【单片机基础】定时器/计数器的工作原理

单片机中的定时器/计数器（Timer/Counter）是用于时间测量和事件计数的重要模块。它们可以用来生成精确的延时、测量外部信号的频率或周期、捕获外部事件的时间戳等。理解定时器/计数器的工作原理对于单片机编程和系统设计非常重要。以下是定时器/计数器的基本工作原理和常见功能的详细介绍：

1. 定时器/计数器的基本概念

1.1 定时器（Timer）

功能：用于生成精确的时间延迟。
工作原理：定时器通过内部时钟源（通常是单片机的系统时钟）进行递增计数，达到设定值后产生中断或触发特定事件。

1.2 计数器（Counter）

功能：用于对外部事件进行计数。
工作原理：计数器通过外部输入信号进行递增计数，达到设定值后产生中断或触发特定事件。

2. 定时器/计数器的结构

2.1 计数寄存器（Counter Register）

功能：存储当前的计数值。
位宽：常见的位宽有8位、16位和32位。

2.2 预分频器（Prescaler）

功能：对输入时钟进行分频，降低计数频率。
作用：增加定时器/计数器的范围和分辨率。

2.3 模寄存器（Mode Register）

功能：设置定时器/计数器的工作模式。
常见模式：
- 定时器模式：内部时钟源计数。
- 计数器模式：外部时钟源计数。
- 自动重装载模式：计数器达到设定值后自动重新加载初始值。
- 捕捉模式：捕获外部事件的时间戳。
- 比较模式：比较计数值和预设值，匹配时产生中断。

2.4 控制寄存器（Control Register）

功能：控制定时器/计数器的启停、中断使能等。
位设置：
- 启动位：控制定时器/计数器的启停。
- 中断使能位：控制是否产生中断。
- 工作模式位：设置定时器/计数器的工作模式。

3. 定时器/计数器的工作原理

3.1 定时器模式

工作过程：
1. 初始化：设置定时器的工作模式、初始值和中断使能。
2. 启动：通过控制寄存器启动定时器。
3. 计数：定时器根据内部时钟源递增计数。
4. 比较：当计数值达到设定值时，产生中断或触发特定事件。
5. 重载：如果是自动重装载模式，计数器自动重新加载初始值，继续计数。

3.2 计数器模式

工作过程：
1. 初始化：设置计数器的工作模式、初始值和中断使能。
2. 启动：通过控制寄存器启动计数器。
3. 计数：计数器根据外部输入信号递增计数。
4. 比较：当计数值达到设定值时，产生中断或触发特定事件。
5. 重载：如果是自动重装载模式，计数器自动重新加载初始值，继续计数。

4. 定时器/计数器的配置

4.1 设置工作模式

示例代码（C语言，假设使用8051单片机）：

// 设置定时器0为模式1（16位定时器）
TMOD = 0x01;  // 设置定时器0的工作模式
TH0 = 0xFC;   // 设置高8位初始值
TL0 = 0x18;   // 设置低8位初始值
TR0 = 1;      // 启动定时器0
ET0 = 1;      // 使能定时器0中断
EA = 1;       // 使能全局中断

4.2 设置预分频器

示例代码（C语言，假设使用STM32单片机）：

// 设置定时器2的预分频器
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 9999;   // 自动重装载值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 7199; // 预分频器值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); // 启动定时器2

4.3 中断处理

示例代码（C语言，假设使用8051单片机）：

void Timer0_ISR() interrupt 1 {// 清除定时器0中断标志TF0 = 0;// 执行中断服务程序// ...
}void main() {// 初始化定时器0TMOD = 0x01;  // 设置定时器0为模式1TH0 = 0xFC;   // 设置高8位初始值TL0 = 0x18;   // 设置低8位初始值TR0 = 1;      // 启动定时器0ET0 = 1;      // 使能定时器0中断EA = 1;       // 使能全局中断while (1) {// 主程序循环}
}

5. 实际应用示例

5.1 定时器生成延时

示例代码（C语言，假设使用8051单片机）：

#include <8051.h>void Timer0_ISR() interrupt 1 {static unsigned int count = 0;TF0 = 0;  // 清除定时器0中断标志count++;if (count >= 1000) {  // 延时1秒count = 0;// 执行延时后的操作}
}void main() {TMOD = 0x01;  // 设置定时器0为模式1TH0 = 0xFC;   // 设置高8位初始值TL0 = 0x18;   // 设置低8位初始值TR0 = 1;      // 启动定时器0ET0 = 1;      // 使能定时器0中断EA = 1;       // 使能全局中断while (1) {// 主程序循环}
}

5.2 计数器测量外部信号频率

示例代码（C语言，假设使用STM32单片机）：

#include "stm32f10x.h"void TIM2_Config(void) {TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;// 使能TIM2和GPIOA的时钟RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);// 配置PA0为输入GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;  // 上拉输入GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);// 配置TIM2TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 65535;  // 自动重装载值TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 7199; // 预分频器值TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);// 配置TIM2的输入捕获通道TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x00;TIM_ICInit(TIM2, &TIM_ICInitStructure);// 使能TIM2的中断TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);// 配置NVICNVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);// 启动TIM2TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}void TIM2_IRQHandler(void) {if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) {// 清除中断标志TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);// 执行中断服务程序// ...}
}int main(void) {TIM2_Config();while (1) {// 主程序循环}
}