定時(shí)器／計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)及工作原理是什么

一、什么是單片機(jī)定時(shí)器

單片機(jī)定時(shí)器其實(shí)跟我們平時(shí)常說(shuō)的計(jì)數(shù)器，是同一個(gè)電子元件，只不過(guò)計(jì)數(shù)器記錄的是單片機(jī)外部情況，所接收的也是外部脈沖，而定時(shí)器則是由單片機(jī)自身提供的一個(gè)非常穩(wěn)定的計(jì)數(shù)器，這個(gè)穩(wěn)定的計(jì)數(shù)器就是單片機(jī)上連接的晶振部件。

二、單片機(jī)定時(shí)器的類型

在單片機(jī)中，分為軟件定時(shí)器，不可編程硬件定時(shí)器，可編程定時(shí)器。

1、軟件定時(shí)：CPU每執(zhí)行一條指令時(shí)，是需要固定時(shí)間的，所以，通過(guò)執(zhí)行空指令可以達(dá)到延時(shí)的效果，這樣子做的代價(jià)是占用CPU時(shí)間，所以一般很少這么做。

2、不可編程硬件定時(shí)器：是由電路和硬件來(lái)完成定時(shí)功能的，一般采用基本電路，外接定時(shí)部件（電阻和電容），通過(guò)改變電阻的阻值和電容的電容值來(lái)修改定時(shí)值，一旦確定后件不能通過(guò)軟件修改，這樣子做的優(yōu)點(diǎn)是不需要占用CPU時(shí)間。

3、可編程定時(shí)器：通過(guò)軟件來(lái)確定定時(shí)值及其范圍，可編程定時(shí)器功能強(qiáng)大，靈活性高。這是本文詳細(xì)講解的定時(shí)器。

MCS 51 單片機(jī)內(nèi)部帶有兩個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(8052 則有 3 個(gè))， 以及一個(gè)全雙工的異步通信串行接口，這給用戶帶來(lái)了極大的方便。本文介紹 8051 系列單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和串行口的結(jié)構(gòu)及工作原理。

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)及工作原理

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器實(shí)質(zhì)上是加法計(jì)數(shù)器，當(dāng)它對(duì)具有固定時(shí)間間隔的內(nèi)部機(jī)器周期進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)，它是定時(shí)器;當(dāng)它對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)，它是計(jì)數(shù)器。

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的基本結(jié)構(gòu)如圖 6.1 所示。

圖 6.1 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)框圖

圖中，基本部件是兩個(gè) 8 位的計(jì)數(shù)器，其中 TH1 、TL1 是 T1 的計(jì)數(shù)器，TH0 、TL0 是 T0 的計(jì)數(shù)器。TH1 和 TL1 、TH0 和 TL0 構(gòu)成兩個(gè) 16 位加法計(jì)數(shù)器，它的工作狀態(tài)及工作方式由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作方式寄存器 TMOD 及定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制寄存器 TCON 的各位決定。工作狀態(tài)有定時(shí)和計(jì)數(shù)兩種 ， 由 TMOD 中的一位控制 。工作方式有方式 0~3 共四種 ，由 TMOD 中的兩位編碼決定 。TMOD 和 TCON 的內(nèi)容 由軟件寫(xiě)入。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的輸出是加法計(jì)數(shù)器的計(jì)滿 出信號(hào)，它使 TCON 的某位(TF0 或 TF1) 置 1，作為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的溢出中斷標(biāo)志。

當(dāng)加法計(jì)數(shù)器的初值被設(shè)置，用指令改變 TMOD 和 TCON 的 內(nèi)容后，就會(huì)在下一條 指令的第一個(gè)機(jī)器周期的 S1P1 時(shí)按設(shè)定的方式自動(dòng)進(jìn)行工作。

工作方式在后面討論，這里先討論定時(shí)和計(jì)數(shù)工作狀態(tài)。在作定時(shí)器使用時(shí)，輸入的時(shí)鐘脈沖是由晶體振蕩器的輸出經(jīng) 12 分頻后得到的，所 以定時(shí)器可看做是對(duì)計(jì)算機(jī)機(jī)器周期的計(jì)數(shù)器(因?yàn)槊總€(gè)機(jī)器周期包含 12 個(gè)振蕩周期，故每個(gè)機(jī)器周期定時(shí)器加 1 ，可以把輸入的時(shí)鐘脈沖看成機(jī)器周期信號(hào))， 故其頻率為晶振頻率的 1/12 。如晶振頻率為 12 MHz，則定時(shí)器每接收一個(gè)輸入脈沖的時(shí)間為 1 μs 。

當(dāng)它用作對(duì)外部事件計(jì)數(shù)時(shí)，接相應(yīng)的外部輸入端 T0(P3.4) 或 T1(P3.5)。 在這種情況下 ，當(dāng)檢測(cè)到輸入端的電平由高跳變到低時(shí)，計(jì)數(shù)器就加 1(它在每個(gè)機(jī)器周期 的 S5P2 時(shí)采樣外部輸入 ，當(dāng)采樣值在這個(gè)機(jī)器周期為高，在下一個(gè)機(jī)器周期為低時(shí)，則計(jì)數(shù)器加 1)。 加 1 操作發(fā)生在檢測(cè)到這種跳變后的一個(gè)機(jī)器周期中的 S3P1 ，因此需要兩個(gè)機(jī)器周期來(lái)識(shí)別一個(gè)從“1”到“0”的跳變，故最高計(jì)數(shù)頻率為晶振頻率的 1/24 。這就要求輸入信號(hào)的電平要在跳變后至少應(yīng)在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)保持不變，以保證在給定的電平再次變化前至少被采樣一次。

這里要注意的是：加法計(jì)數(shù)器是計(jì)滿溢出時(shí)才申請(qǐng)中斷，所以在給計(jì)數(shù)器賦初值時(shí)，不能直接輸入所需的計(jì)數(shù)值，而應(yīng)輸入的是計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的最大值與這一計(jì)數(shù)值的差值，設(shè) 最大值為 M，計(jì)數(shù)值為 N，初值為 X，則 X 的計(jì)算方法如下：

計(jì)數(shù)狀態(tài)：X=M-N

定時(shí)狀態(tài)：X=M-定時(shí)時(shí)間/T

其中 T=12÷晶振頻率