代码收藏家技术教程 2025-02-08

一文读懂单片机的定时器

引言

单片机定时器的基本原理

定时器的组成

定时器的工作原理

单片机定时器的配置方法

选择时钟源

设置预分频器

选择工作模式

配置中断

单片机定时器的应用实例

实例1：简单的延时程序

实例2：频率测量

实例3：PWM信号生成

代码解释

引言

单片机（Microcontroller Unit，MCU）是一种集成了处理器、存储器、输入输出接口等组件的微型计算机系统。在嵌入式系统设计中，单片机被广泛应用于各种控制和处理任务中。定时器是单片机中一个非常重要的组件，它能够提供精确的时间控制和事件触发功能，广泛应用于计时、频率测量、PWM（脉宽调制）生成等场合。本文将详细介绍单片机定时器的工作原理、配置方法以及应用实例，帮助读者快速掌握单片机定时器的使用技巧。

单片机定时器的基本原理

定时器的组成

单片机的定时器通常由以下几个部分组成：

计数器（Counter）：用于记录时钟脉冲的个数。计数器可以是8位、16位或32位的寄存器，其大小决定了定时器的计数范围。

预分频器（Prescaler）：用于对输入时钟进行分频，以降低计数器的计数频率。预分频器的分频比可以是固定的，也可以是可编程的。

时钟源（Clock Source）：为定时器提供时钟信号。常见的时钟源包括内部时钟、外部时钟和外部事件触发等。

控制寄存器（Control Registers）：用于配置定时器的工作模式、中断使能、预分频器设置等。

中断服务程序（Interrupt Service Routine, ISR）：当定时器溢出或达到设定值时，会触发中断，中断服务程序用于处理定时器事件。

定时器的工作原理

定时器的工作过程可以简单概括为以下步骤：

初始化配置：通过控制寄存器设置定时器的工作模式、时钟源、预分频器等参数。

启动定时器：使能定时器开始计数。计数器开始接收时钟信号，并根据预分频器的设置对时钟信号进行分频。

计数过程：计数器在每个时钟周期内增加1，直到达到其最大值（例如，8位计数器的最大值为255）。

溢出处理：当计数器溢出时，会触发中断，中断服务程序会被调用。中断服务程序可以执行一些特定的任务，如更新计数器值、发送信号等。

循环计数：计数器溢出后，通常会自动重置为初始值，继续计数。

单片机定时器的配置方法

选择时钟源

定时器的时钟源决定了计数器的计数频率。常见的时钟源包括：

内部时钟：来自单片机内部振荡器的时钟信号。通常用于简单的定时任务。

外部时钟：来自外部振荡器或时钟源的信号。适用于需要精确时钟的应用。

外部事件触发：由外部事件（如按钮按下、传感器信号等）触发定时器计数。

设置预分频器

预分频器用于降低计数器的计数频率，以延长定时器的计时范围。例如，如果时钟源频率为1MHz，预分频器设置为128，则计数器的计数频率为1MHz / 128 = 7.8125kHz。预分频器的设置通常通过控制寄存器中的相应位来实现。

选择工作模式

定时器的工作模式决定了其计数方式和应用场合。常见的工作模式包括：

模式0（13位定时/计数器）：适用于8051单片机等。将8位计数器和5位预分频器组合成13位计数器。

模式1（16位定时/计数器）：适用于需要较长计时范围的应用。

模式2（8位自动重载定时/计数器）：适用于需要周期性定时任务的场合。

模式3（两个独立的8位定时/计数器）：适用于需要同时进行两个独立定时任务的应用。

配置中断

定时器溢出或达到设定值时，可以触发中断。中断的配置包括：

中断使能：通过控制寄存器中的中断使能位来启用定时器中断。

中断优先级：设置中断的优先级，以确定中断的响应顺序。

中断服务程序：编写中断服务程序来处理定时器事件。

单片机定时器的应用实例

实例1：简单的延时程序

下面是一个使用定时器实现简单延时的示例代码（以8051单片机为例）：

#include <reg51.h>

#define DELAY_TIME 1000  // 延时时间（单位：ms）

void delay_ms(unsigned int ms) {
    unsigned int i;
    TMOD = 0x01;  // 设置定时器0为模式1（16位定时/计数器）
    TH0 = 0xFC;   // 设置定时器初值，定时1ms
    TL0 = 0x18;
    for (i = 0; i < ms; i++) {
        TF0 = 0;  // 清除定时器溢出标志
        TR0 = 1;  // 启动定时器
        while (!TF0);  // 等待定时器溢出
        TR0 = 0;  // 停止定时器
    }
}

void main() {
    while (1) {
        P1 = 0xFF;  // 点亮所有LED
        delay_ms(DELAY_TIME);  // 延时1秒
        P1 = 0x00;  // 熄灭所有LED
        delay_ms(DELAY_TIME);  // 延时1秒
    }
}

实例2：频率测量

定时器可以用于测量外部信号的频率。下面是一个使用定时器测量频率的示例代码（以STM32为例）：

#include "stm32f10x.h"

#define TIM_CLOCK_FREQ 72000000  // 定时器时钟频率
#define TIM_PRESCALER 7199       // 预分频器值，定时器频率为10kHz

void TIM_Config(void) {
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);  // 使能TIM2时钟

    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xFFFF;  // 自动重载寄存器的值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = TIM_PRESCALER;  // 预分频器值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;  // 时钟分割
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  // 向上计数模式
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;  // TIM2中断
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;  // 抢占优先级
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;  // 响应优先级
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;  // 使能TIM2中断通道
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

    TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);  // 使能TIM2更新中断
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);  // 启动定时器
}

void TIM2_IRQHandler(void) {
    if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) {
        static unsigned int count = 0;
        static unsigned int freq = 0;
        static unsigned int last_count = 0;

        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);  // 清除TIM2更新中断待处理位

        count++;
        if (count >= 100) {
            freq = (count - last_count) * 10000;  // 计算频率
            last_count = count;
            count = 0;
        }
    }
}

int main(void) {
    TIM_Config();  // 配置定时器

    while (1) {
        // 可以在此处处理频率测量结果
    }
}

实例3：PWM信号生成

定时器可以用于生成PWM信号。下面是一个使用定时器生成PWM信号的示例代码（以AVR单片机为例）：

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

#define PWM_FREQ 1000  // PWM频率（单位：Hz）
#define PWM_DUTY_CYCLE 75  // PWM占空比（单位：百分比）

void PWM_Init(void) {
    // 设置定时器1为快速PWM模式，8位分辨率
    TCCR1A = (1 << WGM11) | (1 << COM1A1);
    TCCR1B = (1 << WGM13) | (1 << CS11);  // 预分频器设置为8

    // 计算定时器的自动重载值，以达到所需的PWM频率
    // 例如，假设系统时钟为16MHz，预分频为8，则定时器时钟为2MHz
    // 8位定时器的最大值为255，因此频率为2MHz / 256 = 7.8125kHz
    // 为了达到1kHz，需要调整自动重载值
    ICR1 = (F_CPU / (PWM_FREQ * 8 * 256)) - 1;

    // 设置占空比
    OCR1A = (ICR1 * PWM_DUTY_CYCLE) / 100;

    // 设置PB1为输出
    DDRB |= (1 << PB1);
}

int main(void) {
    PWM_Init();  // 初始化PWM

    while (1) {
        // 可以在此处添加其他代码
    }
}