【文章內容簡介】 單片機的定時 \計數(shù) 定時器 /計數(shù)器是單片機的重要功能模塊之一。在檢測、控制及智能儀器等應用中，常用定時器作實時時鐘，實現(xiàn)定時檢測、定時控制。還可用定時器產(chǎn)生毫秒寬的脈沖，驅動步進電機一類的電氣機械。計數(shù)器主 要用于外部事件的計數(shù)。 MCS51 單片機內部有兩個 16 位可編程定時器 /計數(shù)器，即定時器 T0 和定時器 T1，它們既可以用作定時器方式，又可用作計數(shù)器方式，可編程設定 4 種不同的工作方式。 定時器 \計數(shù)器的結構 定時 /計數(shù)器 T0、 T1 由加法計數(shù)器、 TMOD、 TCON 寄存器等組成。定時 /計數(shù)器的核心是 16 位加法計數(shù)器，定時 /計數(shù)器 T0 的加法計數(shù)器用特殊功能寄存器 TH0,TL0 表示， TH0 表示加法計數(shù)器的高 8 位， TL0 表示加法計數(shù)器的低 8 位， TH1 、 TL1 則表示定時 /計數(shù)器 T1 的加法計數(shù)器的高 8 位和低 8 位，這些寄存器可根據(jù)需要由程序讀寫。 當 16 位加法計數(shù)器的輸入端每輸入一個脈沖， 16 位加法計數(shù)器的值自動加 1，當計數(shù)器的計數(shù)值超過加法計數(shù)器字長所能表示的 2 進制數(shù)的范圍而向第 17 位進位，技術溢出時，定時中斷請求標志，像 CPU 申請中斷。 16 位加法計數(shù)器編程的選擇對內部時鐘脈沖進行計數(shù)和外部輸入脈沖計數(shù)。對內部脈沖計數(shù)時稱為定時方式，對外部脈沖計數(shù)時稱計數(shù)方式。 定時器 \計數(shù)器的四種工作方式 a) 工作方式 0——13 位計數(shù)器 T1 在工作方式 0 的邏輯結構如圖 36 所示，在這種工作方式下， 16 位的計數(shù) 器（ TH1和 TL1）只用了 13 位構成 13 位定時 /計數(shù)器。 TL1 的高 3 位未用，當 TL1 得低 5 位計滿時，向 TH1 進位，而 TH0 溢出后對中斷標志位 FT1 置 1，并申請中斷。 Y1 24M C3 22pF C4 22pF XTAL1 XTAL2 10 圖 36 工作方式 0—13 位計數(shù)器方式 當 C/T =0 時，多路開關打到上位，定時 /計數(shù)器的輸入端接內部振蕩器的 12 分頻，即工作在定時方式，每個計數(shù)脈沖的周期等于機器周期，當定時 \計數(shù)器溢出時，其定時時間為 T=計數(shù)次數(shù) ? 機器周期 =（ 132 T1 初值） ? 機器周期 當 C/T =1 時，多路開關打到下位，定時 /計數(shù)器接外部 T1 引腳信號，即工作在計數(shù)方式，當外部電平發(fā)生從 “1”到 “0”跳變時，加 1 計數(shù)器加 1。 b) 工作方式 1——16 位計數(shù)器 T1 在工作方式 1 的邏輯圖結構如圖 37 所示，它與工作方式 0 的差別僅在于工作方式1 是以 16 位計數(shù)器參與計數(shù)，且定時時間為 T=計數(shù)次數(shù) ? 機器周期 =（ 162 T1 初值） ? 機器周期 圖 37 工作方式 1—16 位計數(shù)器方式 工作方式與工作方式 0 基本工作過程相似，但由于工作方式 1 是 16 位計數(shù)器，因此，它比工作方式 0 有更寬的定時計數(shù)范圍。 c) 工作方式 2——8 位自動重裝入初值計數(shù)器 11 T1 在工作方式 2 的邏輯結構如圖 38 所示。 TL1 用作 8 位計數(shù)器， TH1 用來保護初值，每 當 TL1 計數(shù)溢出時，硬件自動將 TH1 的值裝入 TL1 中。工作方式 2 的定時時間為 T=計數(shù)次數(shù) ? 機器周期 =（ 82 T1 初值 ） ? 機器周期 振 蕩 器1 2 分 頻與或T H 1D 0 D 7T L 1D 0 D 7T F 1f o s cC / T = 0C / T = 1T R 1T 1 ( P 3 . 5 )G A T EI N T 1控 制（ 高 有 效 ）重 新裝 入中 斷請 求外 接 晶 體T 1 圖 38 工作方式 2——8 位自動重裝初值計數(shù)器 d) 工作方式 3——2 個獨立 8 位計數(shù)器 定時 /計數(shù)器工作方式 3 是兩個獨立的位計數(shù)器且僅 T0 有工作方式 3，如果把 T1置 為工作方式 3， T1 將處于關閉狀態(tài)。 T0 工作在方式 3 時， TL0 構成 8 位計數(shù)器可工作于定時 /計數(shù)狀態(tài)，并使用 T0 的控制位與 TF0 的中斷源。 TH0 則只能工作于定時器狀態(tài)，使用 T1 中的 TR TF1 的中斷源。 一般在系統(tǒng)需要增加一個額外的 8 位定時器時， T0 可設置為工作方式 3，此時T1 雖定義為工作方式 0、工作方式 1 和工作方式 2，但只能用在不需中斷控制的場合。 裝載初值的計算 當定時器 /計數(shù)器工作于定時狀態(tài)時，對機器周期進行計數(shù)，設單片機的晶振頻率為oscf 。單位 Hz，則一個機器周期為 12oscT f? （ 31） 若定時時間為 t，則對應的計數(shù)次數(shù) N= t機 器 周 期 （ 32） 由于 MCS51 單片機的定時器 \計數(shù)器是加 1 計數(shù)器，計滿回零，故對應定時時間 t應裝入的計數(shù)初值為 n2 N? (n 為工作方式選擇所確定的定時器位數(shù) )。 定時器 /計數(shù)器的定時 /計數(shù)范圍： 工作方式 0： 13 位定時 /計數(shù)方式，因此，最多可以寄到 2 的 13 次方，也就是 8192次。 12 工作方式 1： 16 位定時 /計數(shù)方式，因此，最多可以寄到 2 的 16 次方，也就是 865536次。 工作方式 2 和工作方式 3，都是 8 位的定時 \計數(shù)方式，因此，最多可以計到 2 的 8次方，也就是 256 次。 預置值計算：用最大計數(shù)量減去需要的計數(shù)辭舊即可。 T1 定時初值的設置 在確定了兩個定時器的設置后，需要計算定時器 T1 的計數(shù)初值，因選用 24M 晶振，T1 工作于方式 2,1 個機器周期 =12\晶振頻率 =12/24? 610 =，則方式 2 最大定時時間為 ? 256=128us ， 現(xiàn) 在 選 定 定 時 間 隔 為 100us ， 則 方 式 2 定 時 初 值 為82 100/=256200=56=38H,這樣當中斷次數(shù)為 1s/100us=10000 次時，歷時 1s。 電源模塊 電源電路設計 根據(jù)上述介紹設計，電源電路包括變壓器、整流電路、濾波電路 、穩(wěn)壓電路等模塊組成，使用 LED 進行電源工作狀態(tài)指示。 LM78XX 系列三端穩(wěn)壓 IC 來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜，因此使用 LM7805 穩(wěn)壓芯片進行 5V 的電源電路設計。具體的 5V電源電路如下圖 39 所示。 圖 39 5V 直流電源電路 放大整形模塊 因為在單片機計數(shù)中只能對脈沖波進行計數(shù)，而實際中需要測量頻率的信號是多種多樣的，可以是正弦波，三角波。而后面的閘門或計數(shù)電路要求被測信號為矩形波，所以需要設計一個整形電路把待測信號轉化為可以進行計數(shù)的脈沖波，在測量的時候，首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉化成矩形波。在整形之前由于不清楚被測信號的 13 強弱的情況。所以在通 過整形之前通過放大衰減處理。當輸入信號電壓幅度較大時，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當輸入信號電壓幅度較小時，前級輸入衰減為零時若不能驅動后面的整形電路，則調節(jié)輸入放大的增益，時被測信號得以放大。 2 2 0 u3 3 08 2 0去 7 4 L S 1 4輸 入 端+ 5 VV T 2V T 11 M1 . 2 K1 M0 . 2 u0 . 2 u0 . 1 u3 0 K5 6 2 0 0 pD 1D 2 圖 310 放大電路 前置放大采用兩級結型場效應管組成的電路，起脈沖放大作用。具有電路簡單、高頻、高輸入阻抗等特點。 選用施密特電路用于脈沖整形。將正弦波，三角波變換成方波。 因為單片機工作高電平為 5V，輸入 TO 口的矩形波的幅度必須最大為 5V，否則，會 使單片機燒壞。 施密特觸發(fā)器不同于其他各類觸發(fā)器，它具有以下特點： a) 施密特觸發(fā)器屬于電平觸發(fā)，對于緩慢變化的信號仍然適用，當輸入信號達到某一定電壓值時，輸出電壓會發(fā)生突變。 b) 輸入信號增加和減少時，電路有不同的閾值電壓，它具有如圖 312 所示的傳輸特性。 tv0v?TV ?TVOOHVOLV 圖 311 施密特電路的傳輸特性 選用芯片如圖 313 為 74LS14 六反向器施密特觸發(fā)器。 邏輯表達式 AY? 14 在集成門電路中，帶有施密特觸 發(fā)器輸入的反相器和與非門，如施密特 CMOS 六反相器 CC40106，施密特 TTL 四輸入雙與非門 CT5413/CT7413 等。集成施密特觸發(fā)器性能穩(wěn)定，應用廣泛，以 CMOS 集成施密特觸發(fā)器 CC40106 為例介紹其工作原理。 圖 312 74LS14 外引線排列圖 輸 入保 護1vT 1T 2T 5T 4T 3T 6T 7T 8T 9T 1 0T 1 1T 1 20v0v?DDVDDV施 密 特 電 路 整 形 級 緩 沖 級 (a) 電路圖 15 tv0vV T V T +O (b) 邏輯符號 (c) 傳輸特性曲線 圖 313 CMOS 集成施密特觸發(fā)器電路 (a) 電路圖 (b) 邏輯符號 (c) 傳輸特性曲線 由圖 313(ａ )可見，它由施密特電路、整形及和緩沖輸出級組成。 a) 施密特電路 施密特電路由 P 溝道 MOS 管 TP1～ TP N 溝道 MOS 管 TN4～ TN6 組成，設 P 溝道 MOS 管的開啟電壓 VGS 為 VTP， N 溝道 MOS 管開啟電壓 VGS 為 VTN，輸入信號 1v為三角波。 當 1v =0 時， TP TP2 導通， TN TN5 截止，電路中 ?39。v 為高電平（ ?39。v ≈ DDV ），TP9 截止， TN10 導通， 39。v 為低電平，使 TP11 導通， TN12 截止， OHVv ?? 。 ?39。v 使 TP7導通， TN8 截止，維持 ?39。v ≈ DDv ， ?39。v 的高電平同時使 TP3 截止， TN6 導通且工作于源極輸出狀態(tài)。即 TN5 的源極 TN4 的漏極電位 5sv ≈ 6TNDD VV ? ，該電位較高。 1v 電位逐漸升高，當 1v 4TNV 時， TN4 先導通，由于 TN5 其源極電壓 VS5 較大，即使 1v VDD/2， TN5 仍不能導通，直至 1v 繼續(xù)升高直至 TP TP2 趨于截止時，隨著其 1v內阻增大， ?39。v 和 5SV 才開始相應減少。 當 ?39。v 5SV ? 5TNV 時， TN5 導通，并引起如下正反饋過程： ??????? 55539。 ONGS Rvvv ? （ TN5 導通電阻） 5ONR 下降導致 ?39。v 下降，于是 TP TP2 迅速截止， ?39。v 為低電平，電路輸出狀態(tài)轉換為 0??v 。 ?39。v 的低電平使 TN6 截止， TP3 導通且工作于源極輸出器狀態(tài)， TP2 的 源極電壓vS2≈0VTP。 同理可分析，當 1v 逐漸下降時，電路工作過程與 1v 上升過程類似，只有當 │1v 2SV ││VTP│時，電路又轉換為 ?39。v 為高電平， ?v = OHV 的狀態(tài)。 在 VDDVTN +│VTP│的 條件下，電路的正向閾值電壓 VT+遠大于 VDD/2，且隨著 VDD 增加而增加。在 vⅠ 下降過程中的負向閾值電壓 VT也要比 VDD/2 低得多。 16 由上述分析可知，電路在 1v 上升和下降過程分別有不同的兩個閾值電壓，具有施密特電壓傳輸特性。 b) 整形級 整形級由 TP TP TP T10 組成，電路為兩個首尾相連的反相器。在 ?39。v 上升和下降過程中，利用兩級反相器的正反饋作用可使輸出波形有陡直的上升沿和下降沿。 c) 輸出級 輸出級為 TP11 和 TN12 組成的反相器，它不僅能起到與負載隔離的作用，而且提高了電路帶負載能力。 分頻器設計模塊 分頻電路分析 該部分的電路由起到閘門功能的與非門 74LS0起到分頻作用的 74LS393 和AT89C51 的內部 16 位計數(shù)器實現(xiàn)，電路中受到 引腳控制的二輸入與門用于實現(xiàn)閘門功能，當通過程序指令使 為高電平時，閘門被打開，在 1s 到時又發(fā)指令 為低電平，使得閘門關閉，這樣在閘門開啟的 1s 內，被測方波信號脈沖送至計數(shù)器 74LS393進行計數(shù)和分頻，該計數(shù)器是 雙 4 位二進制計數(shù)器，通過級聯(lián)使用，可以構成一個分頻比為 256 的分頻器，其中 為計數(shù)器和分頻器的清零端。配合 AT89C51 內部 16 位計數(shù)器使用，可以實現(xiàn)最大計數(shù)值 242 =1677 216，使得比單用 AT89C51 內部 16 位計數(shù)器的計數(shù)范圍大大拓寬。 74LS393 芯片介