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。

定时器工作原理及其应用_第1张图片

                                                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。

定时器工作原理及其应用_第2张图片

                                                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)。

 

定时器工作原理及其应用_第3张图片

                                                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。

 

定时器工作原理及其应用_第4张图片

                                                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。

定时器工作原理及其应用_第5张图片

                                                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。

定时器工作原理及其应用_第6张图片

                                                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。

定时器工作原理及其应用_第7张图片

                                                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。

定时器工作原理及其应用_第8张图片

                                                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。

定时器工作原理及其应用_第9张图片

                                                                         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

                                                      T_{machine}=2\mu s = 2 \times 10 ^{-6}s机器周期 = 2\mu s = 2 \times 10 ^{-6}s

设:需要装入T0的初值为X,则有:(2^{16} - X) \times 2 \times 10^{-6} = 1 \times 10^{-3}

                                  2^{16} - X = 500 ,       X=65036

       X化为十六进制,即X=FE0CH=1111111000001100B

所以,T0的初值为:

       TH0=0FEH,    TL0=0CH

      (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:

定时器工作原理及其应用_第10张图片

        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:(2^{16}-X)\times 2\times10^{-6}=10^{-1}

        所以:X=15536=3CB0H

        因此:TH0=3CH,TL0=B0H

        (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)

定时器工作原理及其应用_第11张图片

                                                                                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

                                      (2^8-X) \times 2 \times 10^{-6} = 5 \times 10^{-4}       

                                     X = 2^8 -250 = 6 =06H

        (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

                                 X=2^8-100=156=9CH

           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。

定时器工作原理及其应用_第12张图片

                                                                            图 3-3

        (ii)初值计算

       TL0的初值设为0FFH。

       5kHz方波的周期为200​us,因此TH0的定时时间为100​us。TH0初值​计算如下:

                                                                  (2^8-X) \times 2 \times 10^{-6} = 1 \times 10^{-4}

                                                                    X = 2^8 - 100 =156 = 9CH

        (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
				RETI

3.4 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\overline{INT1}的控制,当GATE1 = 1,TR1为1时,只有\overline{INT1}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\overline{INT1}的控制),可测量的控制),可测量\overline{INT1}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。

定时器工作原理及其应用_第13张图片

                                                                            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\overline{INT1}​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。

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