51單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器詳解（工作原理及模式、應(yīng)用）

51單片機(jī)是基礎(chǔ)入門(mén)的一個(gè)單片機(jī)，還是應(yīng)用最廣泛的一種。本文主要介紹51單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，首先介紹了51單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作原理，其次介紹了51單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作模式，最后闡述了51單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器的應(yīng)用，具體的跟隨小編一起來(lái)了解一下吧。

51單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器的概念

單片機(jī)中，脈沖計(jì)數(shù)與時(shí)間之間的關(guān)系十分密切，每輸入一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器的值就會(huì)自動(dòng)累加1，只要相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)脈沖之間的時(shí)間間隔相等，則計(jì)數(shù)值就代表了時(shí)間的流逝，因此，單片機(jī)中的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器其實(shí)是同一個(gè)物理的電子元件，只不過(guò)計(jì)數(shù)器記錄的是單片機(jī)外部發(fā)生的事情（接受的是外部脈沖），而定時(shí)器則是由單片機(jī)自身提供的一個(gè)非常穩(wěn)定的計(jì)數(shù)器，這個(gè)穩(wěn)定的計(jì)數(shù)器就是單片機(jī)上連接的晶振部件;MCS-51單片機(jī)的晶振經(jīng)過(guò)12分頻之后提供給單片機(jī)穩(wěn)定脈沖;晶振的頻率是非常準(zhǔn)確的，所以單片機(jī)的計(jì)數(shù)脈沖之間的時(shí)間間隔也是非常準(zhǔn)確的。

51單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作原理

加1計(jì)數(shù)器輸入的計(jì)數(shù)脈沖有兩個(gè)來(lái)源，一個(gè)是由系統(tǒng)的時(shí)鐘振蕩器輸出脈沖經(jīng)12分頻后送來(lái)；一個(gè)是T0或T1引腳輸入的外部脈沖源。

作為定時(shí)器使用時(shí)，定時(shí)器計(jì)數(shù)8051單片機(jī)片內(nèi)振蕩器輸出經(jīng)過(guò)12分頻后的脈沖個(gè)數(shù)，即：每個(gè)機(jī)器周期使定時(shí)器T0/T1的寄存器值自動(dòng)累加1，直到溢出，溢出后繼續(xù)從0開(kāi)始循環(huán)計(jì)數(shù);所以，定時(shí)器的分辨率是時(shí)鐘振蕩頻率的1/12;

作為計(jì)數(shù)器使用時(shí)，通過(guò)引腳T0（P3.4）或T1（P3.5）對(duì)外部脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)輸入的外部脈沖信號(hào)發(fā)生從1到0的負(fù)跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器的值就自動(dòng)加1由于檢測(cè)一個(gè)從1到0的下降沿需要2個(gè)機(jī)器周期，因此要求被采樣的電平至少要維持一個(gè)機(jī)器周期。當(dāng)晶振頻率為12MHz時(shí)，最高計(jì)數(shù)頻率不超過(guò)1/2MHz，即計(jì)數(shù)脈沖的周期要大于2微秒。;計(jì)數(shù)器的最高頻率一般是時(shí)鐘振蕩頻率的1/24;

由此可知，不論是定時(shí)器還是計(jì)數(shù)器工作方式，定時(shí)器T0和T1均不占用CPU的時(shí)間，除非定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和T1溢出，才可能引起CPU中斷，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷處理程序。所以說(shuō)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器是單片機(jī)中效率高而工作靈活的部件。

51單片機(jī)定時(shí)器工作原理圖：

由上圖可見(jiàn)與定時(shí)器相關(guān)的寄存器主要有下面這幾個(gè)：TMOD、 TCON、 TL0、TH0、TL1、TH1。下面介紹一下這幾個(gè)寄存器

16位加法計(jì)數(shù)器：

是定時(shí)計(jì)數(shù)器的核心，其中 TL0、TH0、是定時(shí)計(jì)數(shù)器0的底八位和高八位；TL1、TH1是定時(shí)計(jì)數(shù)器1的底八位和高八位；并且高八位和底八位可單獨(dú)使用。16位加法計(jì)數(shù)器主要是在設(shè)置定時(shí)計(jì)數(shù)器的初值時(shí)候使用

TMOD定時(shí)器工作模式及方式寄存器

GATE ：定時(shí)操作開(kāi)關(guān)控制位，當(dāng)GATE=1時(shí)，INT0或INT1引腳為高電平，同時(shí)TCON中的TR0或TR1控制位為1時(shí)，計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)器0或1才開(kāi)始工作。若GATE=0，則只要將TR0或TR1控制位設(shè)為1，計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)器0或1就開(kāi)始工作。

C/T ：定時(shí)器或計(jì)數(shù)器功能的選擇位。C/T=1為計(jì)數(shù)器，通過(guò)外部引腳T0或T1輸入計(jì)數(shù)脈沖。C/T=0時(shí)為定時(shí)器，由內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘提供計(jì)時(shí)工作脈沖。

M1 M0：T0、T1工作模式選擇位

TCON定時(shí)器控制寄存器

TF1：定時(shí)器T1溢出標(biāo)志，可由程序查詢和清零，TF1也是中斷請(qǐng)求源，當(dāng)CPU響應(yīng)T1中斷時(shí)由硬件清零。

TF0：定時(shí)器T0溢出標(biāo)志，可由程序查詢和清零，TF0也是中斷請(qǐng)求源，當(dāng)CPU響應(yīng)T0中斷時(shí)由硬件清零。

TR1：T1充許計(jì)數(shù)控制位，為1時(shí)充許T1計(jì)數(shù)（定時(shí)）。

TR0：T0充許計(jì)數(shù)控制位，為1時(shí)充許T0計(jì)數(shù)（定時(shí)）。

IE1：外部中斷1請(qǐng)示源（INT1，P3.3）標(biāo)志。IE1＝1，外部中斷1正在向CPU請(qǐng)求中斷，當(dāng)CPU響應(yīng)該中斷時(shí)由硬件清“0”。

IT1：外部中斷源1觸發(fā)方式控制位。此位為1設(shè)置為底電平觸發(fā)，為0設(shè)置為下降沿觸發(fā)。

IE0：外部中斷0請(qǐng)示源（INT0，P3.2）標(biāo)志。IE0＝1，外部中斷1正在向CPU請(qǐng)求中斷，當(dāng)CPU響應(yīng)該中斷時(shí)由硬件清“0”。

IT0：外部中斷源0觸發(fā)方式控制位。此位為1設(shè)置為底電平觸發(fā)，為0設(shè)置為下降沿觸發(fā)。

51單片機(jī)定時(shí)器4種工作模式

工作模式0：

由TL0的低5位和TH0的全部8位共同構(gòu)成一個(gè)13位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器啟動(dòng)后，定時(shí)或計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)加到TL0上，從預(yù)先設(shè)置的初值（時(shí)間常數(shù)）開(kāi)始累加，不斷遞增1，當(dāng) TL0計(jì)滿后，向TH0進(jìn)位，直到13位寄存器計(jì)滿溢出，TH0溢出時(shí)，置位TCON中的TF0標(biāo)志，向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求。并且定時(shí)器/計(jì)數(shù)器硬件會(huì)自動(dòng)地把13位的寄存器值清0，如果需要進(jìn)一步定時(shí)/計(jì)數(shù)，需要使用相關(guān)指令重置時(shí)間常數(shù)，并把定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的中斷標(biāo)記TF0置0。

工作模式1：最常用的定時(shí)器工作模式

模式1與模式0幾乎完全相同，唯一的區(qū)別就是，模式1中的寄存器TH0和TL0共同構(gòu)成的是一個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器來(lái)參與操作，因此比模式0中的定時(shí)/計(jì)數(shù)范圍更大

工作模式2： 工作方式2特別適合于用作較精確的脈沖信號(hào)發(fā)生器。

這種模式又稱(chēng)為自動(dòng)再裝入預(yù)置數(shù)模式。有時(shí)候，我們的定時(shí)/計(jì)數(shù)操作是需要多次重復(fù)定時(shí)/計(jì)數(shù)的，如果溢出時(shí)不做任何處理，那么，在第二輪定時(shí)/計(jì)數(shù)時(shí)就是從0開(kāi)始定時(shí)/計(jì)數(shù)了，而這并不是我們想要的。所以，要保證每次溢出之后，再重新開(kāi)始定時(shí)/計(jì)數(shù)的操作是我們想要的，那就要把預(yù)置數(shù)（時(shí)間常數(shù)）重新裝入某個(gè)地方，而重新裝入預(yù)置數(shù)的操作是硬件設(shè)備自動(dòng)完成的，不需要人工干預(yù)，所以這種工作模式就叫自動(dòng)再裝入預(yù)置數(shù)方式。在工作模式2中，把自動(dòng)重裝入的預(yù)置數(shù)存放在定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的寄存器的高8位中，也就是存放在TH0中，而只留下TL0參與定時(shí)/計(jì)數(shù)操作。

這個(gè)工作模式常用于波特率發(fā)生器（串口通訊），T1工作在串口模式2;用于這種方式時(shí)，定時(shí)器就是為了提供一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn);計(jì)數(shù)溢出之后，不需要做太多的事情，只做一件事就可以，就是重新裝入預(yù)置數(shù)，再開(kāi)始重新計(jì)數(shù)，而且中間不需要任何延時(shí)。

工作模式3：

方式3只適用于定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0，定時(shí)器T1處于方式3時(shí)相當(dāng)于TR1=0，停止計(jì)數(shù)由于定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1沒(méi)有工作模式3，如果把定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0設(shè)置為工作模式3，那么TL0和TH0將被分割成兩個(gè)相互獨(dú)立的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。

51單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器的應(yīng)用

在protues下搭建仿真環(huán)境：

在這里介紹一下定時(shí)器初值的設(shè)定：

工作方式0:13位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作模式，最多可計(jì)數(shù)2的13次方次，即：8192次

工作方式1:16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作模式，最多可計(jì)數(shù)2的16次方次，即：65536次

工作方式2:8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作模式，最多可計(jì)數(shù)2的8次方次，即：256次，

工作方式3:8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作模式，最多可計(jì)數(shù)2的8次方次，即：256次

以12M晶振為例：每秒鐘可以執(zhí)行1000000次機(jī)器周期個(gè)機(jī)器周期。而定時(shí)器每次溢出 最多65536 個(gè)機(jī)器周期。

那么對(duì)12MHz的晶振來(lái)講

1個(gè)機(jī)器周期 1us （ 12/fosc = 1us）

方式0 13位定時(shí)器最大時(shí)間間隔 = 2^13 = 8.192ms

方式1 16位定時(shí)器最大時(shí)間間隔 = 2^16 = 65.536ms

方式2 8位定時(shí)器最大時(shí)間間隔 = 2^8 = 0.256ms =256 us

方式3 8位定時(shí)器最大時(shí)間間隔 = 2^8 = 0.256ms =256 us

以上是對(duì)定時(shí)器定時(shí)的最大時(shí)間間隔做一個(gè)說(shuō)明，下面具體說(shuō)明怎么計(jì)算初值（小于最大時(shí)間間隔）假如定時(shí)10ms那么的定時(shí)器初值計(jì)算如下：

－當(dāng)使用12M晶振，12MHz除12為1MHz，也就是說(shuō)一秒=1000000次機(jī)器周期。10ms=10000次 機(jī)器周期。

預(yù)置數(shù)的計(jì)算公式：預(yù)置數(shù)=最大值-需要計(jì)數(shù)的次數(shù);（65536-10000）

再將預(yù)置數(shù)裝入16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，如下：

TH0=（65536-10000）/256

TL0=（65536-10000）%256

－當(dāng)使用11.0592M晶振，11.0592MHz除12為921600Hz，就是一秒921600次機(jī)器周期，10ms=9216次機(jī)器周期。

預(yù)置數(shù)的計(jì)算公式：預(yù)置數(shù)=最大值-需要計(jì)數(shù)的次數(shù);（65536-9216）

再將預(yù)置數(shù)裝入16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，如下：

TH0=（65536-9216）/256

TL0=（65536-9216）%256

介紹完初值的確定，下面介紹定時(shí)器最常見(jiàn)的兩種用法

定時(shí)：定時(shí)計(jì)數(shù)器作為定時(shí)器使用，配置步驟如下：

1.模式設(shè)置，配置TMOD寄存器

2.定時(shí)器初值設(shè)置 假設(shè)10ms中斷

3.開(kāi)定時(shí)器中斷

4.開(kāi)總中斷

5.打開(kāi)定時(shí)器

通過(guò)以上5步就打開(kāi)了一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)器沒(méi)10毫秒發(fā)起一次中斷，即沒(méi)10毫秒進(jìn)入一次中斷服務(wù)程序

示例程序如下：

#include《reg51.h》

sbit led=P1^0;

unsigned int flag;

void main（）

{

TMOD=0x01;//1.模式設(shè)置，00000001，采用的是定時(shí)器0，工作與式1（M1=0，M0=1）。

TH0=（65536-10000）/256; //2.定時(shí)器設(shè)置，每隔10毫秒發(fā)起一次中斷。

TL0=（65536-10000）%256;

ET0=1; //3.開(kāi)定時(shí)器0中斷

EA = 1; //4.開(kāi)總中斷

TR0=1; //5.打開(kāi)定時(shí)器

while（1）

{

if（flag==100）

{

led=~led;

flag=0;

}

}

}

void TIM0（） interrupt 1 //中斷服務(wù)程序

{

TH0=（65536-10000）/256; //進(jìn)入中斷要重新設(shè)置定時(shí)器處置，要注意。

TL0=（65536-10000）%256;

flag++;

}1234567891011121314151617181920212223242526272829

計(jì)數(shù)：定時(shí)計(jì)數(shù)器作為計(jì)數(shù)器使用，配置步驟如下：

1.模式設(shè)置，配置TMOD寄存器。

2.開(kāi)計(jì)數(shù)器中斷

3.開(kāi)總中斷

4.打開(kāi)計(jì)數(shù)器

通過(guò)這簡(jiǎn)單的四步，我們就打開(kāi)了一個(gè)計(jì)數(shù)器，可以對(duì)P3.4或者P3.5進(jìn)行下降沿的脈沖計(jì)數(shù)，這里有一點(diǎn)要注意就是計(jì)數(shù)器可以不開(kāi)中斷，這樣溢出時(shí)只是不會(huì)進(jìn)去中斷服務(wù)程序。

示例程序如下：

#include《reg51.h》

sbit led=P1^0;

sbit s=P3^4;

unsigned int count;

void main（）

{

TMOD=0x05; //1.模式設(shè)置，00000101，采用的是計(jì)數(shù)器0，工作模式1（M1=0，M0=1）。

TH0=0; //計(jì)數(shù)器清零

TL0=0;

ET0=1; //2.開(kāi)計(jì)數(shù)器0中斷

EA=1; //3.開(kāi)總中斷

TR0=1; //4.打開(kāi)計(jì)數(shù)器

led=1;

while（1）

{

count=（TH0《《8）|TL0;

if（（count*10000）==50000）//按5下按鍵led狀態(tài)取反

{

led=0;

TH0=0XFF;

TL0=0XFF; //人為的讓計(jì)數(shù)器進(jìn)入中斷

}

}

}

void TIM0（） interrupt 1 //中斷服務(wù)程序

{

led=1;

TH0=0;

TL0=0;

}