单片机原理及技术（七）—— 定时器/计数器的工作原理

目录

一、定时器/计数器的结构

1.1 定时器/计数器工作方式寄存器TMOD

1.2 定时器/计数器控制寄存器TCON

二、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

三、定时器/计数器T0、T1的编程应用

3.1 P1口控制8只LED

 3.2 计数器的应用

一、定时器/计数器的结构

AT89S51单片机的定时器/计数器结构如下图所示，定时器/计数器T0由特殊功能寄存器TH0、TL0构成，定时器/计数器T1由特殊功能寄存器TH1、TL1构成。

AT89S51单片机的定时器/计数器结构框图

AT89S51的Timer 0（T0）和Timer 1（T1）都具有定时器和计数器两种工作模式。

在定时器模式下，T0和T1可以被用作定时器来测量时间间隔。它们可以根据预设的初值进行计数，当计数值达到设定的目标值时，会触发定时器中断。这个机制可以用来生成精确的定时延迟。

在计数器模式下，T0和T1可以被用作计数器来计算外部脉冲的数量。它们可以根据外部脉冲的输入进行计数。一般来说，这种模式用于测量外部事件的频率或时间间隔。

为了切换工作模式，对应的控制寄存器需要进行相应的设置。在AT89S51中，T0的工作模式由T0CON寄存器来设置，T1的工作模式由T1CON寄存器来设置。

1.1 定时器/计数器工作方式寄存器TMOD

在AT89S51中，定时器/计数器的工作方式由寄存器TMOD（Timer Mode）来控制。TMOD是一个8位寄存器，用于设置T0和T1的工作模式和工作方式。

TMOD寄存器的位布局如下：

8位分为两组，高4位控制T1，低4位控制T0。

• GATE：门控位

GATE=0，定时器/计数器是否计数，仅由控制位TRx（x=0，1）来控制。（通常）

GATE=1，定时器/计数器是否计数，要由外中断引脚 INT0（或INT1）上的电平与运动控制位TRx两个条件共同控制。

• M1和M0：工作方式选择位

M1和M0位用于选择T0和T1的工作方式。M1和M0位的取值情况如下：

1.2 定时器/计数器控制寄存器TCON

在AT89S51中，定时器/计数器的控制由寄存器TCON（Timer/Counter Control）来进行。TCON是一个8位寄存器，用于启动、停止和设置定时器/计数器的工作方式。

TCON寄存器的位布局如下：

• TR1和TR0位

TR1和TR0位用于启动和停止T1和T0的定时器/计数器。

TR1和TR0位的取值情况如下：

• TF1和TF0位

TF1和TF0位用于检测T1和T0的溢出标志。当定时器/计数器溢出时，这些位将被设置为1。可以通过软件将它们清零。

• IE1和IE0位

IE1和IE0位用于使能T1和T0的中断。当相应的位设置为1时，若定时器/计数器溢出时，将触发相应的中断。

• IT1和IT0位

IT1和IT0位用于设置T1和T0的中断类型。当IT1位设置为1时，T1的中断为高电平触发，当IT1位设置为0时，T1的中断为下降沿触发。当IT0位设置为1时，T0的中断为高电平触发，当IT0位设置为0时，T0的中断为下降沿触发。

二、定时器/计数器的4种工作方式

2.1 方式0

定时器/计数器的4种工作方式中，方式0是最简单的工作方式，也被称为13位定时器计数器模式（13-bit Timer/Counter Mode）。

在方式0中，定时器/计数器的输入时钟源为时钟频率的12分频。它可以被用作13位定时器或13位计数器，由T0引脚的控制位决定。当T0引脚连接到外部时钟源时，可以选择将定时器/计数器配置为计数器，否则配置为定时器。

在方式0中，定时器/计数器的计数范围为0到8191。这意味着定时器/计数器将在计数到8191时溢出，并自动从0开始重新计数。当计数器溢出时，会发生中断（如果中断使能位IE0被设置为1）。

定时器/计数器方式0的工作方式可以通过设置TCON寄存器中位1和位0的值来控制。当位1和位0都设置为0时，定时器/计数器处于停止状态，不进行计数。当位1设置为1而位0设置为0时，定时器/计数器将开始倒计时。当位1设置为0而位0设置为1时，定时器/计数器将开始正计时。当位1和位0都设置为1时，定时器/计数器将同时进行正计时和倒计时。

2.2 方式1

方式1是定时器/计数器的第二种工作方式，也被称为16位自动重装定时器模式（16-bit Auto-reload Timer Mode）。

在方式1中，定时器/计数器的输入时钟源为时钟频率的12分频。它被配置为一个16位定时器/计数器，每次计数范围从0到65535。当计数器达到最大值65535时，会自动从初始值（预设的重载值）重新开始计数。

定时器/计数器方式1适用于需要长时间计时的应用，因为它的计数范围更大。它可以更精确地测量较长的时间间隔。

方式1的工作方式可以通过设置TMOD寄存器中的位[1:0]来配置。具体的设置如下：

• BIT1 = 1，BIT0 = 0：定时器/计数器开始倒计时，并根据设置的重载值进行自动重装。当计数器溢出时，会发生中断（如果中断使能位IE1被设置为1）。
• BIT1 = 0，BIT0 = 1：定时器/计数器开始正计时，计数范围从0到65535，当计数器达到最大值时，会自动从初始值重新开始计数。

2.3 方式2

方式2是定时器/计数器的第三种工作方式，也被称为8位自动重装定时器模式（8-bit Auto-reload Timer Mode）。

在方式2中，定时器/计数器的输入时钟源为时钟频率的12分频。它被配置为一个8位定时器/计数器，每次计数范围从0到255。当计数器达到最大值255时，会自动从初始值（预设的重载值）重新开始计数。

定时器/计数器方式2适用于需要短时间计时的应用，因为它的计数范围较小。它可以更快地测量较短的时间间隔。

方式2的工作方式可以通过设置TMOD寄存器中的位[3:2]来配置。具体的设置如下：

• BIT3 = 1，BIT2 = 0：定时器/计数器开始倒计时，并根据设置的重载值进行自动重装。当计数器溢出时，会发生中断（如果中断使能位IE2被设置为1）。
• BIT3 = 0，BIT2 = 1：定时器/计数器开始正计时，计数范围从0到255，当计数器达到最大值时，会自动从初始值重新开始计数。

2.4 方式3

方式3是定时器/计数器的第四种工作方式，也被称为两个8位定时器/计数器模式（Two 8-bit Timer/Counter Mode）。

在方式3中，定时器/计数器被分为两个独立的8位定时器/计数器，分别被称为定时器/计数器0（T0）和定时器/计数器1（T1）。每个定时器/计数器都有自己的寄存器和控制位。

定时器/计数器0（T0）和定时器/计数器1（T1）拥有独立的工作方式和计时引脚。它们可以同时进行不同的计时操作，具有更高的灵活性和多任务处理能力。

方式3的工作方式可以通过设置TMOD寄存器中的位[1:0]来配置。具体的设置如下：

• BIT1 = 1，BIT0 = 0：定时器/计数器0工作在方式1中的8位自动重装定时器模式。
• BIT1 = 0，BIT0 = 1：定时器/计数器1工作在方式1中的8位自动重装定时器模式。
• BIT1 = 1，BIT0 = 1：定时器/计数器0和定时器/计数器1同时工作，各自独立配置工作方式。

三、定时器/计数器T0、T1的编程应用

3.1 P1口控制8只LED

在AT89S51单片机的P1口上接有8只LED，采用定时器T0的方式1的定时中断方式，使P1口外接的8只LED每0.5秒闪亮一次。

方式1定时中断LED闪亮电路示意图

程序代码：

#include <reg51.h> // 包含51单片机寄存器定义

#define LED P1 // 将P1口定义为LED

// 初始化定时器T0为模式1
void Timer0_Init() {
    TMOD |= 0x01; // 设置定时器0为模式1（16位定时器模式）
    TH0 = 0xB8;   // 装载初值，定时器高8位
    TL0 = 0x00;   // 装载初值，定时器低8位
    ET0 = 1;      // 开启定时器T0中断
    EA = 1;       // 开启全局中断
    TR0 = 1;      // 启动定时器T0
}

// 定时器T0中断服务程序
void Timer0_ISR() interrupt 1 {
    static unsigned int count = 0;
    TH0 = 0xB8;   // 重新装载初值，定时器高8位
    TL0 = 0x00;   // 重新装载初值，定时器低8位
    count++;
    if (count >= 10) { // 累计中断次数，0.5秒闪烁一次
        count = 0;
        LED = ~LED; // 取反LED的状态，实现闪烁
    }
}

void main() {
    LED = 0xFF;   // 初始化LED状态，全部熄灭（假设LED为共阳极接法）
    Timer0_Init(); // 初始化定时器T0
    while(1) {
        // 主循环中不需要做任何事，LED闪烁由定时器中断控制
    }
}

或

#include <reg51.h> // 包含51单片机寄存器定义

#define LED P1 // 将P1口定义为LED

// 初始化定时器T0为模式1
void Timer0_Init() {
    TMOD |= 0x01; // 设置定时器0为模式1（16位定时器模式）
    TH0 = 0xB8;   // 装载初值，定时器高8位
    TL0 = 0x00;   // 装载初值，定时器低8位
    ET0 = 1;      // 开启定时器T0中断
    EA = 1;       // 开启全局中断
    TR0 = 1;      // 启动定时器T0
}

// 定时器T0中断服务程序
void Timer0_ISR() interrupt 1 {
    static unsigned int count = 0;
    TH0 = 0xB8;   // 重新装载初值，定时器高8位
    TL0 = 0x00;   // 重新装载初值，定时器低8位
    count++;
    if (count >= 10) { // 累计中断次数，0.5秒闪烁一次
        count = 0;
        LED = ~LED; // 取反LED的状态，实现闪烁
    }
}

void main() {
    LED = 0xFF;   // 初始化LED状态，全部熄灭（假设LED为共阳极接法）
    Timer0_Init(); // 初始化定时器T0
    while(1) {
        // 主循环中不需要做任何事，LED闪烁由定时器中断控制
    }
}

 3.2 计数器的应用

定时器T1采用计数模式，方式1中断，计数输入引脚T1上外接按钮开关，作为计数信号输入。按4次按钮开关后，P1口的8只LED闪烁不停。

程序代码：

#include <reg51.h>

#define LED P1
#define BUTTON P3_6

void Delay (unsigned int i){              //延时函数Delay(),i为形式参数,不能赋初值
    unsigned int j；
    for(;i > 0;i--)
    for (j=0;j<333;j++)                   //晶体振荡器为12MHz,j的选择与晶体振荡器频率有关
    {;}                 //空函数

// 假设已经有一个函数用于初始化定时器T1
void Timer1_Init() {
    // 定时器初始化代码
}

// 假设已经有一个函数用于初始化外部中断
void ExternalInterrupt_Init() {
    // 外部中断初始化代码
    IT0 = 1; // 配置INT0为下降沿触发
    EX0 = 1; // 启用外部中断0
}

// 定义一个全局变量来计数按钮按下的次数
unsigned char button_press_count = 0;

// 外部中断0的中断服务程序
void External0_ISR() interrupt 0 {
    button_press_count++; // 按钮被按下，计数加1
    if (button_press_count >= 4) {
        // 如果按了4次按钮，使LED闪烁不停
        while (1) {
            LED = 0xFF; // LED全亮
            Delay(100);    // 延时函数
            LED = 0x00; // LED全灭
            Delay(100);    // 延时函数
        }
    }
}

void main() {
    Timer1_Init(); // 初始化定时器T1
    ExternalInterrupt_Init(); // 初始化外部中断
    EA = 1; // 全局中断使能

    while (1) {
        // 主循环代码，如果需要可以执行其他任务
    }
}