【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0
      TMOD = 0x01;  // 设置定时器0为模式1
      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
  
      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1
      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
  
      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TIM2
      TIM_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NVIC
      NVIC_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TIM2
      TIM_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
      }
  }

总结

定时器/计数器是单片机中非常重要的模块，通过合理配置和使用，可以实现多种时间测量和事件计数功能。

原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_42300449/article/details/143835480

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