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1、项目7 简易频率计的设计,知识目标 1.了解定时/计数器的结构及其工作原理；2.掌握单片机的定时/计数器控制方式；3.掌握应用单片机进行频率测试控制的原理。能力目标：1.能根据设计任务要求编制数显频率计数器的程序，理解程序对计数器的控制原理；2.会利用电路仿真软件绘制数显频率计数器的电路原理图；3.会用keil C51软件对源程序进行编译调试及与protues软件联调，实现电路仿真。,任务1 方波信号发生器设计,用AT89S51的P1口做输出口，编写程序，从P1.1引脚输出周期为500Hz的方波,本任务采用AT89S51单片机,利用定时/计数器T0通过P1.1引脚输出周期为500Hz的方波。,
2、1提出任务,任务说明,2分析任务,选择具有内部程序存储器的AT89S51单片机作为控制电路，从P1.1引脚输出周期为500Hz的方波信号。硬件电路原理图如图7.1所示。,（1）硬件电路设计,图7.1 方波信号发生器电路图,2、分析任务,（2）软件设计思路,从P1.1引脚输出周期为500Hz的方波信号，实际就是要产生周期为2ms的方波，只要每1ms将信号的幅值由0变到1或由1变到0即可，可采用取反指令来实现。为了提高CPU的效率，可采用定时中断的方式，每1ms产生一次中断，在中断服务程序中将输出信号取反即可。在电路中采用了晶振频率为12MHz的晶振。定时器T0的中断入口地址为000BH。计算计数
3、初值：对于定时1ms来说，用定时器方式0(13位定时器)就可实现。机器周期为：Tp=12/晶振频率=12/12MHz=1S,2、分析任务,时间常数为：,计数初值为：,则其高8位为E0H，低5位为18H，故TH0=0 xE0，TL0=0 x18。确定TMOD方式字：对于定时器T0来说，M1M0=00H、C/T=0、GATE=0。定时器T1不用，取为全0。于是TMOD=00000000=0 x00,2、分析任务,程序在定时器初始化之后，即进入虚拟的主程序，暂停等待定时器溢出中断。这种主程序处于暂停状态等待中断的方法一般只用于例题程序，而在实际系统中则很少采用，因为这涉及到CPU的效率。还有一点要注
4、意：当采用方式0、1、3时，只要不关闭定时/计数器，那么每当计数器0溢出时，都需要重新装入计数初值，以保证计数值不变。,需要说明的是：,3源程序编写,编写的源程序如下：,/plj7-1.c#include/定义头文件sbit P1_1=P11;void timer0(void)interrupt 1/定时器0中断服务程序 TH0=0 xE0;TL0=0 x18;/装入时间常数P1_1=!P1_1;/P1.1取反 void main(void),TMOD=0 x00;/定时器0方式0TH0=0 xE0;TL0=0 x18;/装入时间常数TR0=1;/启动定时器TF0=0;EA=1;/开全局中断
5、ET0=1;/开定时器0中断 while(1);/主程序死循环，空等待,2分析任务,4程序调试与电路仿真,运行C语言编辑软件，在编辑区中输入上面的源程序，并以“plj7-1.c”为文件名存盘。运行Keil C51，然后建立一个“plj7-1.uv2”的工程项目。把源程序文件“plj7-1.c”添加到工程项目中，进行编译，得到目标代码文件“plj7-1.hex”。运行Proteus，在编辑窗口中绘制如图7.1所示的电路图并存盘。然后选中单片机AT89s51，左键点击AT89s51，出现如图7.2所示的对话框，在Program File后面的“”按钮，找到刚才编译好的“plj7-1.hex”文件，
6、然后点击“OK”就可以进行仿真了。点击模拟调试按钮的运行按钮“”，进入调试状态。,2分析任务,图7.2 Keil C51程序编译与Proteus电路连接,2分析任务,程序执行后可以在示波器上显示以下波形：,图7.3程序执行后P1.1输出波形,任务2 简易数显频率计数器的设计,任务说明,频率的测量实际上就是在1个单位时间内（通常1S）对信号脉冲进行计数，计数值就是信号频率。,1.提出任务,用AT89S51设计一个数显频率计数器对0300KHz的方波信号进行测量，信号从P3.5引脚输入，P1、P2口做输出口，接一个8位LED数码管，编写程序，测出从P3.5引脚输入的方波信号的频率并显示出来。,2.
7、分析任务,电路组成：,（1）硬件电路设计,仍然选用 AT89S51单片机作为控制核心，1个8位共阳数码管作为输出显示端。AT89S51的P0口接数码管的段码控制，其中P0.0P0.6分别连接数码管的AG引脚，P0.7连接DP端，低电平有效。P2口接数码管位码选通部分，P2.0口控制第1个数码管，一直到P2.7口控制第8个，高电平有效。硬件电路原理图如图7.4所示。,2.分析任务,要使8位数码管显示实现动态显示，实际上就是通过P2口输出控制信号轮流选通数码管，共阳型数码管公共端为高电平方可选通，因此要求P2口由P2.0到P2.7依次输出高电平，然后在数码管段码控制端口P0按照一定规律送出要显示的
8、数字09。,电路分析：,2.分析任务,数显频率计电路图：,图7.4 数显频率计电路图,2.分析任务,在计数器工作方式下，加至外部引脚的待测信号发生从1到0的跳变时计数器加1。外部输入在每个机器周期被采样一次，这样检测一次从1到0的跳变至少需要2个机器周期（24个振荡周期），所以最大计数速率为时钟频率的124（使用12 MHz时钟时，最大计数速率为500 kHz），也就是说使用12 MHz时钟的AT89S51单片机设计的频率计数器系统，所测的信号的频率不能大于500 kHz，若大于则必须通过分频器分频才能测试，而本次任务的要求是对0300KHz的信号进行测量，所以可以直接进行。,（2）软件设计思
9、路,2.分析任务,利用AT89S51单片机的T0、T1的定时计数器功能，来完成对输入的信号进行频率计数。设置定时器0工作在定时方式1，定时1S，并产生方波信号从P1.1引脚输出。设置定时器1工作在计数方式1，对输入脉冲进行计数，溢出产生中断。将定时器1中断定义为优先。由于16位二进制加法计数器的最大计数值为65535，1S之内可能会产生多次溢出，所以需要在中断处理程序里对中断次数进行计数。1S到后，将中断次数和计数器里的计数值取出进行综合数据处理，处理后的数据送显示。,2.分析任务,由于定时器T0工作在定时方式时最大的定时时间大约为65ms，若要定时1S，可以采用定时20ms，中断50次来完成
10、1s的定时。对于定时20ms来说,用定时器方式1可实现。机器周期为：Tp=12/晶振频率=12/12MHz=1S 计数初值为：X=2n-TC=216-20000=45536=B1E0H故TH0=B1H,TL0=E0H。,定时器T0的计数初值：,信号频率的计算：,T1工作在计数方式时最大的计数值为216，若假设1S内溢出C1次，最后未溢出的计数值为C2，则F=C1*216+C2=C1*65536+（TH1*256+TL1）。,3.源程序编写,/plj7-2.c#include#include#define uchar unsigned charuchar display_code=0 xC0,0
11、 xF9,0 xA4,0 xB0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xF8,0 x80,0 x90,0 xff;/定义数组存放显示数据的编码uchar display_data8=0,0,0,0,0,0,0,0;/定义数组存放显示数据的各位uchar c1,b1;sbit P1_1=P11;,void delay(void)/延时 uchar i;for(i=500;i0;i-);void display()/显示程序 uchar i,k;k=0 x01;for(i=0;i8;i+)P2=0;P0=display_codedisplay_datai;P2=k;k=k1;,编写的源程序如下
12、：,3.源程序编写,delay();P2=0;void convert()/转换程序uchar i,f2;long f,f1,k;f=c1*65536+TH1*256+TL1;f1=f-f%10;/此变量是为了让八位LED的高位为0时不显示而设置for(i=7;i0;i-)/此循环将计数值转换为显示数组，从高位到低位依次存放在/display_data0至display_data7display_datai=f%10;f=f/10;,display_data0=f;k=1e7;/从这开始到本子程序结束的语句完成让八位LED的高位为0时不显示for(i=0;i7;i+)f2=f1/k;if(f2
13、=0)display_datai=10;k=k/10;,编写的源程序如下：,3.源程序编写,void timer1(void)interrupt 3/定时器1中断服务程序 c1+;void timer0(void)interrupt 1/定时器0中断服务程序 TH0=0 xb1;/装入时间常数TL0=0 xe0;P1_1=!P1_1;/P1.1取反，从P1.1引脚输出25Hz的方波信号，通过导线连接/到P3.5引脚输入，以方便调试程序。若使用其它信号源，则去掉即可。if(b1=49),convert();c1=0;/将计数值清零b1=0;TH1=0;TL1=0;else b1+;,编写的源程序
14、如下：,3.源程序编写,void main(void)/主函数P0_1=0;c1=0;b1=0;TH1=0;TL1=0;TMOD=0 x51;TH0=0Xb1;TL0=0Xe0;IE=0 x8a;TCON=0 x50;while(1)display();,编写的源程序如下：,4.程序调试与电路仿真,仿真软件的使用见项目二，程序编写、编译及电路绘制的过程与本章任务一大致相同。将Keil C51程序编译过程中建立的plj7-2.hex文件添加进Proteus中的单片机芯片，如图7.5，点击模拟调试按钮的运行按钮“”，进入调试状态。此时可看到数码管显示25。,4.程序调试与电路仿真,图7.5 添加p
15、lj7-2.hex文件进单片机芯片,知识链接,80C51单片机内部定时器/计数器结构如图7.6所示。内部设有两个16位的可编程定时器/计数器。可编程是指其功能（如工作方式、定时时间、量程、启动方式等）均可由指令来确定和改变。在定时器/计数器中除了有两个16位的计数器之外，还有两个特殊功能寄存器（控制寄存器和方式寄存器）。,1单片机内部定时器/计数器简介,图7.6 80C51单片机内部定时器/计数器结构图,知识链接,从图7.6可看出，16位的定时/计数器分别由两个8位专用寄存器组成，即：T0由TH0和TL0构成；T1由TH1和TL1构成。其访问地址依次为8AH-8DH。每个寄存器均可单独访问。这
16、些寄存器是用于存放定时或计数初值的。此外，其内部还有一个8位的定时器方式寄存器TMOD和一个8位的定时控制寄存器TCON。这些寄存器之间是通过内部总线和控制逻辑电路连接起来的。TMOD主要是用于选定定时器的工作方式；TCON主要是用于控制定时器的启动停止，此外TCON还可以保存T0、T1的溢出和中断标志。当定时器工作在计数方式时，外部事件通过引脚T0（P3.4）和T1（P3.5）输入。,知识链接,16位的定时器/计数器实质上就是一个加1计数器，其控制电路受软件控制、切换。当定时器/计数器为定时工作方式时，计数器的加1信号由振荡器的12分频信号产生，即每过一个机器周期，计数器加1，直至计满溢出为
17、止。显然，定时器的定时时间与系统的振荡频率有关。因一个机器周期等于12个振荡周期，所以计数频率fcount=1/12osc。如果晶振为12MHz，则计数周期为：T=1/（12106）Hz1/12=1s 这是最短的定时周期。若要延长定时时间，则需要改变定时器的初值，并要适当选择定时器的长度（如8位、13位、16位等）。,2.定时/计数器的原理,知识链接,当定时器/计数器为计数工作方式时，通过引脚T0和T1对外部信号计数，外部脉冲的下降沿将触发计数。计数器在每个机器周期的S5P2期间采样引脚输入电平。若一个机器周期采样值为1，下一个机器周期采样值为0，则计数器加1。此后的机器周期S3P1期间，新的
18、计数值装入计数器。所以检测一个由1至0的跳变需要两个机器周期，故外部事年的最高计数频率为振荡频率的1/24。例如，如果选用12MHz晶振，则最高计数频率为0.5MHz。虽然对外部输入信号的占空比无特殊要求，但为了确保某给定电平在变化前至少被采样一次，外部计数脉冲的高电平与低电平保持时间均需在一个机器周期以上。,知识链接,当CPU用软件给定时器设置了某种工作方式之后，定时器就会按设定的工作方式独立运行，不再占用CPU的操作时间，除非定时器计满溢出，才可能中断CPU当前操作。CPU也可以重新设置定时器工作方式，以改变定时器的操作。由此可见，定时器是单片机中效率高而且工作灵活的部件。单片机定时器/计
19、数器是一种可编程部件，在定时器/计数器开始工作之前，CPU必须将一些命令（称为控制字）写入定时/计数器。将控制字写入定时/计数器的过程叫定时器/计数器初始化。在初始化过程中，要将工作方式控制字写入方式寄存器，工作状态字（或相关位）写入控制寄存器，赋定时/计数初值。,知识链接,定时器计数器T0和T1有2个控制寄存器TMOD和TCON，它们分别用来设置各个定时器计数器的工作方式，选择定时或计数功能，控制启动运行，以及作为运行状态的标志等。其中，TCON寄存器中另有4位用于中断系统。（1）定时器/计数器方式寄存器TMOD 定时器方式控制寄存器TMOD在特殊功能寄存器中，字节地址为89H，无位地址。T
20、MOD的格式如图7.7所示。,3.控制寄存器,知识链接,图7.7 定时器/计数器方式寄存器TMOD,由图可见，TMOD的高4位用于T1，低4使用于T0，4种符号的含义如下：GATE：门控制位。GATE和软件控制位TR、外部引脚信号INT的状态,共同控制定时器计数器的打开或关闭。CT：定时器计数器选择位。C/T1，为计数器方式；CT0，为定时器方式。M1M0：工作方式选择位，定时器计数器的4种工作方式由M1M0设定。具体如表7-1所示。,知识链接,表7-1 定时器计数器的4种工作方式,定时器/计数器方式控制寄存器TMOD不能进行位寻址，只能用字节传送指令设置定时器工作方式，低半字节定义为定时器0
21、，高半字节定义为定时器1。复位时，TMOD所有位均为0。例：设定定时器1为定时工作方式，要求软件启动定时器1按方式2工作。定时器0为计数方式，要求由软件启动定时器0，按方式1工作。,知识链接,大家先看上面TMOD寄存器各位的分布图第一：控制定时器1工作在定时方式或计数方式是哪个位？通过前面的学习，我们已知道，C/T位（D6）是定时或计数功能选择位，当C/T=0时定时/计数器就为定时工作方式。所以要使定时/计数器1工作在定时器方式就必需使D6为0。第二：设定定时器1按方式2工作。上表中可以看出，要使定时/计数器1工作在方式2，M0（D4）M1（D5）的值必须是1 0。第三：设定定时器0为计数方式
22、。与第一个问题一样，定时/计数器0的工作方式选择位也是C/T（D2），当C/T=1时，就工作在计数器方式。第四：由软件启动定时器0，前面已讲过，当门控位GATE=0时，定时/计数器的启停就由软件控制。,怎么来实现这个要求呢？,知识链接,第五：设定定时/计数器工作在方式1，使定时/计数器0工作在方式1，M0（D0）M1（D1）的值必须是0 1。从上面的分析我们可以知道，只要将TMOD的各位，按规定的要求设置好后，定时器/计灵敏器就会按我们预定的要求工作。我们分析的这个例子最后各位的情况如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 0 0 1 0 0 1 0 1二进制数00100101=十
23、六进制数25H。所以执行MOV TMOD,#25H这条指令就可以实现上述要求。,知识链接,定时器/计数器控制寄存器TCON 如图7.8所示。TCON在特殊功能寄存器中，字节地址为88H，位地址(由低位到高位)为88H一8FH，由于有位地址，十分便于进行位操作。TCON的作用是控制定时器的启、停，标志定时器溢出和中断情况。TCON的格式如图7.8所示。其中，TFl，TRl，TF0和TR0位用于定时器计数器；IEl，ITl，IE0和IT0位用于中断系统。,（2）定时器/计数器控制寄存器TCON,图7.8 定时器/计数器控制寄存器TCON,知识链接,TF1：定时器1溢出标志位。当字时器1计满溢出时，
24、由硬件使TF1置“1”，并且申请中断。进入中断服务程序后，由硬件自动清“0”，在查询方式下用软件清“0”。TR1：定时器1运行控制位。由软件清“0”关闭定时器1。当GATE=1，且INT1为高电平时，TR1置“1”启动定时器1；当GATE=0，TR1置“1”启动定时器1。TF0：定时器0溢出标志。其功能及操作情况同TF1。TR0：定时器0运行控制位。其功能及操作情况同TR1。IE1：外部中断1请求标志。,IT1：外部中断1触发方式选择位。IE0：外部中断0请求标志。IT0：外部中断0触发方式选择位。TCON中低4位与中断有关，请参看中断相关知识。由于TCON是可以位寻址的，因而如果只清溢出或启
25、动定时器工作，可以用位操作命令。例如：执行“CLR TF0”后则清定时器0的溢出；执行“SETB TR1”后可启动定时器1开始工作（当然前面还要设置方式定）。,各位定义如下：,知识链接,由于定时器/计数器的功能是由软件编程确定的，所以一般在使用定时/计数器前都要对其进行初始化，使其按设定的功能工作。初始货的步骤一般如下：（1）确定工作方式（即对TMOD赋值）；（2）预置定时或计数的初值（可直接将初值写入TH0、TL0或TH1、TL1）；（3）根据需要开放定时器/计数器的中断（直接对IE位赋值）；（4）启动定时器/计数器（若已规定用软件启动，则可把TR0或TR1置“1”；若已规定由外中断引脚电平
26、启动，则需给外引脚步加启动电平。当实现了启动要求后，定时器即按规定的工作方式和初值开始计数或定时）。,4.定时器/计数器的初始化,知识链接,因为在不同工作方式下计数器位数不同，因而最大计数值也不同。现假设最大计数值为M，那么各方式下的最大值M值如下：方式0：M=213=8192方式1：M=216=65536方式2：M=28=256方式3：定时器0分成两个8位计数器，所以两个M均为256。因为定时器/计数器是作“加1”计数，并在计数满溢出时产生中断，因此初值X可以这样计算：X=M-计数值,下面介绍一下确定时时/计数器初值的具体方法。,知识链接,【例】选择T1方式0用于定时，在P1.1输出周期为1
27、ms方波，晶振fosc=6MHz。解：根据题意，只要使P1.1每隔500us取反一次即可得到1ms的方波，因而T1的定时时间为500us，因定时时间不长,取方式0即可。则M1 M0=0；因是定时器方式,所以C/T=0；在此用软件启动T1,所以GATE=0。T0不用,方式字可任意设置，只要不使其进入方式3即可，一般取0，故TMOD=00H。系统复位后TMOD为0，可不对TMOD重新清0。计算500us定时T1初始值：,机器周期T=12/fosc=12/（6106）Hz=2s设初值为X，则：（213X）210-6s=50010-6s X=213-250=7942=1111100000110B因为在
28、作13位计数器用时，TL1的高3位未用，应填写0，TH1占用高8位，所以X的实际填写应为：TH1=F8H，TL1=06H。,举例说明初值的确定方法：,知识链接,/文件名plj7-3.c#include/定义头文件sbit P1_1=P11;void timer1(void)interrupt 3/定时器1中断服务程序 TH1=0XF8;TL1=0X06;/装入时间常数P1_1=!P1_1;/P1.1取反,void main(void)TMOD=0 x00;/定时器1方式0TH1=0XF8;TL1=0X06;/装入时间常数TR1=1;/启动定时器TF1=0;EA=1;/开全局中断 ET1=1;/
29、开定时器1中断 while(1);/主程序死循环，空等待,程序编写如下：,知识链接,C51提供的中断函数格式：void 函数名 interrupt n using m 其中n对应中断源的编号，n取值范围031，以AT89S51单片机为例，编号从03，分别对应外中断0、定时器0溢出中断、外中断1和定时器1溢出中断。若为定时器0溢出中断，则中断函数可写为：voidtimer0()interrupt1using2语句；即表示在该中断程序中使用第2组工作寄存器。,5.C51中定时器/计数器的中断设置,本项目通过任务1、任务2的学习，了解了LED数码管动态显示的知识和程序编写方法；对单片机定时器/计数器的初始化、溢出中断设置有了进一步的认识。同时，还掌握C51中定时器/计数器的中断的程序格式和方法。,任务小结,若要求设定定时器0为定时工作方式，要求软件启动定时器0按方式2工作。定时器1为计数方式，要求由软件启动定时器1，按方式1工作。如何设置TMOD？若要求P1.1引脚输出周期为500Hz的方波，如何修改plj7-1.c程序？若要求P1.1引脚输出周期为50Hz的方波，如何修改plj7-2.c程序？,思考与练习,
