（51单片机）第十章-定时器/计时器应用提高

发布于：2024-04-23 ⋅ 阅读:(23) ⋅ 点赞:(0)

10.1 方式0应用

        通过设置TMOD寄存器中的M1M0位为00选择定时器方式0，方式0的计数位数是13位，对TO来说，由TL0寄存器的低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。其逻辑结构框图如下图所示。

        由于定时器方式0为13位计数器，即最多能装载的数为213=8192个，当TL0和TH0的初始值为0时，最多经过8192个机器周期该计数器就会溢出一次，向CPU申请中断。

        总结如下:当用定时器的方式0时，设机器周期为Tcy，定时器产生一次中断的时间为t，那么需要计数的个数N=t/Tcy，装入 THX和 TLX中的数分别为：

THX=(8192-N)/32，TLX=(8192-N)%32

        先计算机器周期 Tcy，TX-1C 实验板上时钟频率为11.0592MHz，那么机器周期为12*(1/11059200)≈1.0851μs，若t=5ms，那么N=5000/1.0851≈4607，这是晶振在 11.0592MHz下定时 5ms 时初值的计算方法。当晶振为12MHz时，计算起来就比较方便了，用同样方法可算得N=5000。

        编写单片机定时器程序的步骤在前面已经讲过，这里再重复一遍：

① 对 TMOD 赋值，以确定 T0 和 T1 的工作方式；

② 计算初值，并将初值写入 THO，TLO 或 TH1，TL1；

③ 中断方式时，对IE赋值，开放中断；

④ 使TRO或 TR1置位，启动定时器/计数器定时或计数。

        示例：

//定时器0工作方式0 使第一个发光二极管以1s闪烁
#include<reg52.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit led1=P1^0;	//声明第1号发光二极管（0亮1灭）
sbit beep=P2^3;	//声明蜂鸣器引脚（0响1灭）
uint num;

void main()
{
	TMOD=0x00;//设置定时器0的工作方式为0（M1M0=00）
	TH0=(8192-4607)/32; //装初值，5ms中断一次
	TL0=(8192-4607)%32; //装初值，5ms中断一次
	EA=1;//打开总中断
	ET0=1;//打开定时器0中断
	TR0=1;//启动定时器0
	num=0;
	led1=1;
	beep=1;
	while(1)//程序停止在这里等待中断发生	
	{
			if(num==200)  //加了200次说明1s时间到
			{
	 			num=0;//num清零之后可以重新计数
				led1=~led1;//让发光二极管状态取反!
				beep=~beep;
			}
	}
}

void T0_time() interrupt 1 //中断程序
{
 	TH0=(8192-4607)/32; //重装初值，5ms中断一次
	TL0=(8192-4607)%32; //重装初值，5ms中断一次
	num++;//num每加一次直至num==200
}

10.2 方式2应用

        通过设置TMOD寄存器中的M1M0位为10选择定时器方式2，方式2被称为8位初值自动重装的8位定时器/计数器，THX被作为常数缓冲器，当TLX计数溢出时，在溢出标志TFX 置1的同时，还自动地将 THX 中的常数重新装入 TLX中，使 TLX从初值开始重新计数，这样就避免了人为软件重装初值所带来的时间误差，从而提高了定时的精度。定时器方式2的逻辑结构框图如下图所示。

        方式2特别适合用做较精确的脉冲信号发生器，因为其只有8位计数器，当定较长时间时同样会给编写程序带来麻烦，同时也可能影响到精度，当我们使用一般的较精确定时时，用方式0或方式1就完全足够了,若要做精确的频率较高的信号发生器时可以选用方式2,但要注意，此时的晶振频率务必要选择精准，一定要是12的整数倍，因为这样计算机器周期时才不会产生误差。

        由于定时器方式0为8位计数器，即最多能装载的数为28=256个，当TL0和TH0的初始值为0时,最多经过 256个机器周期该计数器就会溢出，若使用12MHz晶振,也只有 256μs的时间，若使用 11.0592MHz晶振，那计算机器周期时，品振自身产生的误差也已经不少了再加上累积过程，误差便会更大。

        总结如下:当用定时器方式2时，设机器周期为Tcy，定时器产生一次中断的时间为t，那么需要计数的个数N=t/Tcy，装入 THX和TLX中的数分别为

THX=256-N，TLX=256-N

        先计算机器周期Tcy，TX-1C 实验板上时钟频率为11.0592MHz，那么机器周期为12*(1/11059200)≈1.0851μs，以计时1s为例，当计250个数时，需耗时 1.0851*250=271.275us。再来计算定时 1s计数器需要溢出多少次，即1000000/271.27≈3686,这是晶振在 11.0592MHz下定时1s 时计数器溢出次数的计算方法。当晶振为12MHz时，计算起来就非常方便了（也更加精准），用同样方法可算得计数器溢出次数为4000次。

        示例：

//定时器0工作方式2 使第一个发光二极管以1s闪烁
#include<reg52.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit led1=P1^0;	//声明第1号发光二极管（0亮1灭）
sbit beep=P2^3;	//声明蜂鸣器引脚（0响1灭）
uint num; //注意3686超过uchar的上限了

void main()
{
	TMOD=0x02;//设置定时器0的工作方式为2（M1M0=10）
	TH0=6; //装初值
	TL0=6; //装初值
	EA=1;//打开总中断
	ET0=1;//打开定时器0中断
	TR0=1;//启动定时器0
	num=0;
	led1=1;
	beep=1;
	while(1)//程序停止在这里等待中断发生	
	{
			if(num==3686)  //加了3686次说明1s时间到
			{
	 			num=0;//num清零之后可以重新计数
				led1=~led1;//让发光二极管状态取反!
				beep=~beep;
			}
	}
}

void T0_time() interrupt 1 //中断程序
{
	num++;//num每加一次直至num==3686，自动重装，无需再赋值
}

10.3 方式3应用

        方式3只适用于定时器/计数器 T0，当设定定时器T1处于方式3时，定时器T1不计数方式3将T0分成两个独立的8位计数器TL0和TH0，定时器方式3的逻辑结构框图如下图所示。

        通过设置TMOD寄存器中的M1M0位为11选择定时器方式3，分析上图可知，方式3时定时器 T0被分成两个独立的计数器。其中TL0为正常的8位计数器，计数溢出后置位 TF0，并向CPU申请中断，之后再重装初值。TH0也被固定为一个8位计数器，不过由于TL0 已经占用了 TF0 和 TR0，因此这里的 TH0 将占用定时器 T1的中断请求标志 TF1和定时器启动控制位 TR1。

        这里需要强调，因为定时器T0在方式3时会占用定时器T1的中断标志位，为了避免中断冲突，我们在设计程序时一定要注意，当T0工作在方式3时，T1一定不要用在有中断的场合，当然，T1照样可以正常工作在方式0、方式1、方式2下，但无论哪种工作方式都不可以使用它的中断，因为定时器 T0要使用T1的中断。通常在这种情况下，T1 都被用来当做串行口的波特率发生器。

        示例：

//定时器0工作方式3，使第一个发光二极管以1s闪烁，使第二个发光二极管以0.5s闪烁
#include<reg52.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit led1=P1^0;	//声明第1号发光二极管（0亮1灭）
sbit led2=P1^1;	//声明第2号发光二极管（0亮1灭）
uint num1,num2; //注意3686超过uchar的上限了

void main()
{
	TMOD=0x03;//设置定时器0的工作方式为3（M1M0=11）
	TH0=6; //装初值
	TL0=6; //装初值
	EA=1; //打开总中断
	ET0=1; //打开定时器0中断
	ET1=1; //打开定时器1中断
	TR0=1;//启动定时器0
	TR1=1;//启动定时器1
	num1=0;
	num2=0;
	led1=1;
	led2=1;
	while(1)//程序停止在这里等待中断发生	
	{
		if(num1>=3686)  //加了（超过）3686次说明1s时间到
		{
	 		num1=0;//num清零之后可以重新计数
			led1=~led1;//让发光二极管状态取反!
		}
		if(num2>=1843)  //加了（超过）1843次说明0.5s时间到
		{
	 		num2=0;//num清零之后可以重新计数
			led2=~led2;//让发光二极管状态取反!
		}

	}
}

void TL0_time() interrupt 1 //中断程序
{
	TL0=6; //重装初值
	num1++;//num1每加一次直至num==3686
}

void TH0_time() interrupt 3 //中断程序
{
	TH0=6; //重装初值
	num2++;//num2每加一次直至num==1843
}

10.4 52单片机定时器2介绍

        52单片机与51单片机相比，除了其内部程序存储容量增大外，还多了一个T2定时器计数器。定时器2是一个16位定时器/计数器，通过设置特殊功能寄存器 T2CON中的C/$ \overline{\mathbf{T2}} $位可将其设置为定时器或计数器；通过设置 T2CON 中的工作模式选择位可将定时器2设置为三种工作模式，分别为捕获、自动重新装载(递增或递减计数)和波特率发生器。

        什么是捕获？——

        通俗地讲，捕获就是捕捉某一瞬间的值，通常用它来测量外部某个脉冲的宽度或周期。使用捕获功能可以非常准确地测量出脉冲宽度或周期，它的工作原理是：单片机内部有两组寄存器，其中一组的内部数值是按固定机器周期递增或递减，通常这组寄存器就是定时器的计数器寄存器(TLX，THX)，当与捕获功能相关的外部某引脚有一个负跳变时，捕获便会立即将此时第一组寄存器中的数值准确地获取，并且存入另一组寄存器中，这组寄存器通常被称为“陷阱寄存器”(RCAPXL，RCAPXH)，同时向CPU申请中断，以方便软件记录。当该引脚的下一次负跳变来临时，便会产生另一个捕获，再次向 CPU申请中断，软件记录两次捕获之间数据后，便可以准确地计算出该脉冲的周期。

        定时器2控制寄存器T2CON

        T2CON寄存器用来设定与定时器2有关的一些操作，字节地址为 C8H，该寄存器可进行位寻址，即可对该寄存器的每一位进行单独操作。单片机复位时 T2CON全部被清 0，其各位定义如下表所示。

        TF2—定时器2溢出标志位。

                定时器2溢出时置位，必须由软件清0。当RCLK=1或TCLK=1时，TF2将不会置位。

        EXF2—定时器2外部标志

       当EXEN2=1且T2EX(单片机的P1.1口)的负跳变产生捕获或重装时，EXF2置位。定时器2中断使能时，EXF2=1将使CPU进入定时器2的中断服务程序。EXF2位必须用软件清0。在递增/递减计数器模式(DCEN=1)中，EXF2不会引起中断。

        RCLK—接收时钟标志，

        RCLK=1时，定时器2的溢出脉冲作为串行口模式1或模式3的接收时钟；RCLK=0时将定时器1的溢出脉冲作为接收时钟，

        TCLK—发送时钟标志。

        TCLK=1时，定时器2的溢出脉冲作为串行口模式1和模式3的发送时钟；TCLK=0时将定时器1的溢出脉冲作为发送时钟。

        EXEN2—定时器2外部使能标志

        当 EXEN2=1且定时器2未作为串行口时钟时，允许T2EX的负跳变产生捕获或重装；当EXEN2=0时，T2EX的跳变对定时器2无效。

        TR2—定时器2启动/停止控制位。置1启动定时器2，清0停止定时器2。

        C/$ \overline{\mathbf{T2}} $—T2 的定时器/计数器选择位。C/$ \overline{\mathbf{T2}} $=1 外部事件计数器(下降沿触发)；C/$ \overline{\mathbf{T2}} $=0内部定时器。

        CP/RL2—捕获/重装标志

        CP/RL2=1且EXEN2=1时，T2EX的负跳变产生捕获；

        CP/RL2=0且EXEN2=0时，定时器2溢出或T2EX的负跳变都可使定时器自动重装。当RCLK=1或TCLK=1时，该位无效且定时器强制为溢出时自动重装。

下表为定时器/计数器2的三种工作模式。

1. 捕获模式

        在捕获模式中，通过T2CON中的EXEN2设置两个选项.

        当EXEN2=0时，定时器2作为一个16位定时器或计数器(由T2CON中C/T2位选择)，溢出时置位 TF2(定时器2溢出标志位)。该位可用于产生中断(通过使能正寄存器中的定时器2中断使能位)。

        当 EXEN2=1时，与以上描述相同，但增加了一个特性，即外部输入T2EX由1变0时，将定时器2中TL2和 TH2的当前值各自捕获到RCAP2L和RCAP2H。另外，T2EX的负跳变使 T2CON 中的 EXF2置位，EXF2也像TF2一样能够产生中断(其中断向量与定时器2溢出中断地址相同，在定时器2中断服务程序中可通过査询TF2和EXF2来确定引起中断的事件)，捕获模式逻辑结构图如下图所示。在该模式中，TL2和TH2无重新装载值，甚至当 T2EX引脚产生捕获事件时，计数器仍以T2脚的负跳变或振荡频率的1/12计数。

2. 自动重装模式(递增/递减计数器)

        16 位自动重装模式中，定时器2可通过 C/$ \overline{\mathbf{T2}} $ 配置为定时器或计数器，并且可编程控制递增/递减计数。计数的方向由DCEN(递减计数使能位)确定，它位于T2MOD寄存器中。当 DCEN=0 时，定时器2默认为向上计数:当 DCEN=1 时,定时器2可通过 T2EX确定递增或递减计数。下图显示了当DCEN=0 时定时器2自动递增计数的过程。在该模式中，通过设置EXEN2位进行选择。

        当 EXEN2=0时,定时器2递增计数到0FFFFH,并在溢出后将TF2置位,然后将 RCAP2L和 RCAP2H 中的16 位值作为重新装载值装入定时器2。RCAP2L和 RCAP2H 的值是通过软件预设的，其逻辑结构图如下图所示。

        当EXEN2=1时，16位重新装载可通过溢出或T2EX从1到0的负跳变实现。此负跳变同时将 EXF2置位。如果定时器2中断被使能,则当TF2或EXF2置1时产生中断。在下下图中，DCEN=1时，定时器2可递增或递减计数。此模式允许T2EX 控制计数的方向。当T2EX置1时，定时器2递增计数，计数到0FFFFH后溢出并置位TF2，还将产生中断(如果中断被使能)。定时器2的溢出将使RCAP2L和RCAP2H中的16位值作为重新装载值放入TL2和TH2。当T2EX清0时，将使定时器2递减计数。当TL2和TH2计数到等于RCAP2L和RCAP2H时，定时器产生中断，其逻辑结构图如下下图所示。

        定时器2模式控制寄存器T2MOD

        用来设定定时器2自动重装模式递增或递减模式，字节地址为C9H，该寄存器不可位寻址。单片机复位时 T2MOD 全部被清 0，其各位定义如下表所示。

        --—保留未使用；

        T20E—定时器2输出使能位；

        DCEN—向下计数使能位

3.波特率发生器模式

        寄存器 T2CON的TCLK和RCLK 位允许从定时器1或定时器2获得串行口发送和接收的波特率。当TCLK=0时，定时器1作为串行口发送波特率发生器;当TCLK=1时，定时器2作为串行口发送波特率发生器。RCLK对串行口接收波特率有同样的作用。通过这两位，串行口能得到不同的接收和发送波特率，一个通过定时器1产生，另一个通过定时器2产生。

        如下图所示为定时器2工作在波特率发生器模式时的逻辑结构图。与自动重装模式相似,当 TH2溢出时,波特率发生器模式使定时器2寄存器重新装载来自寄存器RCAP2H 和RCAP2L的16位的值，寄存器RCAP2H和RCAP2L的值由软件预置。

        当定时器2配置为计数方式时，外部时钟信号由T2引脚进入，当工作于模式1和模式3波特率由下面给出的公式所决定:时，

模式1和模式3的波特率=定时器2的溢出率/16

        定时器/计数器可配置成“定时”或“计数”方式，在许多应用上，定时器被设置在“定时”方式( C/$ \overline{\mathbf{T2}} $=0)。当定时器2作为定时器时，它的操作不同于波特率发生器。通常定时器2作为定时器时，它会在每个机器周期递增(1/12振荡频率):当定时器2作为波特率发生器时，它以1/2振荡器频率递增，这时计算波特率的公式如下:

模式1和模式3的波特率=振荡器频率/32X[65536-(RCAP2H，RCAP2L)]

        式中，(RCAP2H，RCAP2L)是RCAP2H和RCAP2L的内容，为16位无符号整数。

        如上图所示，定时器2是作为波特率发生器，仅当寄存器T2CON中的RCLK或TCLK=1时，定时器2作为波特率发生器才有效。注意，TH2溢出并不置位TE2，也不产生中断。这样当定时器2作为波特率发生器时，定时器2中断不必被禁止。如果EXEN2(T2外部使能标志)被置位，在T2EX中由1到0的跳变时会置位EXF2(T2外部标志位)，但并不导致(TH2，TL2)重新装载(RCAP2H，RCAP2L)。当定时器2用做波特率发生器时，如果需要，T2EX可用做附加的外部中断。

        当定时器工作在波特率发生器模式时，不要对TH2和TL2进行读或写，每隔一个状态时间(fosc/2)或由 T2进入的异步信号，定时器2的计数器都将加1。在此情况下，对 TH2和 TH进行读或写是不准确的:可对RCAP2寄存器进行读，但不要进行写，否则将导致自动重装错误。当对定时器2的寄存器 RCAP2进行访问时，应关闭定时器(TR2清0)。

4.定时器/计数器 2 的设置

        除了波特率发生器模式，T2CON 不包括 TR2位的设置，TR2位需单独设置来启动定时器。下两表分别列出了 T2为定时器和计数器的具体设置方法。

        内部控制：仅当定时器溢出时进行捕获和重装；

        外部控制：当定时器/计数器溢出并且T2EX(P1.1)发生电平负跳变时产生捕获和重装(定时器2用于波特率发生器模式时除外)。

5.可编程时钟输出

        对52系列单片机，可设定定时器/计数器2通过P10引脚输出时钟。P10引脚除用做通用IO口外，还有两个功能可供选用：用于定时器/计数器2的外部计数输入和定时器/计数器2时钟信号输出。下图为时钟输出和外部事件计数方式示意图。

        通过软件对T2CON.1位C/T2设置为0，对T2MOD.1位T2OE设置为1就可将定时器计数器2选定为时钟信号发生器，而T2CON.2位TR2控制时钟信号输出开始或结束(TR2为启/停控制位)，由主振荡器频率和定时器/计数器2定时、自动再装入方式的计数初值决定时钟信号的输出频率。其设置公式如下:

时钟信号输出频率=振荡器频率/4X[65536-(RCAP2H，RCAP2L)]

        由公式知，在主振荡器频率设定后，时钟信号输出频率就取决于定时计数初值的设定在时钟输出模式下，计数器回0溢出不会产生中断请求。这种功能相当于定时器/计数器2用做波特率发生器，同时又可以作为时钟发生器。但必须注意，无论如何，波特率发生器和时钟发生器不能单独确定各自不同的频率，原因是两者都用同一个陷阱寄存器RCAP2H和RCAP2L，不可能出现两个计数初值。

10.5 计数器应用

        计数器功能是对外来脉冲信号计数，52单片机有TO(P3.4)、T1(P3.5)和T2(P1.0)三个输入引脚，分别是这三个计数器的计数脉冲输入端，在设置计数器工作状态时，每当外部输入的脉冲发生负跳变时，计数器加1，直到加满溢出，向CPU申请中断，依次重复。

        虽然单片机具有对外来脉冲计数的功能，但并不是说任意频率的脉冲都可直接计数，单片机的晶振频率限制了所测计数脉冲的最高频率。在讲解计数原理之前先来了解两个概念

        (1)机器周期。一个机器周期包含6个状态周期，用S1，S2，…，S6表示：共12个节拍，依次可表示为S1P1，S1P2，S2P1，S2P2，…，S6P1，S6P2，如下图所示。

        (2)指令周期。执行一条指令所占用的全部时间，它以机器周期为单位。MCS-51系列单片机除乘法、除法指令是4周期指令外，其余都是单周期指令和双周期指令。若用12MHz晶振，则单周期指令和双周期指令的指令周期时间分别为1μs和2μs,乘法和除法指令为4μs。

        当定时器/计数器设定为计数器时,计数脉冲来自相应的外部输入引脚TO(P3.4),T1(P3.5)或T2(P1.0)。当输入信号产生由1到0的负跳变时，计数器的值加1。每个机器周期的S5P2期间，对外部输入引脚进行采样。如在第一个机器周期中采得的值为1，而在下一个周期中采得的值为0，则在紧跟着的再下一个机器周期S3P1期间，计数器加1。由于确认一次负跳变需要花两个机器周期，即24个振荡周期，因此外部输入计数脉冲的最高频率为振荡器频率的1/24。例如，选用6MHz频率的晶振，允许输入的外部脉冲的最高频率为250kHZ，如果选用12MHZ 频率晶振，则最高可输入500kHz的外部脉冲。对于外部输入脉冲的占空比也有一定的限制，为了确保某一给定的电平在变化之前能被采样一次，则这一电平至少要保持一个机器周期。

        示例：

//利用计数器0工作方式1，在 TX-1C 实验板上实现如下描述
//用一根导线-端连接 GND 引脚，另一端去接触 TO(P3.4)引脚
//每接触一下，计数器计一次数，将所计的数值实时显示在数码管的前两位
//计满100 时清0，再从头计起
#include<reg52.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int

sbit dula=P2^6; //声明U1锁存器的锁存端
sbit wela=P2^7; //声明U2锁存器的锁存端

uchar code dula_table[]={
	0x3f,0x06,0x5b,0x4f, //0,1,2,3
	0x66,0x6d,0x7d,0x07, //4,5,6,7
	0x7f,0x6f,0x77,0x7c, //8,9,10,11
	0x39,0x5e,0x79,0x71  //12,13,14,15
};

uchar code wela_table[]=
{
	  0xdf,0xef,0xf7,0xfb,0xfd,0xfe	//从右向左数第一到六位
};

uchar a,b;
uint wei,num;

void main()
{
	void delayxms(uint xms);
	uint read();
	void init(); //计数器初始化函数
	void display(); //读取函数

	init();	
	while(1)
	{
		num=read();
		if(num>=100)
		{
			num=0;
			TH0=0; //将计数器值清0
			TL0=0;
		}
		a=num/10;
		b=num%10;
		display();
	}
}

void delayxms(uint xms)
{
	uint x,y;
	for(x=xms;x>0;x--)
		for(y=124;y>0;y--);	
} 

void init() //计数器初始化函数
{
	 TMOD=0x05; // 设置计数器0为工作方式1（0000 0101）
	 TH0=0;
	 TL0=0;
	 TR0=1;
	 a=0;
	 b=0;
	 num=0;
}

uint read() //读取函数
{
	uchar t1,th1,th2;
	uint val;
	while(1)
	{
		th1=TH0;
		t1=TL0;
		th2=TH0;
		if(th1==th2) break; //只读一次可能会错误，连续读两次防止读取时发生进位
	}
	val = th1*256+t1;
	return val;
}

void display()
{
	void wedu(uchar dula_num,uchar wela_num);

	for(wei=0;wei<2;wei++)
	{
		switch(wei)
		{
			case 0: wedu(b,wei);break;
			case 1: wedu(a,wei);break;
		}	
	}
}


void wedu(uchar dula_num,uchar wela_num)
{
	wela=1; //打开U2锁存端
	P0=wela_table[wela_num]; //送入U2锁存端
	wela=0; //关闭U2锁存端
	P0=0xc0; //消影，防止P0残留电位信号干扰段选
	dula=1; //打开U1锁存端
	P0=dula_table[dula_num]; //送入段选信号
	dula=0; //关闭U1锁存端
	P0=0xff; //消影，防止P0残留电位信号干扰片选
	delayxms(1);
}

        注意：由于抖动，每次数字变化不可能稳定增长1 

参考资料： 

[1] 郭天祥. 新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展全攻略[M]. 北京: 电子工业出版社, 2009.

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