1、MCS - 51單片機內部定時器單片機內部定時器/ 計數器計數器 及串行接口及串行接口一、一、 定時器定時器/計數器的結構及工作原理計數器的結構及工作原理 二、二、 方式和控制寄存器方式和控制寄存器 三、三、 工作方式工作方式四、四、 定時器定時器/計數器應用舉例計數器應用舉例 五、五、 MCS - 51單片機的串行接口單片機的串行接口六、六、 串行口的應用串行口的應用 在工業檢測、控制中，很多場合都要用到計數或者定時功能。例如對外部脈沖進行計數、產生精確的定時時間、作串行口的波特率發聲器等。MCS51單片機內部有兩個可編程的定時器/計數器，以滿足這方面的需要。它們具有 兩種工作模數（計數器模

2、式、 定時器模式）和四種工作方式（ 方式0、方式1、方式2、方式3），其控制字均在相應的特殊功能寄存器（SFR）中，通過對它的SFR的編程，可以方便的選擇工作模數和工作方式。 定時器/計數器： Timer/Counter 本質上都是加法計數器，當對固定周期的脈沖信號計數時是定時器，對脈沖長度不確定的信號計數時是計數器。 每接收到一個計數脈沖，加法計數器的值就加一，當計滿時發生溢出，并從0開始繼續計數。 加法計數器的計滿溢出信號就是定時/計數器的輸出，該信號使TCON的某位（TF0或TF1位）置一，作為定時器/計數器的溢出中斷標志。6.1 定時器定時器/計數器的結構及工作原理計數器的結構及工作原

3、理 圖圖 6.1 定時器定時器/計數器結構框圖計數器結構框圖 6.2 方式和控制寄存器方式和控制寄存器 一、一、 定時器定時器/計數器的方式寄存器計數器的方式寄存器TMOD 圖 6.2 TMOD各位定義 8位分為兩組，高四位控制T1，低4位控制T0。對對TMOD的各個位的說明：的各個位的說明：GATE位：門控位。位：門控位。GATE1時，T0、T1是否計數要受到外部引腳輸入電平的控制，INT0引腳控制T0，INT1引腳控制T1。可用于測量在INT0和INT1引腳出現的正脈沖的寬度。若GATE0，即不使能門控功能，定時計數器的運行不受外部輸入引腳INT0、INT1的控制。C/T位：計數器模式和定

4、時器模式的選擇位。位：計數器模式和定時器模式的選擇位。C/T0，為定時器模式，內部計數器對晶振脈沖12分頻后的脈沖計數，該脈沖周期等于機器周期，所以可以理解為對機器周期進行計數。從計數值可以求得計數的時間，所以稱為定時器模式。C/T1，為計數器模式，計數器對外部輸入引腳T0（P3.4）或T1（P3.5）的外部脈沖（負跳變）計數，允許的最高計數頻率為晶振頻率的1/24。M1 M0：四種工作方式的選擇位：四種工作方式的選擇位 表 6.1 工作方式選擇表 M1 M0 方式方式說說 明明0 0013 位定時器(TH的 8 位和TL的低 5 位） 0 1116 位定時器/計數器 1 02自動重裝入初值的

5、 8 位計數器 1 13 T0 分成兩個獨立的 8 位計數器, T1 在方式 3 時停止工作 定時器初值的確定定時器初值的確定： 加法計數器是計滿溢出時才申請中斷, 所以在給定時器/計數器賦初值時, 不能直接輸入所需的計數值, 而應輸入的是計數器計數的最大值與這一計數值的差值, 設最大值為 M, 計數值為 N, 初值為 X, 則 X的計算方法如下: 計數狀態: X=MN 定時狀態: X=M定時時間/T 而 T=12晶振頻率 二、二、 定時器定時器/計數器控制寄存器計數器控制寄存器TCON TF0、TF1分別是定時器/計數器T0、 T1 的溢出標志位, 加法計數器計滿溢出時置 1, 申請中斷,

6、在中斷響應后自動復 0。TF產生的中斷申請是否被接受, 還需要由中斷是否開放來決定。 TR1、TR0 分別是定時器 /計數器T1、 T0 的運行控制位, 通過軟件置 1 后, 定時器 /計數器才開始工作, 在系統復位時被清 0。 TF1TF1TR1TR1TF0TF0TR0TR0IE1IE1IT1IT1IE0IE0IT0IT06.3 工作方式工作方式 一、一、 方式方式 0 圖圖6.3 方式 0（13位計數器） 在方式0下，T0和T1工作在13位的定時/計數器方式，由TH的高 8 位和TL的低 5 位組成。 當T0的13位計數器加到全部為 1 以后，再加1就產生溢出，這時置TCON的TF0為 1

7、 ，同時把計數器全部變 0 ，然后從 0 開始繼續計數。 方式0的計數長度M為2的13次方。 初值也是13位二進制數，但要注意是高8位賦值給TH0，低5位前面補足 3 個 0 湊成 8 位賦給TL0。 例如，如要求計數值為1000，則初值為 xM100081921000 1C18H1 1100 000 1 1000B 則賦初值時，TH00E0H，TL018H。二、二、 方式方式1 圖 6.4 方式 1（16位計數器） 方式1和方式0的工作原理基本相同，唯一不同是T0和T1工作在方式1時是16位位的計數/定時器。 方式1時的計數長度計數長度M是2的16次方。16位的初值初值直接拆成高低字節，分別

8、送入TH和TL即可。三、方式三、方式 2圖 6.5 方式 2（初始常數自動重裝載） 工作方式0和工作方式1的最大特點就是計數溢出后，計數器為全0，因而循環定時或循環計數應用時就存在反復設置初值的問題，這給程序設計帶來許多不便，同時也會影響計時精度。 工作方式2就針對這個問題而設置，它具有自動重裝載功能，即自動加載計數初值，所以也稱為自動重加載工作方式。 在這種工作方式中，16位計數器分為兩部分，即以TL0為計數器，以TH0作為預置寄存器，初始化時把計數初值分別加載至TL0和TH0中，當計數溢出時，不再象方式0和方式1那樣需要“人工干預”，由軟件重新賦值，而是由預置寄存器TH以硬件方法自動給計數

9、器TL0重新加載。 四、四、 方式方式 3 圖 6.6 方式 3（兩個 8 位獨立計數器） 在工作方式3模式下，定時/計數器0被拆成兩個獨立的8位計數器TL0和TH0。其中TL0既可以作計數器使用，也可以作為定時器使用，定時/計數器0的各控制位和引腳信號全歸它使用。其功能和操作與方式0或方式1完全相同。TH0就沒有那么多“資源”可利用了，只能作為簡單的定時器使用，而且由于定時/計數器0的控制位已被TL0占用，因此只能借用定時/計數器1的控制位TR1和TF1，也就是以計數溢出去置位TF1，TR1則負責控制TH0定時的啟動和停止。 由于TL0既能作定時器也能作計數器使用，而TH0只能作定時器使用而

10、不能作計數器使用，因此在方式3模式下，定時/計數器0可以構成二個定時器或者一個定時器和一個計數器。 如果定時/計數器0工作于工作方式3，那么定時/計數器1的工作方式就不可避免受到一定的限制，因為自己的一些控制位已被定時/計數器借用，只能工作在方式0、方式1或方式2下，如果設置T1工作在方式3，則T1停止工作，相當于其他方式時令TR10。6.4 定時器定時器/計數器應用舉例計數器應用舉例 一、一、 方式方式 0 的應用的應用 例例 1 利用定時器輸出周期為 2 ms的方波, 設單片機晶振頻率為 6 MHz。 選用定時器 /計數器T0 作定時器, 輸出為P1.0 引腳, 2 ms 的方波可由間隔

11、1 ms的高低電平相間而成, 因而只要每隔 1 ms對 P1.0 取反一次即可得到這個方波。 定時 1 ms的初值: 因為 機器周期=126 MHz= 2 s所以 1 ms內T0 需要計數N次: N= 1 ms2 s = 500 由此可知: 使用方式 0 的 13 位計數器即可, T0 的初值X為 X=MN=8 192500=7 692=1E0CH 但是, 因為 13 位計數器中, 低 8 位 TL0 只使用了 5 位, 其余碼均計入高 8 位TH0 的初值, 則 T0 的初值調整為 TH0=0F0H, TL0=0CHTMOD初始化: TMOD=00000000B=00H （GATE=0, C

12、/T=0, M1=0, M0=0）TCON初始化: 啟動TR0=1 IE初始化: 開放中斷EA=1, 定時器T0 中斷允許ET0=1 程序清單如下: ORG 0000H AJMP START; 復位入口 ORG 000BH AJMP TOINT ; T0中斷入口 ORG 0030HSTART: MOV SP, 60H; 初始化程序 MOV TH0, 0F0H ; T0賦初值 MOV TL0, 0CH MOV TMOD, 00H SETB TR0 ; 啟動T0 SETB ET0 ; 開T0中斷 SETB EA ; 開總允許中斷 MAIN: AJMP MAIN ; 主程序 T0INT: CPL P

13、1.0 MOV TL0, 0CH MOV TH0, 0F0H RETI 二、二、 方式方式 1應用應用 方式 1 與方式 0 基本相同, 只是方式 1 改用了 16 位計數器。 要求定時周期較長時, 13 位計數器不夠用, 可改用 16 位計數器。 例例 2 已知某生產線的傳送帶上不斷地有產品單向傳送, 產品之間有較大間隔。使用光電開關統計一定時間內的產品個數。 假定紅燈亮時停止統計, 紅燈滅時才在上次統計結果的基礎上繼續統計, 試用單片機定時器 /計數器T1的方式 1完成該項產品的計數任務。 圖 6.7 硬件原理圖 (1) 初始化: TMOD=11010000B=0D0H （GATE=1,

14、C/T=1, M0M1=01） TCON=00H (2) T1在方式1時, 溢出產生中斷, 且計數器回零, 故在中斷服務程序中, 需用R0計數中斷次數, 以保護累積計數結果。 (3) 啟動T1計數, 開T1中斷。 程序清單如下: ORG 0000H AJMP START ; 復位入口 ORG 001BH AJMP T1INT ; T1中斷入口 ORG 0100H START: MOV SP, 60H ; 初始化程序 MOV TCON, 00H MOV TMOD, 0D0H MOV TH1, 00H MOV TL1, 00H MOV R0, 00H ; 清中斷次數計數單元 MOV P3, 28H

15、; 設置P3.5第二功能 SETB TR1 ; 啟動T1 SETB ET1; 開T1中斷 SETB EA ; 開總中斷 MAIN: ACALL DISP ; 主程序, 調顯示子程序 ORG 0A00H T1INT: INC R0 ; 中斷服務子程序 RETI DISP: ; 顯示子程序 RET 三、三、 方式方式 2 應用應用 方式 2 是定時器自動重裝載的操作方式, 在這種方式下, 定時器 0 和 1 的工作是相同的, 它的工作過程與方式 0、 方式 1 基本相同, 只不過在溢出的同時, 將 8 位二進制初值自動重裝載, 即在中斷服務子程序中, 不需要編程送初值, 這里不再舉例。定時器 T1

16、 工作在方式 2 時, 可直接用作串行口波特率發生器, 四、四、 方式方式 3 的應用的應用 定時器 T0 工作在方式 3 時是 2 個 8 位定時器 /計數器。 且TH0 借用了定時器 T1 的溢出中斷標志TF1和運行控制位 TR1。 例例 3 假設有一個用戶系統中已使用了兩個外部中斷源, 并置定時器 T1 于方式 2, 作串行口波特率發生器用, 現要求再增加一個外部中斷源, 并由 P1.0 口輸出一個 5K Hz的方波（假設晶振頻率為 6 MHz）。 在不增加其它硬件開銷時, 可把定時器/計數器 T0 置于工作方式 3, 利用外部引腳 T0端作附加的外部中斷輸入端, 把 TL0 預置為 0

17、FFH, 這樣在 T0 端出現由 1至 0 的負跳變時, TL0 立即溢出, 申請中斷, 相當于邊沿激活的外部中斷源。 在方式 3下, TH0 總是作 8 位定時器用, 可以靠它來控制由 P1.0 輸出的 5 kHz方波。 由 P1.0 輸出 5 kHz的方波, 即每隔 100 s使 P1.0 的電平發生一次變化。則TH0中的初始值 X=MN=256100/2=206。 下面是有關的程序。 MOV TL0, 0FFH MOV TH0, 206 MOV TL1, BAUD ; BAUD根據波特率要求設置常數 MOV TH1, BAUD MOV MOD, 27H ; 置T0工作方式3 ; TL0工

18、作于計數器方式 MOVTCON, 55H ; 啟動定時器 T0、 T1, 置外部中斷 0 和 1 ; 為邊沿激活方式MOVIE, 9FH ; 開放全部中斷 TL0 溢出中斷服務程序（由 000BH單元轉來）: TL0INT: MOV TL0, 0FFH ; 外部引腳 T0 引起中斷處理程序 RETITH0 溢出中斷服務程序（由 001BH轉來）: TH0INT: MOVTH0, 206 CPL P1.0 RETI此處串行口中斷服務程序、 外中斷 0和外中斷 1的中斷服務程序沒有列出。 6.5 MCS - 51單片機的串行接口單片機的串行接口 6.5.1 串行通信的基本概念串行通信的基本概念 并

19、行并行 和和 串行串行 并行通信的優點是速度快，效率高，確點是不適合遠距離通信。串行通信剛好相反。單工、半雙工單工、半雙工 和和 全雙工全雙工 單工：信息只能沿著一個方向傳播 半雙工：信息可以沿一條線雙向傳播，但不能同時實 現雙向傳播。 全雙工：使用兩條獨立的數據通道，收發可同時進行。 同步方式和異步方式同步方式和異步方式 (1) 同步方式是將一大批數據分成幾個數據塊, 數據塊之間用同步字符予以隔開, 而傳輸的各位二進制碼之間都沒有間隔。 其基本特征是發送與接收時鐘始終保持嚴格同步。 (2）異步通信是按幀傳送數據, 它利用每一幀的起、止信號來建立發送與接收之間的同步,每幀內部各位均采用固定的時

20、間間隔, 但幀與幀之間的時間間隔是隨機的。其基本特征是每個字符必須用起始位和停止位作為字符開始和結束的標志, 它是以字符為單位一個個地發送和接收的。 6.5.2 與串行口有關的特殊功能寄存器與串行口有關的特殊功能寄存器 1. 數據緩沖器數據緩沖器SBUF 串行口緩沖器SBUF是可直接尋址的特殊功能寄存器, 其內部RAM字節地址是99H。在物理上, 它對應著兩個獨立的寄存器, 一個發送寄存器, 一個接收寄存器。發送時, 就是CPU寫 SBUF的時候（51 系列單片機沒有專門的啟動發送狀態的指令）; 接收時, 就是讀取SBUF的過程, 接收寄存器是雙緩沖的, 以避免在接收下一幀數據之前, CPU未

21、能及時響應接收器的中斷, 沒有把上一幀數據讀走, 而產生兩幀數據重疊的問題。 2. 串行口控制寄存器串行口控制寄存器SCON SCON用于控制和監視串行口的工作狀態, 其各位定義如圖 5.3 所示。相應的各位功能介紹如下: SM0、SM1: 用于定義串行口的操作模式, 兩個選擇位對應 4 種模式,見表6.2。其中fOSC是振蕩器頻率, UART為通用異步接收和發送器的英文縮寫。 SM2: 多機通信時的接收允許標志位。 在模式 2 和 3 中, 若SM2 = 1, 且接收到的第 9 位數據（RB8）是 0, 則接收中斷標志（RI）不會被激活。在模式1中, 若SM2=1 且沒有接收到有效的停止位,

22、 則 RI不會被激活。 在模式 0 中, SM2 必須是 0。 表6.2 串行口操作模式選擇 SM0 SM1 模式 功 能 波特率 0 00 11 01 10101同步移位寄存器 8位UART 9位UART 9位UART fOSC/12 可變(T1溢出率) fOSC/64 或fOSC/32 可變(T1溢出率) 3. 電源控制寄存器電源控制寄存器PCON 特殊功能寄存器PCON中, 只有一位（最高位）SMOD與串行口的工作有關, 該位是串行口波特率系數的控制位: SMOD=1 時, 波特率加倍, 否則不加倍。 PCON的地址為 87H, 不可位尋址, 因此初始化時需要字節傳送。 6.5.3 串行

23、口的串行口的 4 種工作模式種工作模式 模式模式 0 同步移位寄存器輸入輸出模式，可外接移位寄存器，以擴展I/O口。 (1） 模式模式 0 輸出狀態。輸出狀態。 圖 6.8 外接移位寄存器輸出 (2） 模式模式 0 輸入狀態。輸入狀態。當滿足RI=0且REN0時，就啟動一次接收過程。 圖6.9 外接移位寄存器輸入 2. 模式模式 1 串行口工作于模式 1 時, 為波特率可變的 8 位異步位異步通信接口。數據位由 P3.0 (RXD)端接收, 由P3.1(TXD)端發送。 傳送一幀信息為 10 位: 一位起始位（0）, 8 位數據位（低位在前）和一位停止位（1）。波特率是可變的, 它取決于定時器

24、 T1 的溢出速率及SMOD的狀態。 (1） 模式 1 發送過程。 用軟件清除 TI后, CPU執行任何一條以 SBUF為目標寄存器的指令, 就啟動發送過程。數據由 TXD引腳輸出, 此時的發送移位脈沖是由定時器 /計數器 T1 送來的溢出信號經過 16 或 32 分頻而取得的。一幀信號發送完時, 將置位發送中斷標志TI=1, 向CPU申請中斷, 完成一次發送過程。 (2） 模式 1 接收過程。 用軟件清除 RI后, 當允許接收位 REN被置位 1 時, 接收器以選定波特率的 16 倍的速率采樣 RXD引腳上的電平, 即在一個數據位期間有 16 個檢測脈沖, 并在第 7、 8、9 個脈沖期間采

25、樣接收信號, 然后用三中取二的原則確定檢測值, 以抑制干擾。 并且采樣是在每個數據位的中間, 避免了信號邊沿的波形失真造成的采樣錯誤。當檢測到有從“1”到“0”的負跳變時, 則啟動接收過程, 在接收移位脈沖的控制下, 接收完一幀信息。 當最后一次移位脈沖產生時能滿足下列兩個條件: RI=0; 接收到的停止位為 1 或 SM2=0。 則停止位送入RB8，8位數據進入SBUF，并置RI1，完成一次接收過程。否則，所接收到的一楨信息將丟失，接收器復位，并從新開始檢測負跳變，以便接收下一楨信息。 注意：接收中斷標志RI應由軟件清除。 3. 模式模式 2 和模式和模式 3。 串行口工作于模式 2 和模式

26、 3 時, 被定義為 9 位異步位異步通信接口。 它們的每幀數據結構是 11 位的: 最低位是起始位（0）, 其后是 8 位數據位（低位在先）, 第 10 位是用戶定義位（SCON中的 TB8或 RB8）, 最后一位是停止位（1）。模式 2 和模式3 工作原理相似, 唯一的差別是模式 2 的波特率是固定的, 即為 f / 32或 fOSC / 64; 而模式 3的波特率是可變的, 與定時器 T1的溢出率有關。 (1） 模式 2和模式 3的發送過程。 發送過程是由執行任何一條 SBUF為目的寄存器的指令來啟動的。 由“寫入SBUF”信號把 8位數據裝入 SBUF, 同時還把 TB8 裝入發送移位

27、寄存器的第 9 位, 并通知發送控制器要求進行一次發送。發送開始, 把一個起始位（0）送到 TXD端。 移位后, 數據由移位寄存器送到TXD端。再過一位, 出現第一個移位脈沖。 第一次移位時, 把一個停止位“1”由控制器的停止位發生端送入移位寄存器的第 9 位。 此后, 每次移位時, 把 0 送入第 9 位。因此, 當 TB8 的內容送到移位寄存器的輸出位置時, 其左面一位是停止位“1”, 而再往左的所有位全為“0”。 這種狀態由零檢測器檢測到后, 就通知發送控制器作最后一次移位, 然后置 TI=1, 請求申請中斷。第 9 位數據（TB8）由軟件置位或清零, 可以作為數據的奇偶校驗位, 也可以

28、作為多機通信中的地址、數據標志位。如把 TB8 作為奇偶校驗位, 可以在發送程序中, 在數據寫入 SBUF之前, 先將數據位寫入 TB8。 (2） 模式2和模式3接收過程。 與模式 1類似, 模式 2和模式 3接收過程始于在 RXD端檢測到負跳變時,為此, CPU以波特率 16倍的采樣速率對 RXD端不斷采樣。一檢測到負跳變, 16分頻計數器就立刻復位, 同時把1FFH寫入輸入移位寄存器。計數器的16個狀態把一位時間等分成16份, 在每一位的第7、8、9個狀態時, 位檢測器對 RXD端的值采樣。如果所接收到的起始位無效（為1）,則復位接收電路, 等待另一個負跳變的到來。 若起始位有效（為 0）

29、則起始位移入移位寄存器, 并開始接收這一幀的其余位。 當起始位 0 移到最左面時, 通知接收控制器進行最后一次移位。 把 8 位數據裝入接收緩沖器 SBUF, 第 9 位數據裝入SCON中的 RB8, 并置中斷標志RI=1。 裝入 SBUF和 RB8以及置位 RI的信號只有在產生最后一個移位脈沖且同滿足下列兩個條件, 才會產生: RI=0; SM2 =0 或接收到的第 9 位數據為“1”。 上述兩個條件中任一個不滿足, 所接收的數據幀就會丟失, 不再恢復。 兩者都滿足時, 第 9 位數據裝入 TB8, 前 8 位數據裝入 SBUF。 請注意: 與模式 1 不同, 模式 2 和 3 中裝入 RB

30、8 的是第 9 位數據, 而不是停止位。所接收的停止位的值與SBUF、 RB8 和 RI都沒有關系, 利用這一特點可用于多機通信中。 6.5.4 多機通信多機通信 圖 6.10 多處理機通信系統 6.5.5 波特率波特率 串行口每秒鐘發送或接收的數據位數稱為波特率。 假設發送一位數據所需時間為T, 則波特率為 1/T。 (1) 模式 0 的波特率等于單片機晶振頻率的 1/12, 即每個機器周期接收或發送一位數據。 (2) 模式 2 的波特率與電源控制器PCON的最高位SMOD的寫入值有關: 即SMOD=0, 波特率為(1/64) fOSC; SMOD=1, 波特率為（1/32）fOSC。 64

31、22SMOD晶振頻率的波特率模式 (3) 模式 1 和模式 3 的波特率除了與SMOD位有關之外, 還與定時器 T1 的溢出率有關。 定時器 T1 作為波特率發生器, 常選用定時方式 2（ 8 位重裝載初值方式）, 并且禁止 T1 中斷。此時 TH1 從初值計數到產生溢出, 它每秒鐘溢出的次數稱為溢出率。 于是 ) 1256(12322322131THfTOSCSMODSMOD的溢出率的波特率或模式表表 6.3 定時器定時器T1產生的常用波特率產生的常用波特率 假設某MCS - 51 單片機系統, 串行口工作于模式 3, 要求傳送波特率為1 200 Hz, 作為波特率發生器的定時器T1工作在方

32、式 2 時, 請求出計數初值為多少？ 設單片機的振蕩頻率為6 MHz。 因為串行口工作于模式 3 時的波特率為 ) 1256(123223THfOSCSMOD的波特率模式所以 )2/32(122561SMODOSCfTH波特率當SMOD=0 時, 初值TH1=256-6106/(1 2001232/1) =243=0F3H當SMOD=1 時, 初值TH1=256-6106/（12001232/2) =230=0E6H 6.6 串行口的應用串行口的應用 一、一、 串行口的編程串行口的編程 串行口需初始化后, 才能完成數據的輸入、輸出。其初始化過程如下: (1) 按選定串行口的操作模式設定SCON

33、的SM0、SM1兩位二進制編碼。 (2) 對于操作模式 2 或 3, 應根據需要在 TB8 中寫入待發送的第 9 位數據。 (3) 若選定的操作模式不是模式 0, 還需設定接收/發送的波特率。 設定SMOD的狀態, 以控制波特率是否加倍。 若選定操作模式1或3, 則應對定時器 T1進行初始化以設定其溢出率。 二、二、 串行口的應用串行口的應用 例例1 用 8051 串行口外接 74LS165 移位寄存器擴展8位輸入口, 輸入數據由 8 個開關提供, 另有一個開關 K提供聯絡信號。電路示意如圖6.11 所示。當開關K合上時, 表示要求輸入數據。輸入 8 位開關量, 處理不同的程序。 圖 6.11 程序如下程序如下: ST