７.１定時(shí)／計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)和工作原理本７.１.１定時(shí)／計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)定時(shí)／計(jì)數(shù)器的實(shí)質(zhì)是１６位加１計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)值滿、產(chǎn)生溢出時(shí)，產(chǎn)生定時(shí)或計(jì)數(shù)中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序。每個(gè)定時(shí)／計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)數(shù)值由兩個(gè)８位寄存器，分成高８位和低８位進(jìn)行存儲(chǔ)。定時(shí)／計(jì)數(shù)器Ｔ０的計(jì)數(shù)值，由ＴＨ０和ＴＬ０兩個(gè)寄存器存儲(chǔ)；定時(shí)／計(jì)數(shù)器Ｔ１的計(jì)數(shù)值，由ＴＨ１和ＴＬ１兩個(gè)寄存器存儲(chǔ)。５１單片機(jī)定時(shí)／計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)框圖如圖７.１所示。ＴＭＯＤ是定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作方式寄存器，由它確定定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作方式和功能；ＴＣＯＮ是定時(shí)／計(jì)數(shù)器的控制寄存器，用于控制Ｔ０、Ｔ１的啟動(dòng)和停止以及設(shè)置溢出標(biāo)志。下一頁返回７.１定時(shí)／計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)和工作原理本７.１.２定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作原理當(dāng)定時(shí)／計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的是一個(gè)固定時(shí)間時(shí)，其完成的是定時(shí)功能，計(jì)數(shù)產(chǎn)生的數(shù)值可以換算成對(duì)應(yīng)的時(shí)間；當(dāng)定時(shí)／計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的是一個(gè)外部脈沖時(shí)間，完成的是計(jì)數(shù)功能，統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)就是外部脈沖次數(shù)。因此，定時(shí)／計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸入脈沖有兩個(gè)來源：一個(gè)是定時(shí)脈沖，通過對(duì)５１單片機(jī)內(nèi)振蕩器的輸出脈沖１２分頻得到，即每個(gè)機(jī)器周期使定時(shí)器（Ｔ０或Ｔ１）的數(shù)值加１；另一個(gè)是計(jì)數(shù)脈沖，通過Ｔ０或Ｔ１引腳產(chǎn)生的下降沿得到。上一頁下一頁返回７.１定時(shí)／計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)和工作原理本當(dāng)５１單片機(jī)為計(jì)數(shù)工作模式時(shí)，通過引腳Ｔ０（Ｐ３.４）和Ｔ１（Ｐ３.５）對(duì)外部脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)。當(dāng)輸入脈沖信號(hào)產(chǎn)生由１至０的下降沿時(shí)，計(jì)數(shù)器的值加１。在每個(gè)機(jī)器周期的Ｓ５Ｐ２期間采樣Ｔ０和Ｔ１引腳的輸入電平，若前一個(gè)機(jī)器周期采樣值為１，下一個(gè)機(jī)器周期采樣值為０，則計(jì)數(shù)器加１。此后的機(jī)器周期Ｓ３Ｐ１期間，新的數(shù)值裝入計(jì)數(shù)器。所以，檢測(cè)一個(gè)１至０的跳變需要兩個(gè)機(jī)器周期，故最高計(jì)數(shù)頻率為振蕩頻率的１／２４。不管是定時(shí)還是計(jì)數(shù)工作模式，定時(shí)器Ｔ０或Ｔ１在對(duì)內(nèi)部時(shí)鐘或?qū)ν獠渴录?jì)數(shù)時(shí)，不占用ＣＰＵ時(shí)間，除非定時(shí)／計(jì)數(shù)器溢出，才可能中斷ＣＰＵ當(dāng)前操作。因此，定時(shí)器是單片機(jī)中效率高而且工作靈活的部件。上一頁返回７.２定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作方式寄存器和控制寄存器７.２.１工作方式寄存器ＴＭＯＤ工作方式寄存器ＴＭＯＤ（Ｔｉｍｅｒ／ＣｏｕｎｔｅｒＭｏｄｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ），用于設(shè)置Ｔ０和Ｔ１的工作方式，其中低４位用于設(shè)置Ｔ０，高４位用于設(shè)置Ｔ１，字節(jié)地址為８９Ｈ，不能按位尋址，定義格式如表７.１所示。ＴＭＯＤ各位分別介紹如下：（１）Ｃ／Ｔ：定時(shí)／計(jì)數(shù)器的功能選擇位。（２）Ｍ１Ｍ０：定時(shí)／計(jì)數(shù)器四種工作方式的設(shè)置位，如表７.２所示。（３）ＧＡＴＥ：門控位。下一頁返回７.２定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作方式寄存器和控制寄存器７.２.２控制寄存器ＴＣＯＮＴＣＯＮ的低４位用于控制外部中斷，已在前面介紹。ＴＣＯＮ的高４位用于控制定時(shí)／計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)和設(shè)置中斷標(biāo)志位，其格式如表７.３所示。前面已介紹過ＴＣＯＮ除可以字節(jié)尋址外，還可以位尋址，字節(jié)地址為８８Ｈ。上一頁返回７.３定時(shí)／計(jì)數(shù)器的４種工作方式及應(yīng)用Ｔ０或Ｔ１可以通過ＴＭＯＤ中的Ｃ／Ｔ位設(shè)置成定時(shí)或計(jì)數(shù)功能；通過Ｍ１Ｍ０位，可以將Ｔ０或Ｔ１設(shè)置成４種工作方式。Ｔ０有４種工作方式，Ｔ１有３種工作方式，見表７.２。前３種工作方式，Ｔ０和Ｔ１除所使用的寄存器對(duì)應(yīng)二進(jìn)制位不同外，其余操作和含義完全相同。７.３.１方式０的工作原理及應(yīng)用當(dāng)ＴＭＯＤ的Ｍ１Ｍ０位設(shè)置為００時(shí)，Ｔ０或Ｔ１就工作在方式０，方式０的結(jié)構(gòu)圖見圖７.３。以Ｔ０為例介紹方式０的工作情況。當(dāng)Ｔ０工作在方式０時(shí)，其計(jì)數(shù)值由ＴＬ０的低５位和ＴＨ０的８位，共１３位組成，ＴＬ０的高３位未用。當(dāng)ＴＨ０的最高位溢出時(shí)，即Ｔ０的１３位計(jì)數(shù)值滿溢出時(shí)，硬件自動(dòng)將ＴＣＯＮ的ＴＦ０位置１，向ＣＰＵ發(fā)出中斷請(qǐng)求。下一頁返回７.３定時(shí)／計(jì)數(shù)器的４種工作方式及應(yīng)用當(dāng)Ｔ０工作在定時(shí)模式時(shí)，每計(jì)數(shù)加１，就消耗１個(gè)機(jī)器周期時(shí)間，Ｔ０最多能計(jì)２１３＝８１９２個(gè)數(shù)，就對(duì)應(yīng)消耗８１９２個(gè)機(jī)器周期時(shí)間。定時(shí)時(shí)間ｔ對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)數(shù)值Ｎ為：７.３.２方式１的工作原理及應(yīng)用當(dāng)ＴＭＯＤ的Ｍ１Ｍ０位設(shè)置為０１時(shí)，相應(yīng)的Ｔ０或Ｔ１工作在方式１，方式１的結(jié)構(gòu)圖見圖７.４。方式１與方式０的差別僅在于計(jì)數(shù)位數(shù)的不同，方式１為１６位計(jì)數(shù)器。Ｔ０由高８位ＴＬ０和低８位ＴＨ０組成；Ｔ１由高８位ＴＨ１和低８位ＴＬ１組成。上一頁下一頁返回７.３定時(shí)／計(jì)數(shù)器的４種工作方式及應(yīng)用的計(jì)數(shù)值Ｎ與式（７－１）計(jì)算相同；但其設(shè)置的初值變?yōu)椋玻保度pＮ，如式（７－４）。當(dāng)定時(shí)程序使用查詢方式實(shí)現(xiàn)時(shí)，注意：（１）ＣＰＵ要不停檢測(cè)標(biāo)志位ＴＦ，當(dāng)檢測(cè)到ＴＦ為１時(shí)，ＣＰＵ轉(zhuǎn)去處理定時(shí)情況，因此ＣＰＵ工作效率不高。（２）ＣＰＵ不是通過中斷程序處理定時(shí)情況時(shí)，ＴＦ標(biāo)志位由軟件清０而不是由硬件自動(dòng)清０。上一頁下一頁返回７.３定時(shí)／計(jì)數(shù)器的４種工作方式及應(yīng)用２.程序流程圖例７.３的程序流程圖如圖７.７所示。當(dāng)定時(shí)程序使用中斷方式實(shí)現(xiàn)時(shí)，注意：（１）程序初始化時(shí)，將中斷允許位總位和相應(yīng)子位設(shè)置為１，開放中斷。（２）當(dāng)中斷條件滿足時(shí)，ＣＰＵ自動(dòng)從主程序轉(zhuǎn)到中斷程序入口處執(zhí)行，不需要查詢標(biāo)志位ＴＦ。（３）當(dāng)ＣＰＵ從中斷程序退出時(shí)，硬件自動(dòng)將ＴＦ０清０，不需要軟件干預(yù)，而查詢實(shí)現(xiàn)時(shí)需要軟件清０。７.３.３方式２的工作原理及應(yīng)用上一頁下一頁返回７.３定時(shí)／計(jì)數(shù)器的４種工作方式及應(yīng)用當(dāng)ＴＭＯＤ的Ｍ１Ｍ０位設(shè)置為１０時(shí)，Ｔ０或Ｔ１工作在方式２。在方式２中，Ｔ０或Ｔ１是一個(gè)可自動(dòng)重載的８位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，方式２的結(jié)構(gòu)圖見圖７.８。在程序初始化時(shí)，ＴＬ０和ＴＨ０被賦相同初值。定時(shí)器啟動(dòng)后，由ＴＬ０負(fù)責(zé)計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí)，除中斷標(biāo)志位ＴＦ０被置１，ＴＨ０中的數(shù)值還被自動(dòng)重新裝載到ＴＬ０，繼續(xù)循環(huán)計(jì)數(shù)。在這種情況下，程序中減少了重新設(shè)置定時(shí)數(shù)值的語句，產(chǎn)生精確的定時(shí)時(shí)間，特別適合于脈沖信號(hào)發(fā)生器，如串行口波特率的發(fā)生器，串行通信技術(shù)細(xì)節(jié)見第８章。上一頁下一頁返回７.３定時(shí)／計(jì)數(shù)器的４種工作方式及應(yīng)用７.３.４方式３的工作原理及應(yīng)用當(dāng)ＴＭＯＤ最低兩位的Ｍ１Ｍ０位設(shè)置為１１時(shí)，Ｔ０工作在方式３，Ｔ０工作在方式３的結(jié)構(gòu)圖如圖７.９所示。Ｔ１無方式３，若將Ｔ１設(shè)置為方式３，Ｔ１就會(huì)立即停止計(jì)數(shù)，同時(shí)保持原有計(jì)數(shù)值。在方式３中，Ｔ０被拆成２個(gè)８位的獨(dú)立計(jì)數(shù)器ＴＬ０和ＴＨ０。ＴＬ０沿用原Ｔ０的各控制位、引腳和中斷源，即原Ｔ０的ＧＡＴＥ、Ｃ／Ｔ、ＴＲ０啟動(dòng)位、ＴＦ０中斷標(biāo)志位、Ｔ０引腳Ｐ３.４和外部中斷引腳ＩＮＴ０（Ｐ３.２）。ＴＬ０計(jì)數(shù)溢出時(shí)，ＴＦ０自動(dòng)由硬件置１，向ＣＰＵ發(fā)出請(qǐng)求。ＴＬ０可以當(dāng)作８位的定時(shí)器或計(jì)數(shù)器使用，與Ｔ０的方式０、方式１的區(qū)別僅在于它是８位的計(jì)數(shù)器。上一頁下一頁返回７.３定時(shí)／計(jì)數(shù)器的４種工作方式及應(yīng)用ＴＨ０沿用了原Ｔ１的ＴＲ１啟動(dòng)位和ＴＦ１中斷標(biāo)志位，啟動(dòng)／關(guān)閉ＴＨ０僅通過ＴＲ１控制，外部中斷引腳ＩＮＴ０和ＩＮＴ１不會(huì)對(duì)ＴＨ０的啟動(dòng)／關(guān)閉產(chǎn)生任何影響。從圖７.９中可以看出，ＴＨ０只能當(dāng)作８位定時(shí)器使用，而不能進(jìn)行外部計(jì)數(shù)。當(dāng)Ｔ０工作在方式３時(shí)，Ｔ１也會(huì)有計(jì)數(shù)溢出，但因ＴＦ１被ＴＨ０占用，所以Ｔ１無法向ＣＰＵ提出中斷請(qǐng)求。所以，當(dāng)Ｔ０工作在方式３時(shí)，Ｔ１計(jì)數(shù)溢出情況只能用于不需要中斷的場(chǎng)合，如串行通信波特率發(fā)生器。當(dāng)Ｔ１用作串行通信波特率發(fā)生器時(shí)，Ｔ１被設(shè)置成計(jì)數(shù)初值自動(dòng)重載的方式２，Ｔ１的溢出情況不需要中斷處理，只需要提供溢出率，將溢出率進(jìn)行１６分頻或３２分頻后作為串行發(fā)送或接收的移位脈沖，此移位脈沖的速率即波特率。上一頁下一頁返回７.３定時(shí)／計(jì)數(shù)器的４種工作方式及應(yīng)用２.電路圖電路圖如圖７.１１所示。Ｃ語言參考程序如下：７.３.５定時(shí)／計(jì)數(shù)器的外部中斷擴(kuò)展及示例定時(shí)器是單片機(jī)中效率高而且工作靈活的部件，可以實(shí)現(xiàn)如下功能：（１）較短定時(shí)和較長(zhǎng)定時(shí)。如例７.２方波發(fā)生器定時(shí)５０ｍｓ的情況，為較短定時(shí)，１次定時(shí)中斷即可完成；例７.３定時(shí)１ｓ的情況，為較長(zhǎng)定時(shí)，需要中斷２０次才完成定時(shí)時(shí)間。上一頁下一頁返回７.３定時(shí)／計(jì)數(shù)器的４種工作方式及應(yīng)用（２）計(jì)數(shù)。如例７.４，流水線上的計(jì)數(shù)打包信號(hào)。（３）用于外部中斷擴(kuò)展，如例７.６。２.電路圖電路圖如圖７.１２所示：上一頁返回７.４綜合實(shí)驗(yàn)———設(shè)計(jì)一個(gè)帶蜂鳴器的６０秒計(jì)時(shí)器７.４.１蜂鳴器的工作原理蜂鳴器是微處理電路中常用的一種發(fā)聲裝置，類似一種小型喇叭。蜂鳴器的聲音是通過蜂鳴器里的彈簧片振動(dòng)而產(chǎn)生，蜂鳴器類似一塊電磁鐵，電流流過時(shí)產(chǎn)生激磁現(xiàn)象，蜂鳴器里的彈簧片被吸??；電流消失時(shí)，彈簧片被放開，彈簧片由此振動(dòng)而產(chǎn)生聲音。根據(jù)振動(dòng)頻率情況，蜂鳴器一般有電壓型與脈沖型兩類，電壓型蜂鳴器通電就能發(fā)聲，其頻率固定。脈沖型蜂鳴器必須加入脈沖才會(huì)發(fā)聲，其聲音頻率就是加入脈沖的頻率，本書使用的是脈沖型蜂鳴器。７.４.２６０秒計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模ǎ保┱莆辗澍Q器發(fā)聲原理。（２）掌握單片機(jī)定時(shí)器與數(shù)碼管綜合使用的方法。下一頁返回７.４綜合實(shí)驗(yàn)———設(shè)計(jì)一個(gè)帶蜂鳴器的６０秒計(jì)時(shí)器二、實(shí)驗(yàn)要求假設(shè)單片機(jī)的晶振頻率為１２ＭＨｚ。設(shè)計(jì)一個(gè)６０秒計(jì)時(shí)器，初始數(shù)碼管從“００”開始顯示，每隔１ｓ增加１，顯示到“５９”后，再從“００”顯示；蜂鳴器每隔１０ｓ，發(fā)出頻率為０.５ｋＨｚ的“嗶、嗶”兩聲。Ｐ２是數(shù)碼管的段選線，Ｐ１.０和Ｐ１.１是數(shù)碼管的位選線，Ｐ１.０為個(gè)位的掃描信號(hào)，Ｐ１.１為十位的掃描信號(hào)。Ｐ０.０控制蜂鳴器每隔１０ｓ發(fā)出“嗶、嗶”兩聲。三、電路圖電路圖如圖７.１３所示。四、設(shè)計(jì)流程上一頁下一頁返回７.４綜合實(shí)驗(yàn)———設(shè)計(jì)一個(gè)帶蜂鳴器的６０秒計(jì)時(shí)器１.思路與計(jì)算用Ｔ０定時(shí)，每秒數(shù)碼管加１，使用方式１，計(jì)數(shù)值Ｎ＝５００００（即５０ｍｓ），中斷２０次為１ｓ。２.程序流程６０秒定時(shí)器的程序流程圖如圖７.１４所示。五、程序設(shè)計(jì)上一頁返回圖７.１定時(shí)／計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)框圖返回圖７.２對(duì)輸入脈沖寬度的要求返回表７.１工作方式寄存器ＴＭＯＤ返回表７.２Ｍ１Ｍ０設(shè)置的４種工作方式返回圖７.３Ｔ０（或Ｔ１）工作方式０結(jié)構(gòu)圖———１３位計(jì)數(shù)器返回表７.３定時(shí)／計(jì)數(shù)器控制寄存器ＴＣＯＮ的高４位（字節(jié)地址為８８Ｈ）返回圖７.４Ｔ０（或Ｔ１）工作方式１結(jié)構(gòu)圖———１６位計(jì)數(shù)器返回圖７.