「硬件小百科」单片机定时器与计数器

计数概念的引入

从选票的统计谈起：画“正”。这就是计数，生活中计数的例程处处可见。例：录音机上的计数器、家里面用的电度表、汽车上的里程表等等，再举一个工业生产中的例程，线缆行业在电线生产出来之后要计米，也就是测量长度，怎么测法呢？用尺量？不现实，太长不说，要一边做一边量呢，怎么办呢？行业中有很巧妙的办法，用一个周长是1米的轮子，将电缆绕在上面一周，由线带轮转，这样轮转一周不就是线长1米嘛，所以只要记下轮转了多少圈，就能知道走过的线有多长了。

计数器的容量

从一个生活中的例程看起：一个水盆在水龙头下，水龙没关紧，水一滴滴地滴入盆中。水滴持续落下，盆的容量是有限的，过一段时间之后，水就会逐渐变满。录音机上的计数器最多只计到999….那么单片机中的计数器有多大的容量呢？8031单片机中有两个计数器，分别称之为T0和T1，这两个计数器分别是由两个8位的RAM单元组成的，即每个计数器都是16位的计数器，最大的计数量是65536。

定时

8031中的计数器除了能作为计数之用外，还能用作时钟，时钟的用途当然很大，如打铃器，电视机定时关机，空调定时开关等等，那么计数器是如何作为定时器来用的呢？

一个闹钟，我将它定时在1个小时后闹响，换言之，也能说是秒针走了（3600）次，所以时间就转化为秒针走的次数的，也就是计数的次数了，可见，计数的次数和时间之间的确十分相关。那么它们的关系是什么呢？那就是秒针每一次走动的时间正好是1秒。

<单片机定时器记数器结构>

结论：只要计数脉冲的间隔相等，则计数值就代表了时间的流逝。由此，单片机中的定时器和计数器是一个东西，只不过计数器是记录的外界发生的事情，而定时器则是由单片机供给一个非常稳定的计数源。那么供给组定时器的是计数源是什么呢？看图1，原来就是由单片机的晶体震荡器经过12分频后获得的一个脉冲源。晶体震荡器的频率当然很准，所以这个计数脉冲的时间间隔也很准。问题：一个12M的晶体震荡器，它供给给计数器的脉冲时间间隔是多少呢？当然这很不难，就是12M/12等于1M，也就是1个微秒。结论：计数脉冲的间隔与晶体震荡器有关，12M的晶体震荡器，计数脉冲的间隔是1微秒。

溢出

让我们再来看水滴的例程，当水持续落下，盆中的水持续变满，最终有一滴水使得盆中的水满了。这个时候如果再有一滴水落下，就会发生什么现象？水会漫出来，用个术语来讲就是“溢出”。

水溢出是流到地上，而计数器溢出后将使得TF0变为“1”。至于TF0是什么我们稍后再谈。一旦TF0由0变成1，就是产生了变化，产生了变化就会引发事件，就象定时的时间一到，闹钟就会响一样。至于会引发什么事件，我们下次课再介绍，现在我们来研究另一个问题：要有多少个计数脉冲才会使TF0由0变为1。

任意定时及计数的办法

刚才已研究过，计数器的容量是16位，也就是最大的计数值到65536，因此计数计到65536就会产生溢出。这个没有问题，问题是我们现实生活中，经常会有少于65536个计数值的要求，如包装线上，一打为12瓶，一瓶药片为100粒，怎么样来满足这个要求呢？

提示：如果是一个空的盆要1万滴水滴进去才会满，我在开始滴水之前就先放入一勺水，还需要10000滴嘛？对了，我们采用预置数的办法，我要计100，那我就先放进65436，再来100个脉冲，不就到了65536了吗。定时也是如此，每个脉冲是1微秒，则计满65536个脉冲需时65.536毫秒，但现在我只要10毫秒就能了，怎么办？10个毫秒为10000个微秒，所以，只要在计数器里面放进55536就能了。

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单片机定时器计数器基本原理

目前常用的单片机中往往都配备了定时器/计数器。在AT89S52芯片内包含有三个16位的定时器/计数器：T0、T1和T2，其核心是加1计数器。我们主要要求掌握T0和T1的结构和功能。学习中要注意从电路结构上来理解功能的实现。定时器/计数器方式寄存器TMOD和定时器/计数器控制寄存器TCON是用以设定定时器/计数器的工作方式、定时或计数功能，控制启动或停止以及产生溢出中断的重要模块，应该对这两个寄存器中的逐位的定义和功能进行学习和掌握。

一、定时器/计数器的功能

AT89S52单片机定时器/计数器的基本部件是两个8位的计数器（T1计数器分为高8位TH1和低8位TL1，T0计数器的高8位是TH0，低8位是TL0）。如图1所示。

定时器/计数器的核心是一个加1计数器，在作定时器使用时，它对机器周期进行计数，每过一个机器周期计数器加1，直到计数器计满溢出。

当它用作对外部事件计数时，计数器接相应的外部输入引脚T0（P3.4）或T1（P3.5）并在每个机器周期的S5P2时采样，当采样到1—0的负跳变时，计数器加1。

二、定时器/计数器的结构

AT89S52单片机内部的定时/计数器的结构如图2所示。定时器T0由特殊功能寄存器TL0（低8位）和TH0（高8位）构成，定时器T1由特殊功能寄存器TL1（低8位）和TH1（高8位）构成。每个寄存器均可单独访问。

图2 定时器/计数器的内部结构

一、定时/计数的基本概念

定时和计数是日常生活和生产中最常见和最普遍的问题。

定时器和计数器功能基本上都是使用相同的逻辑实现的，而且这两个功能都包含输入的计数信号，本质上都是对脉冲计数。计数器用来计数并指示在任意间隔内输入信号（事件）的个数，而定时器则对规定间隔内输入的信号个数进行计数，用来指示经历的时间。

在单片机中，定时/计数器作定时功能用时，对机器周期计数（由单片机的晶体振荡器经过12分频后得到），因每次计数的周期是固定的，所以根据它计数的多少就可以很方便的计算出它计数的时间。如图1所示。

图1 计数与定时

二、溢出的基本概念

从一个生活中的例程看起：一个水盆在水龙头下，水龙头没关紧，水一滴滴地滴入盆中。盆的容量是有限的，水滴持续落下，盆中的水持续变满，最终有一滴水使得盆中的水满了，这就是“溢出”。

如果一个空的盆要1万滴水滴进去才会满，开始滴水之前可以先放入一部分水，叫做计数初值。如果现在要计数9000，那么可以先放入1000滴水，也就是计数初值为1000，再计数9000就可以溢出产生中断。

单片机中通常采用计数初值的办法，如果每个脉冲是1微秒，则计满256个脉冲需时256微秒，如果现在要定时100微妙，只要在计数器里面先放进156，然后计数100就可以就可以溢出产生中断了。如图2所示。

图2 定时器/计数器的溢出

三、定时/计数的主要方法

实现定时或计数，主要有三种方法。

（1）软件延时

软件延时利用微处理器执行一个延时程序段实现。因为微处理器执行每条指令都需要一定时间，通过指令的循环实现软件延时。软件定时具有不使用硬件的特点，但却占用了大量CPU时间。另外，软件定时精度不高，在不同系统时钟频率下，执行一条指令的时间不同，同一个软件延时程序的定时时间也会不同。

（2）硬件定时

硬件定时采用数字电路中的分频器将系统时钟进行适当分频产生需要的定时信号，也可以采用单稳电路或简易定时电路（如常用的555定时器）由外接RC（电阻、电容）电路控制定时时间。这样的定时电路较简单，利用不同分频倍数或改变电阻阻值、电容容值使定时时间在一定范围内改变。

（3）可编程的硬件定时

可编程定时器/计数器最大特点是可以通过软件编程来实现定时时间的改变，通过中断或查询方法来完成定时功能或计数功能。这种电路不仅定时值和定时范围可用程序改变，而且具有多种工作方式，可以输出多种控制信号，具备较强的功能。

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