一文读懂单片机的定时器

一文读懂单片机的定时器

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/RL2698853114/article/details/144980485

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。

定时器的组成

单片机的定时器通常由以下几个部分组成：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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：

1. 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。
2. 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。
3. 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）。
4. 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。
5. 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。

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）：

void delay_ms(unsigned int ms) {
    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
    for (i = 0; i < ms; i++) {
        delay_ms(DELAY_TIME);  // 延时1秒
        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）：

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

        freq = (count - last_count) * 10000;  // 计算频率
    }
}

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）：

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
ICR1 = (F_CPU / (PWM_FREQ * 8 * 256)) - 1;
OCR1A = (ICR1 * PWM_DUTY_CYCLE) / 100;

代码解释

1. 定时器配置 ：

   • TCCR1A 和 TCCR1B 寄存器用于配置定时器1的工作模式和时钟源。
   • WGM11 和 WGM13 位设置定时器为快速PWM模式，8位分辨率。
   • COM1A1 位设置为非反转模式，即当计数器值小于 OCR1A 时，输出为高电平.
   • CS11 位设置预分频器为8，假设系统时钟为16MHz，则定时器时钟为2MHz.

2. 自动重载值计算 ：

   • ICR1 寄存器用于设置定时器的最大计数值，以达到所需的PWM频率.
   • 计算公式为 ICR1 = (F_CPU / (PWM_FREQ * 预分频 * 256)) - 1，其中 F_CPU 是系统时钟频率.

3. 占空比设置 ：

   • OCR1A 寄存器用于设置PWM的占空比，计算公式为 OCR1A = (ICR1 * PWM_DUTY_CYCLE) / 100.

4. 端口配置 ：

   • DDRB |= (1 << PB1); 将PB1设置为输出模式，以便将PWM信号输出到该引脚.

通过以上配置，定时器1将生成一个频率为1kHz、占空比为75%的PWM信号，并将其输出到PB1引脚.