方式1

当TMOD中的M0=0，M1=0时，为13位计数或定时方式，其中TLi使用低5位，其结构如图4.2所示。

方式2

当TMOD中的M0=1，M1=0时，为16位计数或定时方式，其结构如图4.3所示。

方式3

当TMOD中的M0=0，M1=1时，为8位自动重装初值计数或定时方式，其结构如图4.4所示。

在方式2时，将16位计数器分成两个8位的计数器，THi用来存放初值。当计数器溢出时，一方面将TFi置1，申请中断；而另一方面自动将THi的值装入TLi。

方式4

T0为方式3时，T1作为波特率发生器，其TF1、TR1资源出借给T0使用，而T0可以构成两个独立的结构，其中TL0构成一个完整的8位定时器/计数器，而TH0则是一个仅能对晶振频率12分频的定时器，其结构如图4.5所示。T1作波特率发生器时，可以设置成方式0、1或2，用在任何不需要中断控制的场合。一般T1作波特率发生器时，常设置成方式2的自动重装模式，其结构如图4.6所示。

在MCU中（M16)，定时器是独立的一个模块，M16有三个独立的定时器模块，即T/C0、T/C1和T/C2；其中T/C0和T/C2都是8位的定时器，而T/C1是一个16位的定时器。定时器的工作是独立于CPU之外自行运行的硬件模块。

1、定时器何时开始工作（或说计数）的？

当TCCR0！=0x00任何模式下，只要MCU一上电，T/C就开始计时工作。其实TCCR0主要是定时器的预分频和波形模式、比较匹配模式的设置，说到预分频，不得不提一下这个模块，这个模块是T/C0、T/C1共用的一个模块，但可以有不同的分频设置。

2、定时器是如何进行工作的：说到定时器的工作，不得不说三个个重要参数：TCNT0、OCR0，TIMSK，TCNT0是设置定时器的计时初始值，定时器开始工作后立即从TCNT0一直累加到0XFF，累加过程所消耗的时间就是我们需要的定时时间；OCR0是一个比较设定值，当TCNT0的值累计到OCR0时（TNCT0==OCR0），如果有开启比较匹配中断功能，那么此时就会产生比较中断，所以，OCR0的值一般都是设置在TCNT0初始值和0XFF之间，之外的任何值都不会产生比较中断。TIMSK是一个中断使能位设置，就是我们需要计时器溢出中断或是比较匹配中断功能或两者都要时就对TIMSK的相应寄存器位进行设置。

3、定时器的中断使用，一个定时器可以有两个中断资源可利用，一个只溢出中断，另一个是比较匹配中断，如上面2所说的。想说明的溢出中断子程序内一般要有重载TCNT0的初始值，否则，TCNT0就会从0X00开始累加计数到0XFF，所耗费的时间就不我们想要的时间。比较中断就是当TCNT0==OCR0时，发生比较匹配中断；所以，中断子程序中一般只插入少量的处理代码，否则，会发生所谓的中断套嵌的现象，由于M16不支持中断套嵌，这样会使得中断子程序中的部分代码无法执行，严重时会造成系统崩溃。

4、TCNT0和OCR0的值换算：对于8bit的计时器，TCNT0一般可以由下面的公式换算：

TCNT0=256-（TV*F）/N；
TV： 所想要设定的定时时间，单位，us
F： 晶振频率（MHz）
N： 分频因子

定时器是独立运行的，它不占用CPU的时间，不需要指令，只有调用对应的寄存器的时候才需要参与。

以AVR mega16为例，它有三个寄存器，timer0，timer1和timer2，T0和T2是8位定时器，T1是16位寄存器，T2为异步定时器，三个定时器都可以用于产生PWM。

以定时器T0来简单介绍定时器的操作方法，T0有三个寄存器可以被CPU访问，TCCR0，TCNT0，OCR0，下面看一段ICC生成的定时器初始化程序。

//TIMER0 initialize - prescale:8
// WGM: Normal
// desired value: 1KHz
// actual value: 1.000KHz (0.0%)
void timer0_init(void)
{
TCCR0 = 0x00; //stop
TCNT0 = 0x83; //set count
OCR0 = 0x7D; //set compare
TCCR0 = 0x02; //start timer
}

TCCR0为控制寄存器，用于控制定时器的工作模式细节；
TCNT0为T/C 寄存器，它的值在定时器的每个工作周期里加一或减一，实现定时操作，CPU可以随时读写TCNT0；
OCR0：输出比较寄存器，它包含一个8 位的数据，不间断地与计数器数值TCNT0 进行比较。匹配事件可以用来产生输出比较中断，或者用来在OC0 引脚上产生波形。

这里说最简单的模式，TCNT一直加一，到达最大值0xFF然后清零，进入下一次计数，在上面的程序中。

TCCR0＝0x00;关闭T0的时钟源，定时器停止工作。
TCNT0＝0x83;设置T/C寄存器的初始值，及让定时器从TCNT0从0x83开始定时或计数。
OCR0 = 0x7D;设定比较匹配寄存器的值，这个程序里没有使用。
TCCR0 = 0x02;选择时钟源，来自时钟8分频，设置后定时器就开始工作。

初始化后定时器开始工作，TCNT0在每一个定时器时钟加一，当TCNT0等于OCR0的值时，T/C 中断标志寄存器－ TIFR中的OCF0 置位，如果这时候TIMSK中OCIE0为1（即允许T0比较匹配中断），并且全局中断允许，比较匹配中断即运行。中断程序中可以对TCNT0和0CR0进行操作，对定时器进行调整。

TCNT0继续加一，当达到0xFF时，T/C 中断标志寄存器－ TIFR中的TOV0置位，如果这时候TIMSK中TOIE0为1（即允许T0溢出中断），并且全局中断允许，溢出中断即运行。中断程序中可以对TCNT0和0CR0进行操作，对定时器进行调整。

和定时器相关的寄存器还有SREG和TIMSK，前者位1控制全局中段允许，后者位1（OCIE0）和位0（TOIE0）分别控制比较匹配中断和溢出比较匹配中断允许。

实际的过程中，定时器相关寄存器的操作非常灵活，可以在溢出中断中修改TCNT0的值，也可以在中断中修改OCR0的值，后面的实验中会讲到用定时器1修改OCR1A的方法实现1S精确定时。

1、定时器同步

在MM32L073一个定时器有4 通道 PWM 输出，有客户在应用中需要使用两个定时器控制6路PWM输出，为了使两个定时器的PWM输出相同的波形，所以需要两个定时器实现同步功能。

所有 TIMx 定时器在内部相连，用于定时器同步或链接。当一个定时器处于主模式时，它可以对另一个处于从模式的定时器的计数器进行复位、启动、停止或提供时钟等操作。

MM32L073的每个定时器都可以由另一个定时器触发启动定时器一般是通过软件设置而启动，MM32L073的每个定时器也可以通过外部信号触发而启动，还可以通过另外一个定时器的某一个条件被触发而启动。这里所谓某一个条件可以是定时到时、定时器超时、比较成功等许多条件。这种通过一个定时器触发另一个定时器的工作方式称为定时器的同步，发出触发信号的定时器工作于主模式，接受触发信号而启动的定时器工作于从模式。

主/从定时器的例子

为了实现两个定时器完全同步，使用一个定时器作为另一个定时器的预分频器。可以配置定时器 1 作为定时器 3 的预分频器。

参考上图，进行下述操作：
˜配置定时器 1 为主模式，它可以在每一个更新事件 UEV 时输出一个周期性的触发信号。在TIM1_CR2寄存器的MMS = ‗010时，每当产生一个更新事件时在 TRGO1上输出一个上升沿信号。
˜连接定时器 1 的 TRGO1 输出至定时器 3，设置 TIM3_SMCR 寄存器的 TS = ‗000 ，配置定时器 3为使用 ITR1 作为内部触发的从模式。
˜然后把从模式控制器置于外部时钟模式 1（TIM3_SMCR 寄存器的 SMS = 111）；这样定时器 3即可由定时器 1 周期性的上升沿（即定时器 1 的计数器溢出）信号驱动。
˜最后，必须设置相应（TIMx_CR1 寄存器）的 CEN 位分别启动两个定时器。

注：如果 OCx 已被选中为定时器 1 的触发输出（MMS = 1xx），它的上升沿用于驱动定时器 3 的计数器。

void Tim1_Init(u16 Prescaler,u16Period)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDefTIM_StructInit;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1,ENABLE);

TIM_StructInit.TIM_Period=Period;
TIM_StructInit.TIM_Prescaler=Prescaler;
TIM_StructInit.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;
TIM_StructInit.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;
TIM_StructInit.TIM_RepetitionCounter=0;
TIM_TimeBaseInit(TIM1,&TIM_StructInit);

TIM_ClearFlag(TIM1,TIM_FLAG_Update);
}

void TIM3_Init(u16 psc,u16 arr)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDefTIM_StructInit;

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);

TIM_StructInit.TIM_Period=arr;
TIM_StructInit.TIM_Prescaler=psc;
TIM_StructInit.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;
TIM_StructInit.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;
TIM_StructInit.TIM_RepetitionCounter=0;
TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_StructInit);

TIM_SelectOutputTrigger(TIM3,TIM_TRGOSource_Enable);
TIM_SelectInputTrigger(TIM1,TIM_TS_ITR2);
TIM_SelectSlaveMode(TIM1,TIM_SlaveMode_Gated);
TIM_SelectMasterSlaveMode(TIM1,TIM_MasterSlaveMode_Enable);

TIM3->CNT=0;
TIM1->CNT=0;

TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);
delay_ms(300);

TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
delay_ms(300);
}

2、定时器精准延时

在应用中，有的需要精准的定时功能，在客户支持过程中，发现有的客户对定时器的基本定时功能的理解有些偏差，今天将与大家一起使用定时器的基本定时功能。

我们把定时器设置自动重装载寄存器 ARR 的值为1000，设置时钟预分频器为47，则驱动计数器的时钟： CK_CNT = CK_INT / (47+1)=1M，则计数器计数一次的时间等于：1/CK_CNT=1us，当计数器计数到 ARR 的值1000 时，产生一次中断，则中断一次的时间为：1/CK_CNT*ARR=1ms。
void Tim2_UPCount_test(void)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDefTIM_StructInit;
NVIC_InitTypeDef NVIC_StructInit;

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE);

TIM_StructInit.TIM_Period=1000;
TIM_StructInit.TIM_Prescaler=47;
TIM_StructInit.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;
TIM_StructInit.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;
TIM_StructInit.TIM_RepetitionCounter=0;

TIM_TimeBaseInit(TIM2,&TIM_StructInit);
NVIC_StructInit.NVIC_IRQChannel=TIM2_IRQn;
NVIC_StructInit.NVIC_IRQChannelPriority=1;
NVIC_StructInit.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_StructInit);

TIM_ClearFlag(TIM2,TIM_FLAG_Update);
TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update,ENABLE);

TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

定时器中断一次的时间是 1ms，我们定义一个全局变量ucTim2Flag，每当进一次中断的时候，让 ucTim2Flag来记录进入中断的次数。如果我们想实现一个 1s 的定时，我们只需要判断time 是否等于1000 即可，1000 个 1ms 就是1s。然后把ucTim2Flag清 0，重新计数，以此循环往复。
void TIM2_IRQHandler(void)
{
TIM_ClearITPendingBit(TIM2,TIM_IT_Update);
ucTim2Flag++;
}

在MCU中（M16)，定时器是独立的一个模块，M16有三个独立的定时器模块，即T/C0、T/C1和T/C2；其中T/C0和T/C2都是8位的定时器，而T/C1是一个16位的定时器。定时器的工作是独立于CPU之外自行运行的硬件模块。

1、定时器何时开始工作（或说计数）的？

当TCCR0！=0x00任何模式下，只要MCU一上电，T/C就开始计时工作。其实TCCR0主要是定时器的预分频和波形模式、比较匹配模式的设置，说到预分频，不得不提一下这个模块，这个模块是T/C0、T/C1共用的一个模块，但可以有不同的分频设置。

2、定时器是如何进行工作的？

说到定时器的工作，不得不说三个个重要参数：TCNT0、OCR0，TIMSK，TCNT0是设置定时器的计时初始值，定时器开始工作后立即从TCNT0一直累加到0XFF，累加过程所消耗的时间就是我们需要的定时时间；OCR0是一个比较设定值，当TCNT0的值累计到OCR0时（TNCT0==OCR0），如果有开启比较匹配中断功能，那么此时就会产生比较中断，所以，OCR0的值一般都是设置在TCNT0初始值和0XFF之间，之外的任何值都不会产生比较中断。TIMSK是一个中断使能位设置，就是我们需要计时器溢出中断或是比较匹配中断功能或两者都要时就对TIMSK的相应寄存器位进行设置。

3、定时器的中断使用，一个定时器可以有两个中断资源可利用，一个只溢出中断，另一个是比较匹配中断，如上面2所说的。想说明的溢出中断子程序内一般要有重载TCNT0的初始值，否则，TCNT0就会从0X00开始累加计数到0XFF，所耗费的时间就不我们想要的时间。比较中断就是当TCNT0==OCR0时，发生比较匹配中断；所以，中断子程序中一般只插入少量的处理代码，否则，会发生所谓的中断套嵌的现象，由于M16不支持中断套嵌，这样会使得中断子程序中的部分代码无法执行，严重时会造成系统崩溃。

4、TCNT0和OCR0的值换算：对于8bit的计时器，TCNT0一般可以由下面的公式换算：
TCNT0=256-（TV*F）/N；
TV： 所想要设定的定时时间，单位，us
F： 晶振频率（MHz）
N： 分频因子

定时器是独立运行的，它不占用CPU的时间，不需要指令，只有调用对应的寄存器的时候才需要参与。

以AVR mega16为例，它有三个寄存器，timer0，timer1和timer2，T0和T2是8位定时器，T1是16位寄存器，T2为异步定时器，三个定时器都可以用于产生PWM。

以定时器T0来简单介绍定时器的操作方法，T0有三个寄存器可以被CPU访问，TCCR0，TCNT0，OCR0，下面看一段ICC生成的定时器初始化程序。

CODE:

//TIMER0 initialize - prescale:8
// WGM: Normal
// desired value: 1KHz
// actual value: 1.000KHz (0.0%)
void timer0_init(void)
{
TCCR0 = 0x00; //stop
TCNT0 = 0x83; //set count
OCR0 = 0x7D; //set compare
TCCR0 = 0x02; //start timer
}

TCCR0为控制寄存器，用于控制定时器的工作模式细节；
TCNT0为T/C 寄存器，它的值在定时器的每个工作周期里加一或减一，实现定时操作，CPU可以随时读写TCNT0；
OCR0：输出比较寄存器，它包含一个8 位的数据，不间断地与计数器数值TCNT0 进行比较。匹配事件可以用来产生输出比较中断，或者用来在OC0 引脚上产生波形。

这里说最简单的模式，TCNT一直加一，到达最大值0xFF然后清零，进入下一次计数，在上面的程序中。

TCCR0＝0x00;关闭T0的时钟源，定时器停止工作。
TCNT0＝0x83;设置T/C寄存器的初始值，及让定时器从TCNT0从0x83开始定时或计数。
OCR0 = 0x7D;设定比较匹配寄存器的值，这个程序里没有使用。
TCCR0 = 0x02;选择时钟源，来自时钟8分频，设置后定时器就开始工作。

初始化后定时器开始工作，TCNT0在每一个定时器时钟加一，当TCNT0等于OCR0的值时，T/C 中断标志寄存器－ TIFR中的OCF0 置位，如果这时候TIMSK中OCIE0为1（即允许T0比较匹配中断），并且全局中断允许，比较匹配中断即运行。中断程序中可以对TCNT0和0CR0进行操作，对定时器进行调整。

TCNT0继续加一，当达到0xFF时，T/C 中断标志寄存器－ TIFR中的TOV0置位，如果这时候TIMSK中TOIE0为1（即允许T0溢出中断），并且全局中断允许，溢出中断即运行。中断程序中可以对TCNT0和0CR0进行操作，对定时器进行调整。

和定时器相关的寄存器还有SREG和TIMSK，前者位1控制全局中段允许，后者位1（OCIE0）和位0（TOIE0）分别控制比较匹配中断和溢出比较匹配中断允许。

实际的过程中，定时器相关寄存器的操作非常灵活，可以在溢出中断中修改TCNT0的值，也可以在中断中修改OCR0的值，后面的实验中会讲到用定时器1修改OCR1A的方法实现1S精确定时。

师傅领进门，修行靠个人，定时器的基本原理说到这里，要更深入的了解定时器，请看数据手册。

定时公式：Time=PRE*(MAX-TCNT0+1) /F_cpu单位S ，其中，PRE为与分频数，本例中为8，MAX即为最大值255，TCNT0为初始化时的值，本例中为0x83（十进制的131），T_cpu，系统时钟频率，本例中为1000000。

本例程序中定时时间为：Time=8*(255-131+1)/1000000=0.001 S ，即为1ms，1Khz。可以看出，如果晶振选为8M，则定时时间变为0.000125S，也就是说晶振越大，定时时间越短，预分频越大，定时越长。

在设置时如果你选择1ms，会得到如下结果，和上面的1Khz相同。

CODE:

//TIMER0 initialize - prescale:8
// WGM: Normal
// desired value: 1mSec
// actual value: 1.000mSec (0.0%)
void timer0_init(void)
{
TCCR0 = 0x00; //stop
TCNT0 = 0x83; //set count
OCR0 = 0x7D; //set compare
TCCR0 = 0x02; //start timer
}

CODE:

1、引言

随着电子工业的发展,电子元器件急剧增加,电子元器件的适用范围也逐渐广泛起来,在应用中我们常常要测定电容的大小[1]。因此,一种简单、实用的电容测试工具在实际中具有一定的实用价值。一般元件参数的数字化测量是把被测参数转换成频率后再进行测量[2],本设计采用555为核心的振荡电路,将被测电容值转化为频率,并利用AT89S51处理器测量出频率,再通过该频率值计算出电容参数值。

2、系统的原理框图

系统主要采用了555定时器构成的RC振荡电路和单片机技术。设计思路:被测电容C通过RC振荡转换成频率信号f,送入单片机测频,对该频率进行运算处理求出被测电容的值,并送显示器显示。系统框图如图1所示,其主要由测量电路和控制电路两部分组成。当接入被测电容后,由555定时器构成RC振荡器产生方波信号,把此信号通过接口传到AT89C51单片机I/O口上,对此方波信号进行测频,通过软件编程,计算出得到被测电容值,由LCD1602液晶显示。

3、硬件设计

3.1 555振荡电路的设计

由555芯片构成的多谐振荡电路如图2,CX为被测电容,接通电源后,CX被充电,A点电压UA上升。当UA上升到时,触发器被复位,同时555芯片内部放电三极管导通,此时U0为低电平。CX通过R2和放电三极管放电,使UA下降。当UA下降到时,触发器又被置位,U0翻转为高电平[3]。CX放电所需的时间为:

由上式可知,当电路设计完成后,振荡器输出f随CX的变化而改变。改变R1、R2的值即可改变系统量程。系统量程分为四档:(1)R1+2R2=470KΩ时,测1.0nF-10.0nF的电容值。(2)R1+2R2=47KΩ时,测10.0nF~100.0nF的电容(3)R1+2R2=4.7KΩ时,测100.0nF~1000.0nF的电容。(4)R1+2R2=470Ω时,测1.0μF~10.0μF的电容。图3为R1+2R2=470KΩ时,测量电容为2μF振荡输出输出波形。

3.2 信号处理及显示电路

信号处理电路部分采用单片机AT89S51作为系统的主控制器。AT89S51单片机的最小系统由时钟电路、复位电路、外加电源及单片机构成[4],其硬件电路如图4所示。555振荡电路输出的是脉冲波,接到AT89S51处理器的输入引脚P3.5,通过AT89S51内部定时/计时器T0、T1及相应的程序设计,构成一个数字式频率测量系统,测出频率后按(5)式运算处理后得到被测电容值。

显示模块LCD1602液晶第1、2脚接驱动电源;第三脚VL为液晶的对比度调节,通过在VCC和GND之间接一个10K多圈可调电阻,中间抽头接VL,可实现液晶对比度的调节;液晶的控制线RS、R/W、E分别接单片机的P2.5、P2.6、P2.7;D0~D7为LCD1602液晶模块的8位双向数据口,分别与STC89C52RC单片机的P1.0~P1.7相连,用于传输数据。接在单片机的P0口;BL+、BL-为液晶背光电源[5][6]。

4、系统软件设计

系统软件环境以Keil4.0为仿真平台,使用C语言编程编写了运行程序;包括主程序模块、显示模块和电容测试模块。软件设计主要包括三个方面:一是初始化系统;二是按键检测;三是数据采集、数据处理并进行显示。程序采用模块化的结构,这样便于调试和修改,易编程和易读性好,也程序结构清楚[7]。系统程序流程如图6所示,首先对P3.5口脉冲信号频率的测量,再通过(5)式算出所测的电容值,由LCD1602显示出来。

5、系统的测试

6、结束语

设计的电容测试仪硬件采用555定时器作为信号采集模块、AT89S51单片机作为信号处理器模块,软件采用Keil4.0为仿真平台,使用C语言编程编写了运行程序。其具有性能稳定、精度高、操作简单、功耗低等优点。经测试表明:其可以测试1.0nF-10.0uF范围的电容,误差小于0.5%。误差产生主要原因与电路元件参数、测试环境、测试方法等因素有关。

参考文献:

[1] 刘军,李智.基于单片机的高精度电容电感测量仪[J].研究与开发,2007,26(6):48-51.
[2] 谢冬莹,芦庆,蒋超.基于单片机实现测量电容方法研究[J].仪表技术,2009,(11):42-44.
[3] 陈有卿,叶桂娟.555时基电路原理设计与应用[M].北京:电子工业出版社,2007.
[4] 刘宇.微型化数字式电容测微仪[D].天津大学,2007.
[5] 张怀强,何为民.电阻电容在线测试及LCD显示[J].今日电子,2008,(7):41-44.
[6] 兰羽,卢庆林.仪表放大器在激光外差玻璃测厚系统中的应用[J].国外电子测量技术,2012,31(3):79-82.
[7] 张培仁.基于C语言编程MCS-51单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2003.