1、5 定时器及应用,早期的计时器-沙漏，根据流沙从一个容器漏到另一个容器的数量来计量时间。我们小时候的装饰品中就有沙漏。 焚香也是一种计时方式，一般来说一注香烧完的时间是确定的。 现代，计时的仪器有机械表/钟、石英电子表、数字电子钟等。 单片机是如何实现自动计数或定时的呢？ 如果某一个事件按一定的时间间隔发生，那么通过计算这个事件出现的次数，是不是就等于计时了呢？如，分针转一圈为1分钟，那么对分针转的圈进行计数，计数到60时，说明一个小时过去了。 因此，如果从单片机的一个引脚输入方波信号，通过检测方波信号上升沿的个数，可间接地实现计时或定时的功能。,5.1 单片机的定时/计数器,大多数单片机内部
2、都集成了定时/计数器的功能模块，而且单片机的定时/计数模块在单片机中使用同一个电路实现。只是定时/计数功能模块“计算个数”的对象不一样一个是时间单位的个数，一个是外部事件的个数。 计数电路(定时/计数模块)通过一个开关选择输入的信号是时间单位脉冲或是外部事件，同一时刻，计数电路只能工作在一种功能下要么是定时器，要么是计数器。当计数完成后，定时/计数模块向CPU输出一个计数完成信号来中断计数操作。,5.2 89C51定时器概述,89C51有两个16位的定时器/计数器，即定时器0（T0）和定时器1（T1）。它们实际上都是16位加1计数器。 T0由两个8位特殊功能寄存器TH0和TL0构成；T1由TH
3、1和TL1构成。 每个定时器都可由软件设置为定时工作方式或计数工作方式。这些功能由特殊功能寄存器TMOD和TCON所控制。 定时器工作不占用CPU时间，除非定时器/计数器溢出，才能中断CPU的当前操作。 每个定时器/计数器还有四种工作模式。其中模式0-2对T0和T1是一样的，模式3对两者不同。,89C51定时器结构,定时器/计数器工作方式,定时工作方式 定时器计数89C51片内振荡器输出经12分频后的脉冲，即每个机器周期使定时器（T0或T1）的数值加1直至计满溢出。当89C51采用12MHz晶振时，一个机器周期为1s，计数频率为1MHz。 计数工作方式 通过引脚T0（P3.4）和T1(P3.5
4、）对外部脉冲信号计数。当输入脉冲信号产生由1至0的下降沿时定时器的值加1。 CPU检测一个1至0的跳变需要两个机器周期，故最高计数频率为振荡频率的1/24。 为了确保某个电平在变化之前被采样一次，要求电平保持时间至少是一个完整的机器周期。 对输入脉冲信号的基本要求如图5-2所示。,图5-2 对输入脉冲宽度的要求,5.3 定时器的控制,定时器的启动、关闭和设置与特殊功能寄存器中的TMOD、TCON、TL0、TH0等寄存器有关。 TMOD用于控制T0和T1的工作模式。 TCON的功能：显示定时器溢出与否、启动/关闭定时器、 、外部中断方式控制、外部中断标志位。 TL0、TH0分别用于存放T0计数初
5、值的低8位和高8位。 TL1、TH1分别用于存放T1计数初值的低8位和高8位。,5.3.1 工作模式寄存器TMOD,TMOD用于控制T0和T1的工作模式。 TMOD不能位寻址，只能用字节传送方式设置定时器的工作模式，低半字节设置T0，高半字节设置T1。 89C51系统复位时，TMOD的所有位被清0。,TMOD各位的功能, M1和M0操作模式控制位两位可形成四种编码，对应于四种模式，见下表。, GATE门控位 GATE=0，只要用软件使TR0（或TR1）置1就可以启动定时器，而不管INT0（或INT1）的电平是高还是低。 如执行指令： SETB TR0 ;软件使TR0置1，T0启动计数。 GAT
6、E=1，只有INT0（或INT1）引脚为高电平且由软件使TR0（或TR1）置1时，才能启动定时器工作。 问题：TR0或TR1是什么？,6.3.2 控制器寄存器 TCON,TCON除可字节寻址外，各位还可位寻址。 89C51系统复位时，TCON的所有位被清0。,请编写以下指令： (a) 启动Timer 0 (b) 判断Timer 1计数是否完成，如果完成就跳转到LOOP标号 (c) 关闭Timer 0,5.4 定时器的四种模式及应用,TMOD中的M1和M0位决定了定时器的工作模式模式0，模式1，模式2，模式3。 这4种模式的区别在于是否自动重载计数初始值，计数器位数不同等。 模式0和模式1相似，
7、只是定时/计数器的位数不同（模式0用13位计数，模式1用16位计数）。 先学习模式0的逻辑结构和特点，该模式对应的是一个13位的定时器/计数器。,在模式0下，16位寄存器（TH0和TL0）只用了13位。其中TL0的高3位未用，其余5位为整个13位的低5位，TH0占高8位。当TL0的低5位溢出时，向TH0进位；TH0溢出时，使溢出中断标志TF0置位（硬件置位TF0），并申请中断。 用于定时工作方式时，定时时间为：t=(213T0初值)振荡周期12 用于计数工作方式时，计数长度最大为：213= 8192（个外部脉冲）,模式0的工作特点及应用,T0（或T1）模式0逻辑电路13位计数器,计数初值的计算
8、,当T0工作在模式0的定时方式时， 定时时间为：t=(213T0初值)振荡周期12 则： T0初值 = 213 - t/（12*振荡周期） 依次类推， 当T0工作在模式1的定时方式时， 定时时间为：t=(216T0初值)振荡周期12 则： T0初值 = 216 - t/（12*振荡周期） 从以上公式可知：计数初值越大，则定时/计数器溢出时所花的时间就越少；反之，则定时/计数器溢出时所花的时间就越多。,定时/计数器初始化工作如下：,1. 确定工作方式及工作模式，即对TMOD寄存器进行赋值； 2. 计算计数初值，并写入寄存器TH0、TL0或TH1、TL1； 4. 采用中断方式时，对IE赋值，开放中
9、断； 3. 置位TR1或TR0启动定时器工作； 模式0应用举例 设定时器T0选择工作模式0，定时时间为1ms，fosc=6MHz。试确定T0初值，并计算最大定时时间T。,模式0应用举例,1. 设定时器T0选择工作模式0，定时时间为1ms，fosc=6MHz。试确定T0初值，计算最大定时时间T。 解：当T0处于工作模式0时，加1计数器为13位。 （1）设T0的初值为X。 则：(213X)1/6 10-612=110-3 sX=7692D =1 1110 0000 1100BT0的低5位：01100B=0CH即(TL0)=0CHT0的高8位：11110000B=F0H即(TH0)=F0H （2）计
10、算最大定时时间TT0的最大定时时间对应于初值为0. 则：T=2131/6 10-612=16.384ms,例2：利用T0的工作模式0产生1ms定时，在P1.0引脚输出周期为2ms的方波。设单片机晶振频率fosc=12MHz。编程实现其功能。 解：要在P1.0引脚输出周期为2ms的方波，只要使P1.0每隔1ms取反一次即可。 （1）选择工作模式T0的模式字为TMOD=00H，即M1M0=00，C/T=0，GATE=0，其余位为0。 （2）计算1ms定时时T0的初值(213X)1/12 10-612=110-3 sX=7193D=11100000 11000BT0的低5位：11000B=18H即
11、(TL0)=18HT0的高8位：11100000B=E0H即 (TH0)=E0H,（3）采用查询方式的程序 程序清单：MOV TMOD, #00H ；设置T0为模式0MOV TL0, #18H ；送初值MOV TH0, #0E0HSETB TR0 ；启动定时LOOP：JBC TF0，NEXT ；查询定时时间到否SJMP LOOPNEXT：MOV TL0, #18H ；重装计数初值MOV TH0, #0E0HCPL P1.0 ；取反SJMP LOOP ；重复循环,（4）采用定时器溢出中断方式的程序 主程序ORG 0000HRESET: AJMP MAIN ； 跳过中断服务程序区ORG 000BH
12、AJMP CTC0ORG 0030HMAIN： MOV TMOD,#00H ；设置T0为模式0MOV TL0,#18H ；送初值MOV TH0,#0E0HSETB EA ；CPU开中断SETB ET0 ；T0中断允许SETB TR0 ；启动定时HERE：SJMP HERE ；等待中断,中断服务程序ORG 0120HCTC0: MOV TL0, #18H ；重新装计数初值MOV TH0, #0E0H CPL P1.0 ；P1.0取反RETI,模式1应用举例,用定时器T1产生一个50 Hz，占空比为1：1的方波，由 P1.1输出。使用程序查询方式。fosc=6MHz。 分析：方波周期T=1/50=
13、0.02s =20ms，10 ms高电平和10 ms低电平组成一个方波周期，用T1定时10ms。计数初值X为：X= 216 - t/（12*振荡周期） = 2161010006/12=655365000 = 60536 = EC78H如果用P1.1驱动一个LED灯,则这个LED灯可产生闪烁效果。,使用程序查询方式软件设计,源程序清单：MOV TMOD,#10H ；设置T1为工作在模式1下SETB TR1 ；启动定时 LOOP： MOV TL1,#78H ；送初值MOV TH1,#0ECHJNB TF1，$ ；查询定时时间到否CLR TF1 ; 产生溢出，清溢出标志位CPL P1.1 ；取反SJ
14、MP LOOP ；重复循环,模式2工作特点及应用,该模式把TL0(TL1)配置成一个可以自动重装载的8位定时器/计数器。 TL0计数溢出时，不仅使溢出中断标志位TF0置1，而且还自动把TH0中的内容重新装载到TL0中。TL0用作8位计数器，TH0用作寄存器以保存初值。 该模式可省去软件中重装初值的语句，并可产生相当精确的定时时间，适合于作串行口波特率发生器。 在程序初始化时，TL0和TH0由软件赋予相同的初值。 用于定时工作方式时，定时时间为：t=(28TH0初值)振荡周期12 用于计数工作方式时，计数长度最大为：28=256(个外部脉冲,例：当P3.4引脚上的电平发生负跳变时，从P1.0输出
15、一个500s的同步脉冲。请编程序实现该功能。查询方式，fosc=6MHz。,解：（1）模式选择 选T0为模式2，外部事件计数方式。当P3.4引脚上的电平发生负跳变时，T0计数器加1，溢出标志TF0置1；然后改变T0为500s定时工作方式，并使P1.0输出由1变为0。T0定时到产生溢出，使P1.0输出恢复高电平，T0又恢复外部事件计数方式。,（2）计算初值 (1)T0工作在外部事件计数方式，当计数到28-1时，再加1计数器就会溢出。设计数初值为X，当再出现一次外部事件时，计数器溢出。则: X+1=28X= 28 1=11111111B = 0FFH (2)T0工作在定时工作方式，设晶振频率为6M
16、Hz，500s相当于250个机器周期。因此，初值X为(28X)2s = 500sX = 6 = 06H,（3）程序清单 START： MOV TMOD, #06H；设置T0为模式2,外部计数方式MOV TL0, #0FFH ；T0计数器初值MOV TH0, #0FFHSETB TR0 ；启动T0计数LOOP1：JBC TF0，PTFO1 ；查询T0溢出标志，；TF0=1时转，且清TF0=0SJMP LOOP1 ；,PTFO1：CLR TR0 ；停止计数 MOV TMOD,#02H ；设置T0为模式2，定时方式 MOV TL0,#06H ；送初值，定时500sMOV TH0,#06HCLR P1
17、.0 ; P1.0清0SETB TR0 ；启动定时500sLOOP2 : JBC TF0,PTFO2 ；查询T0溢出标志，；TF0=1时转，且清TF0=0; （第一个500s到否？） SJMP LOOP2 ；等待中断，虚拟主程序PTFO2 : SETB P1.0 ； P1.0置1CLR TR0 ；停止计数SJMP START,练习：利用定时器T1的模式2对外部信号计数。要求每计满100次，将 P1.0端取反。,解： （1）选择模式 外部信号由T1（P3.5）引脚输入，每发生一次负跳变计数器加1，每输入100个脉冲，计数器发生溢出中断，中断服务程序将P1.0取反一次。 T1计数工作方式模式2的模
18、式字为：（TMOD）=60H。 T0不用时，TMOD的低4位可任取，但不能进入模式3，一般取0。 （2）计算T1的计数初值X= 28 100 = 156 = 9CH因此，TL1的初值为9CH，重装初值寄存器TH1=9CH。,（3）程序清单MAIN： MOV TMOD,#60H ；设置T1为模式2,外部计数方式MOV TL1,#9CH ；T1计数器初值MOV TH1,#9CHMOV IE,#88H ; 定时器开中断SETB TR1 ；启动T1计数HERE：SJMP HERE ；等待中断ORG 001BH ；中断服务程序入口CPL P1.0RETI,模式3工作特点及应用,工作模式3对T0和T1大不
19、相同。 T0设置为模式3，TL0和TH0被分成两个相互独立的8位计数器。 TL0可工作在定时方式和计数方式。其功能和操作与模式0、模式1相同（只是8位）。 TL0用原T0的各控制位、引脚和中断源，即C/T，GATE，TR0，TF0，T0（P3.4）引脚，INT0（P3.2）引脚。 TH0只可用作简单的内部定时功能。 TH0用了定时器T1的控制位TR1和T1的中断标志TF1，其启动和关闭仅受TR1的控制。,T0模式3结构,定时器T1无工作模式3状态。在T0用作模式3时，T1仍可设置为模式02。 由于TR1和TF1被定时器T0占用，计数器开关K已被接通，此时，仅用T1控制位C/T切换其定时或计数工
20、作方式就可使T1运行。当计数器溢出时，只能将输出送入串行口或用于不需要中断的场合。一般作波特率发生器。,T0模式3时T1结构,模式3的应用举例,例：设某用户系统已使用了两个外部中断源，并置定时器T1工作在模式2，作串行口波特率发生器用。现要求再增加一个外部中断源，并由P1.0引脚输出一个5kHz的方波。Fosc=12MHz. 解：（1）工作模式 可设置T0工作在模式3计数方式，把T0的引脚作附加的外部中断输入端，TL0的计数初值为FFH，当检测到T0引脚电平出现由1至0的负跳变时，TL0产生溢出，申请中断。 T0模式3下，TL0作计数用，而TH0用作8位的定时器，定时控制P1.0引脚输出5 k
21、Hz的方波信号。,（2）计算初值 TL0的计数初值为FFH。 TH0的计数初值X为：P1.0方波周期T=1/(5kHz)=0.2ms=200s用TH0作定时100s时，X=256-100 12/12=156,（3）程序清单MOV TMOD, #27H ;T0为模式3,计数方式;T1为模式2,定时方式MOV TL0, #0FFH ;TL0计数初值MOV TH0, #156 ;TH0计数初值MOV TL1, #data ;data是根据波特率;要求设置的常数（初值）MOV TH1,#data MOV TCON,#55H ;外中断0，外中断1边沿触发， ;启动T0，T1MOV IE，#9FH ;开放
22、全部中断,TL0溢出中断服务程序（由000BH转来） TL0INT：MOV TL0，#0FFH ；TL0重赋初值（中断处理，略）RETITH0溢出中断服务程序（由001BH转来） TH0INT：MOV TH0，#156 ；TH0重赋初值CPL P1.0 ；P1.0取反输出RETI 串行口及外部中断0，外部中断1的服务程序略。,综合应用举例,例1：设时钟频率为6MHz。编写利用T0产生1s定时的程序。 解： （1）定时器T0工作模式的确定 模式0最长可定时16.384ms;模式1最长可定时131.072ms;模式2最长可定时512s; 定时1s，可选用模式1，每隔100ms中断一 次，中断10次
23、为1s。,（2）求计数器初值X (216X)12/(6 106) =10010-3 s X=15536=3CB0H因此：(TL0)=0B0H，(TH0)=3CH （3）实现方法对于中断10次计数，可使T0工作在计数方式，也可用循环程序的方法实现。本例采用循环程序法。,（4）源程序清单ORG 0000HAJMP MAIN ；上电，转向主程序ORG 000BH ；T0的中断服务程序入口地址AJMP SERVE ；转向中断服务程序ORG 0030H ；主程序 MAIN : MOV SP, #60H ；设堆栈指针MOV B，#0AH ；设循环次数MOV TMOD,#01H ；设置T0工作于模式1MOV
24、 TL0,#0B0H ；装计数值低8位MOV TH0,#3CH ；装计数值高8位SETB TR0 ；启动定时SETB ET0 ；T0开中断SETB EA ；CPU开中断SJMP $ ；等待中断,SERVE: MOV TL0,#0B0H ；重新赋初值MOV TH0,#3CHDJNZ B,LOOP ；B-1不为0，继续定时CLR TR0 ；1s定时到，停止T0工作 LOOP: RETI ；中断返回END,例2：设计一个实时电子时钟。时钟以秒、分、时为单位进行计时。用定时器与中断的联合应用。 解： （1）实现时钟计时的基本方法 计算计数初值。时钟计时的最小单位是秒，但使用单片机定时器/计数器进 行定
25、时，即使按方式1工作，其最大定时时间也只131ms。因此，可把定时器的定时时间定为100ms，计数溢出10次 即得到时钟计时的最小单位秒；而10次计数可用软件方法实 现。,假定使用定时器T0，以工作模式1进行100ms的定时。如fosc=6MHz，则计数初值X为： (216X)12/(6 106 )=10010-3 s X = 15536 = 3CB0H 因此 ：(TL0)=0B0H(TH0)=3CH 采用定时方式累计溢出的次数，计满10次即得到秒计时。 从秒到分和从分到时的计时通过累计和数值比较实现。 时钟显示以及显示缓冲区部分在这里略，可自行设计。, 主程序（MAIN）的主要功能：进行定时
26、器T1的初始化编程并启动T1，然后通过反复调用显示子程序，等待100ms定时中断的到来。其流程如 图6-13所示。 中断服务程序（PITO）的主要功能：进行计时操作。程序开始先判断计数溢出是否满了10次，不满表明还没达到最小计时单位秒，中断返回；如满10次则表示已达到最小计时单位秒，程序继续向下运行，进行计时操作。要求满1秒则“秒位”32H单元内容加1，满60s则“分位”31H单元内容加1，满60min则“时位”30H单元内容加1，满24h则30H，31H，32H单元内容全部清0。中断服务程序流程如 图6-14所示。,设T1为模式1,设置中断次数,清计时单元,开中断,启动T1,调用显示子程序,
27、等待定时中断,图6-13 时钟主程序流程,保护现场,赋计数初值,到1s?,(32H)加1,(32H)=60?,(32H)清0,(31H)加1,(31H)=60?,(31H)清0,(30H)加1,(30H)=24?,(30H)清0,恢复现场,返回,入口,a,a,N,N,N,N,Y,Y,Y,Y,图6-14 中断服务程序流程图, 源程序如下：ORG 0000HAJMP MAIN ；上电，转向主程序ORG 001BH ；T1的中断服务程序入口地址AJMP SERVE ；转向中断服务程序ORG 0030H ；主程序 MAIN: MOV SP,#60H ；设堆栈指针MOV TMOD,#10H ；设置T1工
28、作于模式1 MOV 20H，#0AH ；设循环次数CLR AMOV 30H，A ；时单元清0MOV 31H，A ；分单元清0MOV 32H，A ；秒单元清0,SETB ET1 ；T1开中断SETB EA ；CPU开中断MOV TL1,#0B0H ；装计数值低8位MOV TH1,#3CH ；装计数值高8位SETB TR1 ；启动定时SJMP $ ；等待中断（可反复调用显示子程序）,ORG 0200H SERVE: PUSH PSW ;保护现场PUSH ACCMOV TL1,#0B0H ；重新赋初值MOV TH1,#3CHDJNZ 20H,RETUNT ；1s未到，返回MOV 20H，#0AH ；
29、重置中断次数MOV A，#01HADD A，32H ；“秒位”加1DA A ；转换为BCD码MOV 32H，ACJNE A，#60H，RETUNT ；未满60s，返回MOV 32H，#00H ；计满60s，“秒位”清0,MOV A，#01HADD A，31H ；“分位”加1DA A ；转换为BCD码 MOV 31H，ACJNE A，#60H，RETUNT ；未满60min，返回MOV 31H，#00H ；计满60min，“分位”清0MOV A，#01H ADD A，30H ；“时位”加1DA A ；转换为BCD码MOV 30H，A CJNE A，#24H，RETUNT ；未满24h，返回MOV 30H，#00H ；计满24h，“时位”清0 RETUNT： POP ACC ；恢复现场POP PSWRETI ；中断返回 END,
