51单片机定时器相关介绍

2021-03-10 来源：eefocus

对于软件手段，我们在前面的课程已经详细讲到过，它最大的缺点就是占用单片机的“机时”，也就是耗费单片机的“精力”，从而降低了单片机的工作效率。而定时器则不同，它是单片机内部一个独立的功能模块，定时器一旦设置后，定时器便自动开始计时，当计时时间满后，便产生相应的中断，去处于中断函数内的程序，而在计时这段时间内，定时器和CPU是分别独立工作的，CUP此时就可以有时间去做其它的事情。所以为了提高单片机的工作效率和实现精确的延时，目前几乎所有的半导休生产厂商在设计单片机时，在内部都配置了定时器模块。下面51单片机内部的定时器进行介绍。

1、定时器/计数器概述

51单片机内部共有两个定时器/计数器模块T0和T1,对于52单片机内部又增加了定时器T3。它们即具有定时功能，也可以作计数功能，可以通过相应的寄存器进行设置。但不论是用于定时功能还是计数功能，其基本原理都是一样的，如图1所示为定时器/计数器的结构图，内部为一个加1计数器，由高8位TH0(或TH1)和低8位TL0(或TL1)两个计数寄存器组成。TMOD是定时器/计数器的工作模式和工作方式寄存器，用来确定是处于定时模式还是计数模式以及何种工种方式，这个后面讲解寄存器的时会讲到。TCON为控制寄存器，用来控制定时器/计数器的启动、停止及溢出标志等的设置。

图1 定时器/计数器的结构框图

工作原理如图的所示，加1计数器相当于一个装数的容器，每来一个脉冲自动加1，当数装满后便自动溢出，如果此时设置的中断，CPU便会停止当前正在执行的工作，去执行中断函数内的程序。这里也可以形象把计数器看作一个装水的水桶，每来一滴水，水桶的水便会增加一点，当水装满了后，便会溢出。

加1计数器的计数脉冲有两个来源，一个是由系统时钟振荡器输出脉冲经过12分频后送来，一个是由外部引脚T0(P34引脚)和T1(P35引脚)送来的外部脉冲（通常为下降沿），前者主要用于定时，后者主要用于计数。每来一个脉冲时，计数器会自动加1，当加到全为1时，再来一个脉冲，计数器便会自动清0，且计数器此时会溢出并使TCON寄存器中的TF0和TF1置1，如果此时设置了定时器中断允许，便会自动的向CPU发出中断请求。

图2 定时器/计数器的工作原图

可能大家还是不明白，这样为什么就可以用来进行定时和计数呢，这里我们以通俗的例子解释一下定时，还是以水桶装水为例，假设水桶开始一滴水都没有（相当于计数器内部全为0），此时来一滴水（相当于来一个脉冲），水桶的水便会增加一滴（相当于计数器自动加1），而水桶的容积是规定了的（相当于计数器最大计数值），水桶的水总会有满的时候（相当于计数器加到全部为1），此时假设每来一滴水的时间我们知道或者人为可以设置，水桶从一滴水没有到全部装满就会有一个时间，这个就是定时时间值。

也就是说，我们如果知道每来一个脉冲相应的时间t，又知道加1计数器最大可以装多少数n，我们就可以知道这个时间值T，即T=nt。而这个T的时间通常是固定的，实际应用时需要不同的定时时间，我们可以采用预先在计数器内装一定的初值（相当于在水桶内先装一些水），然后在这个初值的基本上再来相应脉冲，计数器自动加1，一直到溢出，我们就可以得到任意想要的定时时间。

从图2中我们还可以看出，定时器/计数器还有一个控制开关，此开关可以控制定时器计数器相应的启动和停止。而此开关的开闭主要是由图2左下部的TRX 、GATE等信号共同作用，这里都是门电路，可以由数电的知道解释，因为比较简单，这里我就不作说明，后面结合的相关的寄存器进行介绍。

2、定时器/计数器相关寄存器

与定时器/计数器相关的寄存器主要有两个（编程时如涉及到中断，还要用到中断相关的寄存器，前面已经讲可），一个是工作模式及工作方式设置寄存器TMOD，一个就是跟控制有关（就是图2中开关的设置有关的）寄存器TCON，下面分别对其进行介绍。

注意:对单片机内部寄存器的说明相当于对结构原理的解释，所以在单片机内部功能模块看不明白时，也可以借助相关寄存器的说明加以理解。

（1）定时器工作模式及工作方式寄存器TMOD

工作方式寄存器TMOD用于设置定时/计数器的工作模式及工作方式，低四位用于T0，高四位用于T1。其格式如下：

GATE：门控位。GATE＝0时，只要用软件使TCON中的TR0或TR1为1，就可以启动定时/计数器工作；GATA＝1时，要用软件使TR0或TR1为1，同时外部中断引脚或也为高电平时，才能启动定时/计数器工作。即此时定时器的启动多了一条件。

C/T :定时/计数模式选择位。C/T＝0为定时模式；C/T =1为计数模式。

M1M0：工作方式设置位。定时/计数器有四种工作方式，由M1M0进行设置。具体说明如下表：

（2）定时器/计数器控制寄存器TCON

TCON的低4位用于控制外部中断,已在前面介绍。TCON的高4位用于控制定时/计数器的启动和中断申请。其格式如下：

TF1（TCON.7）：T1溢出中断请求标志位。T1计数溢出时由硬件自动置TF1为1。CPU响应中断后TF1由硬件自动清0。T1工作时，CPU可随时查询TF1的状态。所以，TF1可用作查询测试的标志。TF1也可以用软件置1或清0，同硬件置1或清0的效果一样。

TR1（TCON.6）：T1运行控制位。TR1置1时，T1开始工作；TR1置0时，T1停止工作。TR1由软件置1或清0。所以，用软件可控制定时/计数器的启动与停止。

TF0（TCON.5）：T0溢出中断请求标志位，其功能与TF1类同。

TR0（TCON.4）：T0运行控制位，其功能与TR1类同。

3、定时器工作方式及赋初值

通过对上面TMOD寄存器的介绍，我们知道，通过设置M0M1可能选择定时器的工作方式。这里可能有的人对选择定时器工作方式及赋初值是什么意思不明白，其实也很好理解，前面我们不是把加1计数器比作装水的水桶吗，而51单片机有4种工作方式就相当于有4种不同大小的装水的水桶，所以我们必须通过TMOD这个寄存器选择哪使用哪一个水桶（也就是选择哪一种工作方式）；至于为什么要赋初值前面我实际已经有讲到过，计数器从全是装0到全部装1的整个时间是固定的，而我们实际用使用需要不同的定时间，所以我们必须先在计数器内先装一些数，然后在这个基本上进行加1计数，就可以得到我们想要的定时时间。

定时器总共有四种工作方式，而因为定时器工作方式1比较常用，所以这里仅对定时器0工作方式1进行介绍，并介绍如何赋初值。

方式1的计数位数是16位，由TL0作为低8位、TH0作为高8位，组成了16位加1计数器，其逻辑结构图如图3所示。

图3 定时器0工作方式1逻辑结构图

当GATE=0,TR0=1时，TL0便在机器周期的作用下开始自动加1，当加了256次后自动向前进一位，直到TH0也计满，然后溢出，置标志寄存器TF0=1,如果此时设置了中断允许，CPU便作进入中断函数内进行中断程序的处理。注意，此时若TR0=1一直打开的话，计数器满后会全部自动清零，然后重新重复以上过程，直到TR0=0时结束。

接下来讲解如何计算定时器的初值问题。定时器一旦启动，它便在原来的数值基础上开始加1计数，若在程序开始时，我们没有设置TH0和TL0,它们的默认值都是0，假设时钟频率为12MHZ，12个时钟周期为一个机器周期，那么此时的机器周期就是1us，计满TH0和TL0就需要2X16-1,再来一个脉冲，计数器就溢出，随即向CPU申请中断。因此溢出一次的时间为65536us，约等于65.5ms，如果我们要定时50ms,此时就需要向TH0t和TL0里面先赋初值，在这个初值的基础上计50000个数后，定时器溢出，此时刚好就是50ms中断一次，如需要定时1S时，在写程序时当产生20次50ms的定时器中断后便认定是1s，这样便可以精确制定定时时间了。要定时50ms，即要计50000个数，TH0和TL0中应该装的总数是65536－50000＝15536，把15536对256求模：15536/256装入TH0中，把15536对256求余：15536%256装入TL0中就可以了。

以上就是定时器赋初值的计算方法，总结后可以得出以下结论：当用定时器的方式1时，设机器周期为t ,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/t，装放THX和TLX中的数分别为：

THX=(65536-N)/256 ,TLX=(65536-N)%256

要计算机器周期t,就需要知道系统的时钟频率，也就是单片机外接晶振的频率，实验板上的时钟频率为11.0592MHZ，那么机器周期为12X(1/11059200)=1.09us,若T=50ms.那么N=50000/1.09=45873,如果晶振为12MHX的话，用同样的方法算出来N=50000.

4程序举例

下面我们举一个例子，用单片机的定时器0、工作方式1和中断技术实现让L1以间隔1s的时间闪烁。

这里我们先总结一下，在使用定时器主要对定时器作相应的初始化，其步骤为：

（1）对TMOD赋值

选择计数或者定时

确定T0或T1的工作方式。

（2）计算初值,并将其写入TH0、TL0或TH1、TL1。

（3）使TR0或TR1置位，启动定时/计数器定时或计数。

（4）需使用中断方式时，则对IE等赋值，开放中断