单片机定时器应用：从原理到实战，掌握时间控制的精髓

# 1. 单片机定时器的基本原理**

单片机定时器是一种外设模块，用于生成精确的时间间隔或测量时间间隔。它由一个计数器、一个控制寄存器和一个中断控制寄存器组成。计数器用于计数时钟脉冲，控制寄存器用于配置定时器的模式、时钟源和分频比，中断控制寄存器用于使能或禁止定时器中断。

定时器的基本工作原理如下：

* **计数时钟脉冲：**定时器从指定的时钟源接收时钟脉冲，并将其计数到计数器中。
* **模式选择：**控制寄存器中的模式位用于选择定时器的操作模式，如自由运行模式、单次触发模式或捕获模式。
* **时钟源和分频：**控制寄存器中的时钟源位用于选择定时器的时钟源，如内部时钟、外部时钟或晶振时钟。分频比用于降低时钟频率，以获得更长的定时周期。
* **中断触发：**当计数器达到预设值时，定时器会触发一个中断请求。中断服务程序可以根据需要执行特定的操作。

# 2.1 定时器寄存器的配置和控制

### 2.1.1 定时器模式选择

**定时器模式**

单片机定时器通常支持多种工作模式，常见的有：

- **自由运行模式：**定时器不断递增，达到最大值后重新从 0 开始。
- **定时模式：**定时器达到指定值时产生中断。
- **计数模式：**定时器作为外部事件计数器。
- **PWM 输出模式：**定时器输出脉宽调制信号。

**模式选择寄存器**

定时器模式通常通过一个模式选择寄存器（如 TCCR0A）进行配置。该寄存器包含多个位域，用于设置定时器的模式、时钟源和分频系数。

**示例代码：**

// 设置定时器 0 为自由运行模式
TCCR0A |= (1 << WGM00);

### 2.1.2 定时器时钟源和分频设置

**时钟源**

定时器可以由不同的时钟源驱动，常见的有：

- **系统时钟：**单片机的内部时钟。
- **外部时钟：**外部晶振或脉冲信号。

**分频系数**

为了降低定时器计数频率，可以设置分频系数。分频系数将时钟源频率除以一个指定的值，从而降低定时器的计数速度。

**时钟源和分频设置寄存器**

时钟源和分频系数通常通过一个时钟源和分频设置寄存器（如 TCCR0B）进行配置。该寄存器包含多个位域，用于设置时钟源和分频系数。

**示例代码：**

// 设置定时器 0 的时钟源为系统时钟，分频系数为 1024
TCCR0B |= (1 << CS02) | (1 << CS00);

# 3. 单片机定时器的实战应用

### 3.1 精确延时控制

在单片机系统中，经常需要进行精确的延时操作，例如控制LED闪烁、蜂鸣器报警等。单片机定时器提供了两种延时方法：软件延时和硬件定时器延时。

#### 3.1.1 软件延时方法

软件延时方法通过软件循环来实现延时，代码实现如下：

void delay_ms(uint32_t ms) {
    uint32_t i;
    for (i = 0; i < ms * 1000; i++) {
        // 延时1us
    }
}

软件延时方法简单易用，但延时精度受系统时钟频率影响，且会占用CPU资源。

#### 3.1.2 硬件定时器延时方法

硬件定时器延时方法利用单片机内置的定时器外设实现延时，代码实现如下：

void delay_ms_timer(uint32_t ms) {
    // 配置定时器参数
    // ...

    // 启动定时器
    // ...

    // 等待定时器中断
    while (TIM_GetFlag(TIMx, TIM_FLAG_UPDATE) == RESET) {}

    // 清除定时器中断标志位
    TIM_ClearFlag(TIMx, TIM_FLAG_UPDATE);
}

硬件定时器延时方法精度高，不受CPU资源占用影响，但配置和使用相对复杂。

### 3.2 定时器驱动输出

单片机定时器还可以用来驱动输出设备，例如LED和蜂鸣器。

#### 3.2.1 LED闪烁控制

使用定时器控制LED闪烁，代码实现如下：

void led_blink(uint32_t period_ms) {
    // 配置定时器参数
    // ...

    // 启动定时器
    // ...

    while (1) {
        // 等待定时器中断
        while (TIM_GetFlag(TIMx, TIM_FLAG_UPDATE) == RESET) {}

        // 清除定时