51单片机-实现定时器模块教程

本章概述思维导图：

51单片机驱动定时器模块

CPU时序简介

CPU时序定义了CPU内部操作的时间节奏，以下从四个时序周期进行逐步解析；

1、振荡周期

振荡周期：CPU内部时钟源产生的最小时间单位，由晶振或内部振荡器决定；

公式为：T osc=1 / f osc； f osc为时钟频率

作用为：所有操作的基础时间单位，CPU所有动作均同步于此信号。

2、状态周期

状态周期：部分CPU（如8051）将振荡周期分为两个状态（高电平与低电平），每个状态周期包含两个振荡周期

公式为：T state=2×T osc；

3、机器周期

机器周期：完成一个基本操作（如取指、读写内存）所需的时间，由多个状态周期或振荡周期组成；1个机器周期=6个状态周期=12个振荡周期（以8051为列）；

公式为：T machin=6×T state=12×Tosc

作用：CPU执行指令的阶段性时间单位，所有指令均由若干机器周期组成。

4、指令周期

指令周期：执行一条完整指令所需要的全部时间，包含取指、解码、执行等阶段。

公式为：指令周期=N个机器周期（1<= N <=4）

简单指令（如NOP）：1个机器周期

复杂指令（如乘法）：4个机器周期（8051为例）

例如：外接晶振为12MHZ时，51单片机相关周期的具体值为：

振荡周期：1/12us;

状态周期：1/6us;

机器周期：1us;

指令周期：1us-4us;

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定时器简介

51单片机定时器原理

定时原理的核心：机器周期与计数频率；

机器周期：51单片机执行一条单周期指令所需的时间（如12个振荡周期，假设时钟频率为12MHZ时，机器周期为1us）;

定时器计数频率：定时器的计数频率为机器周期的倒数，即每过一个机器周期，定时器计数值加1；公式为：f timer =1 / T machin；若T machin=1us,则f timer=1MHZ(即每秒计数1000000次)

51单片机定时器工作模式

STC89C51RC/RD+系列单片机内部设置的两个16位定时器/计数器T0和T1都具有计数方式和定时方式两种工作方式。对每个定时器/计数器(TO和T1)，在特殊功能寄存器TMOD中都有一控制位一C/T来选择T0或T1为定时器还是计数器。定时器/计数器的核心部件是一个加法(也有减法)的计数器，其本质是对脉冲进行计数。只是计数脉冲来源不同:如果计数脉冲来自系统时钟，则为定时方式，此时定时器/计数器每12个时钟或者每6个时钟得到一个计数脉冲，计数值加1;如果计数脉冲来自单片机外部引脚(T0为P3.4,T1为P3.5)，则为计数方式，每来一个脉冲加1。

51单片机通常有4种工作模式（通过TMOD寄存器配置），常用模式为模式1（16位定时器）和模式2（8位自动重装）。

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| 模式 | 位数 | 特点 |
| 模式0 | 13位 | 定时器使用THx的高5位和TLx的低8位（最大计数值8192） |
| 模式1 | 16位 | 定时器使用THx和TLx组成的16位计数器（最大计数值65536） |
| 模式2 | 8位自动 | TLx为8位计数器，溢出后自动将THx的值重装到TLx（适合固定周期定时） |
| 模式3 | 分裂模式 | 定时器0为8位自动重装，定时器1停止（仅52系列支持） |

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1、模式0（13位定时器/计数器）

结构特点：

位数：13位（THX的高5位+TLX的低8位）

最大计数值：2的13次方=8192

寄存器组合：

THX的高5位（D3~D7）参与计数，TLX的8位全部参与计数

计数范围：0x0000-0x1FFF(十六进制)

应用场景：适用于需要较短定时时间（<8192个机器周期）且对精度要求不高的场景。

代码示例：测量外部脉冲宽度（需结合GATE=1和INTx引脚）。

TMOD = 0x00; // T0模式0（M1=0, M0=0） 
TH0 = 0xF0; // 高5位初值（假设计数16个机器周期） 
TL0 = 0x00; // 低8位初值 
TR0 = 1; // 启动T0

2、模式1（16位定时器/计数器）

结构特点：

位数：16位（THX和TLX各8位）

最大计数值：2的16次方=65536

寄存器组合：

THX和TLX共组成16位计数器

计数范围：0x0000-0xFFFF

应用场景：最常用模式，适用于需要较长定时时间（如毫秒级、秒级定时）。

代码示例：LED闪烁（50ms中断一次）、PWM信号生成（需结合中断服务程序）。

TMOD = 0x01; // T0模式1（M1=0, M0=1） 
TH0 = 0x3C; // 初值高8位（50ms定时，机器周期1μs） 
TL0 = 0xB0; // 初值低8位 
TR0 = 1; // 启动T0

3、模式2（8位自动重载定时器 / 计数器）

结构特点：

位数：8位（仅TLX参与计数，THX为重载值寄存器）

最大计数值：2的8次方=256

自动重载：

TLX溢出后，硬件自动将THX的值重装到TLX，无需软件干预。

计数范围：0x00-0xFF(TLX),重载值由THX设定。

应用场景：适用于需要固定周期中断的场景（如串口波特率生成、LED呼吸灯）。

代码示例：生成1kHz PWM信号（周期1ms，需250个机器周期）。

TMOD = 0x02; // T0模式2（M1=1, M0=0） 
TH0 = 0x9C; // 重载值（250个机器周期，对应1ms） 
TL0 = 0x9C; // 初始值（首次计数从0x9C开始） 
TR0 = 1; // 启动T0

4、模式3（定时器0的分裂模式）

结构特点：

仅支持T0，T1不支持此模式

分裂为两个8为计数器：

TL0：独立的8位计数器，由TR0控制启动，使用T0的溢出标志TF0。

TL1：独立的8为计数器，由TR1控制启动（需占用T1的TR1位），使用T1的溢出标志TF1。

应用场景：适用于需要同时控制两个独立定时器的场景（如双通道PWM输出）。

代码示例：TL0生成PWM1，TH0生成PWM2（需配合T1的中断标志）。

TMOD = 0x03; // T0模式3（M1=1, M0=1）
TH0 = 0x3C; // TH0初值（独立计数器） 
TL0 = 0xB0; // TL0初值（独立计数器） 
TR0 = 1; // 启动TL0 
TR1 = 1; // 启动TH0（需注意：T1的TR1被占用）

定时器模式总结

|-------------|-----|-------|--------------|---------------|
| 模式 | 位数 | 最大计数值 | 特点 | 适用场景 |
| 模式0 | 13位 | 8192 | 结构简单，计数范围小 | 短时间定时、外部信号测量 |
| 模式1 | 16位 | 65536 | 计数范围大，精度高 | 长时间定时、PWM信号生成 |
| 模式2 | 8位 | 256 | 自动重载，无需软件干预 | 固定周期中断、波特率生成 |
| 模式3 | 分裂 | 2×8位 | T0分裂为两个独立计数器 | 多通道定时、双PWM输出 |

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定时器寄存器介绍

TMOD（定时器/计数器模式控制寄存器）

功能：控制定时器/计数器的工作模式，分为高四位（控制T1）和低四位（控制T0）

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| 位 | 名称 | 功能描述 |
| D7 | GATE | 门控位（T1）。GATE=1时，T1启动需同时满足TR1=1且INT1引脚为高电平；GATE=0时，仅TR1控制启动。 |
| D6 | C/T | 功能选择位（T1）。C/T=0为定时器模式（对内部时钟计数），C/T=1为计数器模式（对外部脉冲计数）。 |
| D5-D4 | M1/M0 | 工作方式选择位（T1）： - 方式0（00）：13位定时器/计数器。 - 方式1（01）：16位定时器/计数器。 - 方式2（10）：8位自动重载定时器/计数器。 - 方式3（11）：仅T0支持，分为两个8位计数器；T1不支持。 |
| D3 | GATE | 门控位（T0），功能同T1的GATE位。 |
| D2 | C/T | 功能选择位（T0），功能同T1的C/T位。 |
| D1-D0 | M1/M0 | 工作方式选择位（T0），功能同T1的M1/M0位。 |

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TCON（定时器/计数器控制寄存器）

功能：控制定时器/计数器的启动、停止及溢出标志

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| 位 | 名称 | 功能描述 |
| D7 | TF1 | T1溢出标志位。计数溢出时硬件置1，需软件清零（中断方式下自动清零）。 |
| D6 | TR1 | T1运行控制位。TR1=1时启动T1，TR1=0时停止T1。 |
| D5 | TF0 | T0溢出标志位，功能同TF1。 |
| D4 | TR0 | T0运行控制位，功能同TR1。 |
| D3-D0 | 外部中断相关位 | 用于控制外部中断，与定时器无关。 |

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THx/TLx（定时器高/低8位寄存器）

功能：存储定时器/计数器的计数值，分为：TH0/TL0对应T0的高8位和低8位。TH1/TL1对应T1的高8位和低8位。

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定时器配置

定时器配置步骤：

1、对TMOD寄存器赋值，以确定T0或T1的工作方式（模式）

2、根据所要定时的时间计算初值，并将其写入TH0、TL0或TH1、TL1

3、如果使用中断，则对EA开启总中断，开启定时器对应中断允许位

4、使TR0或TR1置位，启动定时/计数器定时或计数；

示例：定时50毫秒配置

TMOD=0x01;    //设置定时器TO工作模式为1
/*计算初值步骤为：
第一步、    根据时钟源频率计算振荡周期    1/11.0592us；
第二步、    根际振荡周期计算出机器周期    12*(1/11.0592)us
第三步、    根据延时时间50ms除以机器周期时间得出要计时为46080次
第四步、    根据定时器模式1计数的最高定时次数65536减去要计时的次数为19456；
第五步、    得到初值为19456转换为16进制，分别分配给TH0和TL0寄存器上
*/
TH0=0x4c；    
TL0=0x00；
EA=1；        //开启总中断
TR0=1；       //开启TR0寄存器启动定时器

定时器硬件电路原理图分析

定时器是MCU内置的功能，在开发板中并没有电路连接。这里用LED灯模块电路实现500毫秒闪烁；

可分析出有8个LED灯分别为D1~D8；LED灯左侧连接高电平VCC，LED灯右侧连接排阻在连接51单片机的P20~P27编号引脚；51单片机P20~P27编号引脚分别对应51芯片P2.0引脚~P2.7引脚；所以要得LED灯点亮电路中51单片机P2.0引脚~P2.7引脚输出低电平形成电势差；

定时器模块软件编程设计

实现定时器定时500毫秒LED灯实现闪烁

第一步：首先进行定时器配置，并且封装成函数；

第二步：在主函数中实现定时器的判断并且进行对应的操作

代码示例：

#include "reg52.h"
typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;
#define LED P2		//LED灯宏定义
void TIM0_Init(void)//函数封装：定时器0初始化，定时时间为50毫秒
{
	TMOD=0x01;		//开启定时器0的模式1：16位定时
	TH0=0x4C;		//初值高八位存放0x4c
	TL0=0x00;		//初值第八位存放0x00
	TR0=1;			//开启定时器0
}
int main()
{
	u16 i=0;		//记录延时次数
	TIM0_Init();	//定时50毫秒定时器0配置
	LED=0x00;		//LED灯初始化为点亮
	while(1)
	{
	  if(TF0)		//定时器时间到
	  {
	  	TF0=0;		//软件清0
		TH0=0x4C;	//高八位存放0x4c
		TL0=0x00;	//第八位存放0x00
		i++;	  	
	  }
	  if(i==10)
	  {
	  	i=0;		//次数到，清零重新计数
		LED=~LED;	//LED灯翻转实现闪烁
	  }
	}
}

实现定时器定时500毫秒LED灯闪烁（要求：中断方式实现）

第一步：首先进行定时器配置，并且封装成函数；

第二步：创建定时器中断服务函数

第三步：在主函数中进行定时器配置函数等申明

代码示例：

#include "reg52.h"
typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;
#define LED P2		//LED灯宏定义
void TIM0_Init(void)//函数封装：定时器0初始化，定时时间为50毫秒
{
	TMOD=0x01;		//开启定时器0的模式1：16位定时
	TH0=0x4C;		//初值高八位存放0x4c
	TL0=0x00;		//初值第八位存放0x00
	ET0=1;			//开启定时器0中断
	EA=1;			//开启总中断
	TR0=1;			//开启定时器0
}
void TIM0_ET0()	interrupt 1
{
	static u8 i=0;
		TF0=0;			//软件清零
		TH0=0x4C;		//初值高八位存放0x4c
		TL0=0x00;		//初值第八位存放0x00
		i++;
		if(i==10)
		{
			LED=~LED;
			i=0;
		}	

}	
int main()
{
	TIM0_Init();
	while(1)
	{
	  
	}
}

定时器定时500毫秒LED灯实现闪烁效果展示

定时器模块实现定时500毫秒LED灯闪烁

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