单片机程序设计实验：定时器与计数器应用，解锁单片机时间管理与测量奥秘

# 1. 单片机定时器与计数器的基础**

单片机定时器和计数器是单片机系统中不可或缺的组成部分，它们在各种应用中发挥着至关重要的作用。定时器用于产生周期性中断，而计数器用于计数外部事件或测量时间间隔。

**1.1 定时器的基本原理**

定时器是一个内部硬件模块，它可以产生一个可配置的周期性时钟信号。时钟信号的频率由定时器的时钟源和预分频器决定。定时器还可以产生比较中断，当定时器计数器达到预设值时触发中断。

**1.2 计数器的基本原理**

计数器也是一个内部硬件模块，它可以计数外部事件或测量时间间隔。计数器可以配置为上升沿或下降沿触发，并且可以产生比较中断，当计数器达到预设值时触发中断。

# 2. 单片机定时器应用

### 2.1 定时器中断应用

#### 2.1.1 定时器中断的基本原理

定时器中断是单片机中一种重要的中断源，它允许单片机在特定时间间隔内执行特定的任务。定时器中断的基本原理如下：

- **定时器计数器：**定时器内部有一个计数器，它会以固定的频率递增或递减。
- **比较寄存器：**定时器还包含一个比较寄存器，用于设置一个目标值。
- **中断标志位：**当计数器值与比较寄存器值相等时，定时器会设置一个中断标志位。
- **中断服务程序：**当中断标志位被设置时，单片机会跳转到一个预先定义的中断服务程序 (ISR) 中执行。

#### 2.1.2 定时器中断应用实例

定时器中断应用广泛，包括：

- **周期性任务：**定时器中断可以用来执行周期性的任务，例如每秒更新显示屏上的时间。
- **延时：**定时器中断可以用来实现延时功能，例如在发送数据之前等待一段时间。
- **脉宽调制 (PWM)：**定时器中断可以用来生成 PWM 信号，用于控制电机速度或 LED 亮度。

### 2.2 定时器捕获应用

#### 2.2.1 定时器捕获的基本原理

定时器捕获功能允许单片机测量外部事件的发生时间或持续时间。其基本原理如下：

- **输入捕获：**定时器可以捕获外部信号的上升沿或下降沿，并将捕获时间存储在捕获寄存器中。
- **输出比较：**定时器还可以将捕获时间与比较寄存器中的值进行比较，并根据比较结果设置中断标志位。
- **中断服务程序：**当中断标志位被设置时，单片机会跳转到 ISR 中执行。

#### 2.2.2 定时器捕获应用实例

定时器捕获应用包括：

- **时间测量：**定时器捕获可以用来测量外部事件的发生时间或持续时间，例如测量传感器信号的周期或脉冲宽度。
- **频率测量：**定时器捕获可以用来测量外部信号的频率，例如测量音频信号的频率。
- **相位测量：**定时器捕获可以用来测量两个外部信号之间的相位差，例如测量两个传感器信号之间的相位差。

# 3.1 计数器中断应用

#### 3.1.1 计数器中断的基本原理

计数器中断是单片机中一种重要的中断源，它可以用来实现各种定时和计数功能。计数器中断的基本原理是：当计数器的计数值达到预置值时，计数器会产生一个中断请求信号，通知单片机进行中断处理。

计数器中断的处理过程如下：

1. 当计数器的计数值达到预置值时，计数器会产生一个中断请求信号。
2. 单片机收到中断请求信号后，会暂停当前正在执行的程序，转而执行中断服务程序。
3. 在中断服务程序中，单片机可以对计数器的计数值进行处理，例如清零或重新设置预置值。
4. 中断服务程序执行完成后，单片机恢复执行中断前的程序。

#### 3.1.2 计数器中断应用实例

计数器中断在单片机系统中有着广泛的应用，例如：

* **定时器应用：**可以通过设置计数器的预置值和中断服务程序中的操作来实现定时功能。例如，可以利用计数器中断来实现延时、定时器、周期性任务等功能。
* **计数器应用：**可以通过设置计数器的预置值和中断服务程序中的操作来实现计数功能。例如，可以利用计数器中断来统计脉冲数、测量频率、测量转速等。
* **频率测量：**可以通过设置计数器的预置值和中断服务程序中的操作来测量频率。例如，可以通过计数器中断来测量输入信号的频率。
* **脉冲计数：**可以通过设置计数器的预置值和中断服务程序中的操作来计数脉冲。例如，可以通过计数器中断来计数输入信号的脉冲数。

**代码示例：**

#include <reg51.h>

// 设置计数器中断
void init_timer() {
    TMOD = 0x01;  // 设置定时器0为16位定时器模式
    TH0 = 0xFF;   // 设置定时器0的初值
    TL0 = 0x00;
    ET0 = 1;      // 允许定时器0中断
    TR0 = 1;      // 启动定时器0
}

// 定时器0中断服务程序
void timer0_isr() interrupt 1 {
    TH0 = 0xFF;  // 重新设置定时器0的初值
    TL0 = 0x00;
    // 在中断服务程序中进行其他操作，例如清零计数器或其他处理
}

int main() {
    init_timer();
    while (1) {
        // 主程序代码
    }
}

**代码逻辑分析：**

* `init_timer()`函数中，设置定时器0为16位定时器模式，并设置定时器0的初值为0xFFFF。
* `timer0_isr()`函数为定时器0中断服务程序，当定时器0中断发生时，会执行该函数。
* 在中断服务程序中，重新设置定时器0的初值为0xFFFF，并进行其他操作，例如清零计数器或其他处理。
* `main()`函数中，调用`init_timer()`函数初始化定时器0，然后进入主程序循环。

# 4.1 单片机时钟系统

### 4.1.1 时钟系统的组成和原理

单片机时钟系统是单片机系统中负责产生和管理系统时钟的模块。它由以下主要组件组成：

- **时钟源：**时钟源是时钟系统的核心，负责产生稳定的时钟信号。常见的时钟源包括晶体振荡器、陶瓷谐振器和外部时钟输入。
- **时钟分频器：**时钟分频器用于将时钟源产生的高频时钟信号分频为系统所需的频率。
- **时钟控制寄存器：**时钟控制寄存器用于配置时钟系统，包括时钟源的选择、分频系数的设置和时钟输出的使能。

### 4.1.2 时钟系统的配置和使用

时钟系统的配置和使用涉及以下步骤：

1. **选择时钟源：**根据系统需求选择合适的时钟源，考虑稳定性、精度和成本等因素。
2. **设置时钟分频系数：**根据系统时钟频率要求设置时钟分频系数，确保系统时钟频率符合设计要求。
3. **使能时钟输出：**在时钟控制寄存器中使能时钟输出，以便将时钟信号输出到系统其他模块。

// STM32F103 系列时钟系统配置示例
RCC->CR |= RCC_CR_HSION; // 使能内部高频时钟
RCC->CFGR &= ~RCC_CFGR_PLLSRC; // 选择内部高频时钟作为 PLL 时钟源
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLMUL16; // 设置 PLL 乘数为 16
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLSRC_HSI_PREDIV; // 选择内部高频时钟作为 PLL 时钟源
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLDIV2; // 设置 PLL 分频系数为 2
RCC->CR |= RCC_CR_PLLON; // 使能 PLL
while (!(RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY)); // 等待 PLL 锁定
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_PLL; // 切换系统时钟源为 PLL

**代码逻辑逐行解读：**

1. `RCC->CR |= RCC_CR_HSION;`：使能内部高频时钟（HSI）。
2. `RCC->CFGR &= ~RCC_CFGR_PLLSRC;`：清除 PLL 时钟源选择位，选择内部高频时钟作为 PLL 时钟源。
3. `RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLMUL16;`：设置 PLL 乘数为 16，即 PLL 输出时钟频率为内部高频时钟频率的 16 倍。
4. `RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLSRC_HSI_PREDIV;`：选择内部高频时钟作为 PLL 时钟源。
5. `RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLDIV2;`：设置 PLL 分频系数为 2，即 PLL 输出时钟频率为 PLL 乘数输出频率的一半。
6. `RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;`：使能 PLL。
7. `while (!(RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY));`：等待 PLL 锁定，即 PLL 输出时钟稳定。
8. `RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_PLL;`：切换系统时钟源为 PLL。

# 5.1 单片机实时时钟

### 5.1.1 实时时钟的基本原理

实时时钟（RTC）是一种硬件设备，用于在单片机系统中保持准确的时间。它通常由一个时钟电路和一个电池供电的RAM组成，即使在单片机断电时也能保持时间。

RTC时钟电路通常基于石英晶体振荡器，该振荡器提供非常稳定的时钟信号。RAM用于存储时间信息，包括小时、分钟、秒、日期、月份和年份。

### 5.1.2 实时时钟的应用实例

RTC在单片机系统中具有广泛的应用，包括：

- **时间戳：**为事件和数据记录时间戳。
- **定时任务：**在特定时间安排任务，例如唤醒系统或触发事件。
- **日历功能：**显示日期和时间，并提供闹钟和提醒功能。
- **数据记录：**将数据记录到文件或数据库，并使用时间戳作为索引。
- **网络同步：**与网络时间服务器同步系统时间，以保持准确性。