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单片机计数器实现详解：附源码实战指南

一、单片机计数器功能概述

单片机中的计数器一般是由硬件定时器模块实现的，计数器可以被配置为不同的模式，例如：

  • 普通计数模式：计数器从零开始增加，直到某个最大值后清零或中断。
  • 事件计数模式：计数器根据外部信号（例如脉冲信号）进行计数。
  • 定时模式：计数器根据时钟信号进行计数，常用于定时器的实现。

    • 单片机计数器的常见应用场景包括：

  • 测量事件的发生次数（如脉冲计数）。
  • 精确控制时间间隔（如定时器）。
  • 实现PWM信号生成等。

    • 本文以一个基于STM32单片机的简单计数器例子为基础，逐步讲解如何实现计数器的功能。

    二、硬件平台介绍

    我们以STM32系列单片机为例，它拥有多个定时器模块，可以配置为计数器模式，且支持外部事件触发。STM32的定时器有丰富的功能，可以灵活配置为各种模式来满足计数器需求。

    本例使用STM32F103系列单片机，并假设使用标准库来操作硬件。STM32F103拥有多个定时器（如TIM1, TIM2, TIM3等），每个定时器都支持16位或32位的计数功能，并且可以通过外部引脚触发。

    三、计数器源码实现

    以下是一个简单的计数器实现例子：使用STM32F103的TIM2定时器在计数模式下计数外部信号的脉冲数，并在计数达到一定值后触发中断。

    #include "stm32f10x.h"

// 定义计数器的最大值
#define COUNTER_MAX 1000

// 计数器变量
volatile uint32_t counter_value = 0;

// 中断服务函数
void TIM2_IRQHandler(void) {
    if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) {
        // 计数器溢出，重置计数器
        counter_value++;
        
        if (counter_value >= COUNTER_MAX) {
            // 当计数达到最大值时，执行一些操作
            // 在此可以添加额外的功能，如LED闪烁、发送信号等
            counter_value = 0;  // 重置计数器
        }

        // 清除中断标志
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
    }
}

void Timer_Init(void) {
    // 1. 开启TIM2时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

    // 2. 配置TIM2为计数模式
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_InitStructure;
    TIM_InitStructure.TIM_Prescaler = 7199;  // 分频值，将系统时钟72MHz分频为10kHz
    TIM_InitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  // 向上计数
    TIM_InitStructure.TIM_Period = 999;  // 自动重载寄存器，设置计数周期
    TIM_InitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_InitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;

    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_InitStructure);

    // 3. 启用TIM2更新中断
    TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);

    // 4. 配置并使能中断
    NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);

    // 5. 启动定时器
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

int main(void) {
    // 系统初始化
    SystemInit();

    // 初始化计时器
    Timer_Init();

    // 主循环
    while (1) {
        // 这里可以执行其他任务
        // 计数器的工作是由中断触发的，因此主循环可以空转
    }
}
    1. RCC_APB1PeriphClockCmd
  • 作用：启用单片机外设的时钟，使得相应外设可以正常工作。在这段代码中，它的作用是启动定时器 TIM2 的时钟。
  • 工作原理：STM32单片机的每个外设都需要通过相应的时钟源来供电，只有时钟使能后，外设才会工作。比如，在计时器的例子中，RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); 用于启动 TIM2 定时器模块的时钟。
    • 2. TIM_TimeBaseInit
  • 作用：初始化定时器的基本设置，配置定时器的计数模式、预分频器、自动重载值等。
  • 工作原理：
  • 计数模式 (TIM_CounterMode)：决定了定时器计数的方向（向上、向下或向上/下计数）。在这段代码中使用的是向上计数模式 TIM_CounterMode_Up，即计数器的值从 0 开始，逐步增大。
  • 预分频器 (TIM_Prescaler)：设定定时器的时钟频率，通常用于降低定时器时钟频率以适应应用需求。例如，如果系统时钟为 72 MHz，设置预分频器为 7199，将定时器的频率降到 10 kHz（72 MHz / 7200）。这样可以使定时器每 1 毫秒溢出一次。
  • 自动重载寄存器 (TIM_Period)：设定定时器的最大计数值，通常作为定时器的溢出条件。例如，TIM_Period = 999 表示定时器的计数值最大为 999，达到此值时会溢出。
    • 3. TIM_ITConfig
  • 作用：启用定时器的中断功能。定时器每次溢出时，如果启用了中断，CPU 会跳转到中断处理函数。
  • 工作原理：当定时器计数达到预设的溢出值（即 TIM_Period），定时器会触发更新事件。如果启用了更新中断（TIM_IT_Update），则会触发中断请求并进入对应的中断处理函数 TIM2_IRQHandler。
  • 例如，TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE); 会使得 TIM2 在溢出时触发中断。
    • 4. NVIC_EnableIRQ
  • 作用：启用外部中断的请求。STM32的中断控制器（NVIC）管理所有外部中断，使用该函数使能中断。
  • 工作原理：STM32的外设中断会被NVIC管理，通过该函数可以开启对应定时器的中断服务功能。
  • 例如，NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn); 会启用 TIM2 的中断请求，当 TIM2 溢出时，会跳转到中断服务函数 TIM2_IRQHandler。
    • 5. TIM_Cmd
  • 作用：启动定时器。调用该函数后，定时器开始计数。
  • 工作原理：通过设置定时器的启用标志，将定时器设置为工作状态。只有在定时器启动之后，计数器才开始执行计数任务。
  • 例如，TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); 启动 TIM2 定时器，使其开始按照预定的频率进行计数。
    • 6. TIM2_IRQHandler
  • 作用：定时器 TIM2 的中断服务函数（ISR）。定时器每次溢出时会触发该中断。
  • 工作原理：
  • 在 TIM2_IRQHandler 中，我们检查是否是定时器溢出中断发生，通常使用 TIM_GetITStatus 来确认。
  • 当定时器溢出时，counter_value 增加 1。如果计数器的值超过设定的最大值 COUNTER_MAX，则执行相应的操作（如重置计数器）。
  • 最后，调用 TIM_ClearITPendingBit 清除中断标志，防止中断请求重复触发。
    • 7. TIM_GetITStatus
  • 作用：检查定时器是否触发了更新中断。
  • 工作原理：定时器会在每次溢出时触发更新中断，使用 TIM_GetITStatus 可以检测定时器的中断状态，确定是否需要处理中断。返回值为 RESET 表示中断未发生，SET 表示中断已经发生。
    • 8. TIM_ClearITPendingBit
  • 作用：清除定时器的中断标志位。
  • 工作原理：每次定时器触发中断后，必须清除相应的中断标志，避免中断请求一直被保持，导致 CPU 不断响应中断。调用该函数可以清除定时器的溢出中断标志。
    • 9. SystemInit
  • 作用：系统初始化函数，用于进行系统时钟配置、外设初始化等工作。
  • 工作原理：通常在 main() 函数开始执行之前会调用该函数，它是一个由系统启动代码生成的函数，通常只做一些基础配置，比如时钟源选择、PLL 配置等。
    • 10. 主程序中的 while (1) 循环
  • 作用：这是主程序的无限循环，它在 STM32 设备中通常用于保持程序的运行。
  • 工作原理：因为计数器的功能是由定时器中断触发的，所以主循环可以执行其他任务，或者保持空转。没有特别的处理逻辑，除非其他外设或任务需要在主循环中处理。
    • 四、总结

    通过这个简单的计数器例子，我们展示了如何使用 STM32F103 的定时器来实现计数器功能。定时器在此实现了脉冲计数的功能，当计数器达到设定的最大值时，可以触发特定操作。中断机制使得计数器的工作能够异步进行，主程序可以同时执行其他任务。

    在实际应用中，定时器和计数器可以用于更复杂的任务，例如外部脉冲计数、时间延迟生成、PWM波形生成等。单片机的灵活性和定时器的强大功能使得计数器能够广泛应用于各类嵌入式项目中。

    作者：Katie。

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