单片机原理及应用：定时器与计数器中断

news2024/12/25 23:54:06

时间概念

中断结构

引脚

TCON

TMOD

时间概念

在一般单片机中，有2个16位可编程的硬件计数模块T0和T1，我们称其为计数器或定时器，顾名思义，该模块可以实现定时和计数两种功能，其功能由软件控制和切换。实质这个定时器/计数器就是一个累加计数器，定时器的累加信号是由单片机内部振荡器的12分频信号产生，每过一个机器周期，定时器就加1，直至计满溢出结束；计数器就是对来自单片机外部的事件进行计数，外部计数事件由脉冲引入，单片机的P3.4(T0)和P3.5(T1)为外部计数脉冲输入端了，外部计数脉冲的频率不能高于晶振频率的1/24。

在上文中出现了几个时间概念，如时钟周期、晶振频率等，下面是这些概念的解释：

晶振具有压电效应，即在晶片两极外加电压后晶体会产生变形，反过来如外力使晶片变形，则两极上金属片又会产生电压。如果给晶片加上适当的交变电压，晶片就会产生谐振，利用该特性，晶振可以提供较稳定的脉冲，我们将这个脉冲的频率称为晶振频率。
时钟周期是由晶振电路决定的时钟控制信号的基本时间单位，它和晶振频率互为倒数。在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。
每12个时钟周期为1个机器周期，在1个机器周期内，CPU可以完成一个基本操作。每一条代码指令都可以分为几个机器周期，在每个机器周期完成取指令、读或写数据等基本操作。
1个机器周期包括12个时钟周期，分6个状态：S1～S6，每个状态又分两拍：P1和P2。因此，一个机器周期中的12个时钟周期可以表示为S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、……S6P2。
以6MHz晶振频率为例，它的时钟周期为166.7ns，机器周期为2μs。

在使用定时器计数器时，通常需要先初始化定时器的各个参数，如预分频系数、计数模式等。然后，通过启动定时器，它会开始计时并不断递增计数器的值。当计数器的值达到设定的目标值时，可以触发相应的中断或执行一些其他操作。作为一类中断源，我们需要理解它的中断请求结构和设置方式。

中断结构

引脚

由电路图可得，P3.4引脚与定时/计数器0相连，P3.5引脚与定时/计数器1相连，但是定时器依靠单片机内部晶振信号工作，所以这两个引脚实际上只用于计数工作。

TCON

位地址和名称与外部中断的控制寄存器相同，只是从低四位换成了高四位，这里对低四位的外部中断控制就不进行赘述了，感兴趣的朋友可以参照笔者先前的文章单片机原理及应用：中断系统结构与控制寄存器

地址	88H	8FH	8EH	8DH	8CH	8BH	8AH	89H	88H
名称	TCON	TF1	TR1	TF0	TR0	IE1	IT1	IE0	IT0

TF1和TF0位分别表示定时器1和定时器0的溢出标志位。当定时器溢出时，对应的溢出标志位会被置1，之后会向CPU发送执行命令请求，在接收请求后，由硬件或软件清零。

TR1和TR0位用于控制定时器1和定时器0的开始/停止操作。当TR1或TR0位被置1时，对应的定时器开始计数；当TR1或TR0位被清零时，对应的定时器停止计数。

TMOD

全称为工作方式控制寄存器，为定时器/计数器独有的控制方式。

地址	D0H	D7H	D6H	D5H	D4H	D3H	D2H	D1H	D0H
名称	TMOD	GATE	C/T	M1	M0	GATE	C/T	M1	M0

高四位控制T1，低四位控制T0。

M1	M0	工作模式	描述
0	0	0	兼容8048单片机的13位定时器，THn的8位和TLn的5位组成一个13位定时器。
0	1	1	THn和TLn组成一个16位的定时器。
1	0	2	8位自动重装模式，定时器溢出后THn重装到TLn中。
1	1	3	禁用定时器1，定时器0变成2个8位定时器。

下面对四种工作模式进行说明：

工作方式0称为13位定时/计数器方式。它由16位定时器储存寄存器中的TL（0/1）的低5位和TH（0/1）的8位构成了13位的计数器，此时TL（0/1）的高3位未用。当门控位GATE=0时，或门输出始终为1，与门被打开，由TR0控制定时/计数器的启动和停止。

工作方式1是一个由TH0中的8位和TL0中的8位组成的16位加1计数器。方式1与方式0基本相似，最大的区别是方式1的加1计数器位数是16位。

工作方式2是一个能自动装入初值的8位加1计数器，TH0中的8位用于存放定时初值或计数初值，TL0中的8位用于加1计数器。加1计数器溢出后，硬件使TF0自动置1，同时自动将TH0中存放的定时初值或计数初值再装入TL0，继续计数。

工作方式3分为两个独立的8位加1计数器TH0和TL0。TL0既可用于定时，也能用于计数；TH0只能用于定时。

需要注意定时器0有四种工作方式，而定时器1只有三种工作方式。这是因为在工作方式3下，T1的控制位TR1、TF1和中断源被T0占用，而T1无法反过来占用T0的资源。

在了解了工作方式后，我们需要对不同的工作方式赋予对应的初值。由于人的反应速度要远小于单片机的运行速度，即使是最大的定时器容量也只有不到0.1s，所以在程序中我们常用for循环多次重置初值来进行定时或计数，下面是一个举例，具体应用会发布在后续文章当中。

比如我们选用了一款晶振频率为12MHz的单片机，它的机器周期为1μs，要求每隔一秒执行一次程序，那我们可以先把1s分为10份或20份，每份就是100ms或50ms。之后我们选择合适的工作方式，在这里选用工作方式1，从零开始计数的话，工作方式1最大定时为65536μs，也就是六十多ms。根据就近原则，我们采取20次for循环，然后让定时器每50ms将溢出标志位置1。定时初值计算公式就是65536-50000=15536，再将15536/256=60……176，60转为二进制计入TH0为0011 1100，十六进制即0x3c；TL0为1011 0000，十六进制即0xb0。