在方式3。这种情况下，只能用T1作为波特率发生器，T1的字源TF1、TR1给了T0，T0工作在方式3，可以当作定时器、计数器用。而如果用T0做波特率发生器，因为T1不能工作在方式3，方式3就没法用了。
-
3 定时器/计数器得编程和应用
定时器/计数器的4种工作方式中，方式0与方式1基本相同，只是计数器位数不同。方式0为13位计数器，方式1为16位计数器。由于方式0是为兼容MCS-48而设，且其计数初值计算复杂，所以在实际应用中，一般不用方式0，而采用方式1。
3.1 方式1的应用
例1 假设系统时钟频率采用6MHz，要在P1.0上输出1个周期为2ms的方波，如图3-1所示。
图 3-1
方波的周期用定时器T0来确定，即在T0中设置1个初值，在初值的基础上进行计数，每隔1ms产生1次中断，CPU响应中断后，在中断服务程序中对P1.0引脚信号取反。T0中断入口地址为000BH。为此要做如下几步工作：
（i）计算初值
设：需要装入T0的初值为
,则有：
, 
化为十六进制，即
。
所以，T0的初值为：
， 
（ii）初始化程序设计
本例采用定时器中断方式工作。初始化程序包括定时器初始化和中断系统初始化，主要是对寄存器IP、IE、TCON、TMOD的相应位进行正确的设置，并将计数初值送入定时器中。
（iii）程序设计
中断服务程序除了完成产生要求的方波这一工作之外，还要注意将计数初值重新装入定时器中，为下一次产生中断作准备。主程序可以完成任何其它工作，一般情况下常常是键盘程序和显示程序。在本例中，由于没有这方面得要求，用一条转至自身的短跳指令来代替主程序。
按上述要求设计的参考程序如下：
ORG 0000H
RESET: AJMP MAIN ;转主程序
ORG 000BH ;T0的中断入口
AJMP 1T0P ;转T0中断处理程序1T0P
ORG 0100H
MAIN: MOV SP，# 60H ;设堆栈指针
MOV TMOD，#01H ;设置T0为方式1
ACALL PT0M0 ;调用子程序PT0M0
HERE: AJMP HERE ;自身跳转
PT0M0: MOV TL0，#0CH ;T0中断服务程序，T0重新置初值
MOV TH0，#0FEH
SETB TR0
SETB EA
RET
ITOP: MOV TL0，#0CH ;T0中断服务子程序，T0置初值
MOV TH0，#0FEH
CPL P1.0 ;P1.0的状态取反
RETI如果CPU不做其它工作，也可以采用查询的方式进行控制，程序要简单的多。
查询方式的参考程序如下：
MOV TMOD，#01H ; 设置T0为方式1
SETB TR0 ; 接通T0
LOOP: MOV TH0, #0FEH ; T0置初值
MOV TL0, #0CH
LOOP1: JNB TF0, LOOP1 ; 查询TF0标志是否为1，如为1，说明T0溢出，则往下执行
CLR TR0 ; T0溢出，关闭T0
CPL P1.0 ; P1.0的状态求反
SJMP LOOP由上可见，程序虽然简单，但CPU必须得不断查询TF0标志，不能再做其它工作。
例2 假设系统时钟为6MHz，编写定时器T0产生1s定时的程序。
（i）定时器T0工作方式的确定
因定时时间较长，采用哪一种工作方式合适呢？由前面介绍的定时器的个种工作方式的特性可以计算出：
由上可见，可选方式1，每隔100ms中断1次，中断10次为1s。
（ii）计算计数初值
因为：
所以：
因此：
（iii）10次计数的实现
对于中断10次计数，可使T0工作在计数方式，也可用循环程序得方法实现。本例采用循环程序法。
（iv）程序设计
参考程序如下：
ORG 0000H
RESET: LJMP MAIN ;上电，转主程序入口MAIN
ORG 000BH ;T0的中断入口
LJMP IT0P ;转T0中断处理程序IT0P
ORG 1000H
MAIN: MOV SP,#60H ;设堆栈指针
MOV B，#0AH ;设循环次数10次
MOV TMOD，#01H ;设T0工作在方式1
MOV TL0, #B0H ;给T0设初值
MOV TH0，#3CH
SETB TR0 ;启动T0
SETB ET0 ;允许T0中断
SETB EA ;CPU开放中断
HERE: SJMP HERE ;等待中断
ITOP: MOV TL0, #0B0H ；T0中断服务子程序，重新给T0装入初值
MOV TH0, #3CH
DJNZ B, LOOP
CLR TR0 ;1s定时时间到，停止T0工作
LOOP: RETI 3.2 方式2的应用
方式2是1个可以自动重新装载初值的8为计数器/定时器。这种工作饭是可以省去用户程序中重新装入初值的指令，并可产生相当精确的定时时间。
例3 当T0（P3.4）引脚上发生负跳变时，从P1.0引脚上输出1个周期为1ms的方波。如图3-2所示。（假设系统时钟为6MHz）
图 3-2
（i）工作方式选择
T0定义为方式1计数器模式，T0初值为0FFFFH，即外部计数输入端T0（P3.4）发生1次负跳变时，计数器T0加1且溢出，溢出标志TF0置1，向CPU发出中断请求。在进入T0中断程序后，把F0标志置1，说明T0引脚生已接收里负跳变信号。T1定义为方式2定时器模式。在T0引脚产生1次负跳变后，启动T1每500us产生1次中断，在中断服务程序中对P1.0引脚信号求反，使P1.0产生周期为1ms的方波。（T0和T1定时器进行合作）
（ii）计算T1的初值
设T1的初值为X：
则
（iii）程序设计
ORG 0000H
RESET: LJMP MAIN ;复位入口转主程序
ORG 000BH
LJMP ITOP ;转T0中断服务程序
ORG 001BH
LJMP IT1P ;转T1中断服务程序
ORG 0100H
MAIN: MOV SP, #60H
ACALL PT0M2 ;调用对T0，T1初始化子程序
LOOP: MOV C, F0 ;T0产生过中断了吗？产生过中断，则F0=1
JNC LOOP ;T0没有产生过中断，则跳到LOOP，等待T0中断
SETB TR1 ;启动T1
SETB ET1 ;允许T1中断
HERE: AJMP HERE
PT0M2:MOV TMOD, #26H ;对T1，T0初始化，T1为方式2定时器，T0为方式1计数器
MOV TL0, #0FFH ;T0置初值
MOV TH0, #0FFH
SETB TR0 ;启动T0
SETB ET0 ;允许T0中断
MOV TL1, #06H ;T1置初值
MOV TH1, #06H
CLR F0 ;把T0已发生中断标志F0清0
SETB EA ;CPU开放中断
RET
IT0P: CLR TR0 ;T0中断服务程序，停止T0计数
SETB F0
RETI
IT1P: CPL P1.0 ;T1中断服务程序，P1.0位取反
RETI 在T1定时中断服务程序IT1P中，由于方式2是初值可以自动重新装载的，省去了T1中断服务程序中重新装入初值06H的指令。
例4 例用定时器T1的方式2对外部信号计数，要求每计满100个数，将P1.0引脚信号取反。
本例是方式2计数模式的应用举例。
（i）选择工作方式
外部信号由T1（P3.5）引脚输入，每发生1次负跳变计数器加1，每输入100个脉冲，计数器产生溢出中断，在中断服务程序中将P1.0引脚信号取反1次。
T1工作在方式2的方式控制字位TMOD=60H。不使用T0时，TMOD的低4位可任取，但不能使T0进入方式3，这里取全0。
（ii）计算T1的初值
因此，TL1的初值为9CH，重装初置寄存器TH1=9CH。
（iii）程序设计
ORG 0000H
LJMP MAIN
ORG 001BH ;T1中断服务程序入口
CPL P1.0 ;P1.0位取反
RETI
ORG 0100H
MAIN:MOV TMOD, #60H ;设置T1为方式2计数
MOV TL0, #9CH ;T0置初值
MOV TH0, #9CH
SETB TR1 ;启动T1
HERE: AJMP HERE 3.3 方式3的应用
方式3对T0和T1大不相同。T0工作在方式3时，T1只能工作在方式0、1、2。T0工作在方式3时，TL0和TH0被分成2个独立的8位定时器/计数器。其中，TL0可作为8位的定时器/计数器；而TH0只能作为8位的定时器。
一般情况下，当定时器T1用作串行口波特率发生器时，T0才设置为方式3。此时，常把定时器T1设置为方式2，用作波特率发生器。
例5 假设某MCS-51应用系统的2个外部中断源已被占用，设置定时器T1工作在方式2，作波特率发生器用。现要求增加1个外部中断源，并控制P1.0引脚输出1个5kHz的方波。假设系统时钟为6MHz。
（i）选择工作方式
由第5章介绍的利用定时器作为外部中断源的思想，设置TL0工作在方式3计数模式，把T0引脚（P3.4）作附加的外部中断输入端，TL0的初值设为0FFH，当检测到T0引脚电平出现负跳变时，TL0溢出，申请中断，这相当于跳沿触发的外部中断源。TH0为8位方式3定时模式，定时控制P1.0输出5kHz的方波信号。如图3-3所示。
图 3-3
（ii）初值计算
TL0的初值设为0FFH。
5kHz方波的周期为200us，因此TH0的定时时间为100us。TH0初值计算如下：
（iii）程序设计
源程序如下：
ORG 0000H
LJMP MAIN
ORG 000BH ;T0中断入口
LJMP TL0INT ;跳T0中断服务程序
ORG 001BH ;注意，在T1为方式3时，TH0占用了T1的中断
LJMP TH0INT ;跳TH0中断服务程序
ORG 0100H
MAIN：MOV TMOD, #27H ;T0为方式3计数，T1为方式2定时
MOV TL0, #0FFH ;置TL0初值
MOV TH0, #9CH ;置TH0初值
MOV TL1, #data1 ;data是根据波特率常数要求来定，见第7章
MOV TH1, #datah
MOV TCON, #55H ;允许T0中断
MOV IE, #9FH ;启动T1
.
.
.
TL0INT:MOV TL0, #0FFH ;TH0中断服务程序，TH0重新装入初值
CPL P1.0 ;P1.0位取反输出
RETI3.4 门控制位GATE的应用——测量脉冲宽度
下面以T1为例，来介绍门控制位GATE1的应用。门控制位GATE1可使定时器/计数器T1的启动计数受
的控制，当GATE1 = 1，TR1为1时，只有引脚输入高电平时，T1才被允许计数，利用GATE1的这个功能，（对于GATE0也是一样，可使T0的启动计数受的控制），可测量的控制），可测量引脚（P3.3）上正脉冲的宽度（机器周期数），其方法如图3-4所示。
图 3-4
参考程序如下：
ORG 0000H
RESET: AJMP MAIN ;复位入口转主程序
ORG 0100H
MAIN: MOV SP, #60H
MOV TMOD, #90H ;设控制字，T1为方式1定时
MOV TL1, #00H
MOV TH1, #00H
LOOP: JB P3.3, LOOP ;设控制字，T1为方式1定时
SETB TR1 ;如果$\overline{INT1}$为低，启动T1
LOOP1: JNB P3.3, LOOP1 ;等待$\overline{INT1}$升高
LOOP2: JB P3.3, LOO2 ;等待$\overline{INT1}$降低
CLR TR1 ;停止T1计数
MOV A, TL1 ;T1计数值送A
【将A中的T1计数值送显示缓冲区并转换成可显示的代码】
LOOP3: LCALL DIR ;调用显示子程序DIR（略）显示T1计数值
AJMP LOOP3 执行以上程序，使引脚上出现的正脉冲宽度以机器周期数的形式显示在显示器上。