单片机程序设计中的定时器应用精解：精确控制时间，把握系统节奏

# 1. 单片机定时器概述

单片机定时器是单片机系统中必不可少的外设，它可以提供精确的时间测量和控制功能。定时器广泛应用于各种嵌入式系统中，如时间测量、频率测量、PWM波形生成、系统控制等。

### 定时器的基本功能

单片机定时器具有以下基本功能：

- **时间测量：**定时器可以测量时间间隔，并产生延时或脉冲。
- **频率测量：**定时器可以测量信号的频率和周期。
- **PWM波形生成：**定时器可以生成可变占空比的脉冲宽度调制（PWM）波形。
- **系统控制：**定时器可以用于系统控制，如看门狗定时器、实时时钟等。

# 2. 单片机定时器的基本原理

### 2.1 定时器的类型和特点

单片机定时器主要分为两大类：

#### 2.1.1 定时器计数器

定时器计数器是一种基本的定时器，它可以对外部事件或内部时钟脉冲进行计数。计数器通常具有以下特点：

- **可编程分频器：**可以对时钟脉冲进行分频，从而产生不同频率的时基信号。
- **可编程预置值：**可以设置一个预置值，当计数器达到预置值时，它会产生一个中断信号。
- **可编程比较值：**可以设置一个比较值，当计数器达到比较值时，它会产生一个输出信号。

#### 2.1.2 定时器比较器

定时器比较器是一种更高级的定时器，它可以将两个输入信号进行比较，并根据比较结果产生输出信号。比较器通常具有以下特点：

- **可编程比较值：**可以设置一个比较值，当两个输入信号相等或超过比较值时，它会产生一个输出信号。
- **可编程触发模式：**可以设置触发模式，例如上升沿触发、下降沿触发或电平触发。
- **可编程输出模式：**可以设置输出模式，例如单脉冲输出、连续输出或PWM输出。

### 2.2 定时器的时基和精度

定时器的时基和精度是两个关键参数，它们决定了定时器的性能。

#### 2.2.1 时钟源的选择

定时器的时基由时钟源决定。时钟源可以是内部时钟或外部时钟。

- **内部时钟：**内部时钟由单片机内部的振荡器产生，具有较高的稳定性，但频率相对较低。
- **外部时钟：**外部时钟由外部晶振或时钟信号源提供，具有较高的频率，但稳定性不如内部时钟。

#### 2.2.2 分频和倍频技术

为了获得不同的时基频率，可以使用分频和倍频技术。

- **分频：**将时钟脉冲进行分频，从而降低时基频率。
- **倍频：**将时钟脉冲进行倍频，从而提高时基频率。

通过分频和倍频技术，可以灵活地配置定时器的时基频率，以满足不同的应用需求。

# 3.1 定时器在时间测量中的应用

定时器在时间测量中扮演着至关重要的角色，可用于实现延时、脉冲生成、频率和周期测量等功能。

#### 3.1.1 延时和脉冲生成

**延时：**

定时器可以产生精确的延时，方法是将定时器设置为以特定频率计数。当计数达到预设值时，定时器会产生一个中断，从而触发所需的操作。

// 延时 100ms
volatile uint32_t delay_count = 10000;
void delay_ms(uint32_t ms) {
  delay_count = ms * 10000;
  while (delay_count > 0) {
    delay_count--;
  }
}

**脉冲生成：**

定时器还可以生成脉冲，方法是将定时器设置为以特定频率计数。当计数达到预设值时，定时器会输出一个脉冲信号。

// 产生 1Hz 脉冲
void generate_pulse(void) {
  // 设置定时器频率为 1Hz
  // ...

  // 进入无限循环，持续产生脉冲
  while (1) {
    // 等待定时器中断
    // ...

    // 输出脉冲信号
    // ...
  }
}

#### 3.1.2 频率和周期测量

**频率测量：**

定时器可以测量信号的频率，方法是将定时器设置为以特定频率计数。当计数达到预设值时，定时器会产生一个中断。中断处理程序记录中断发生的时间间隔，从而计算出信号的频率。

// 测量信号频率
uint32_t measure_frequency(void) {
  // 设置定时器频率为 1MHz
  // ...

  // 等待定时器中断
  // ...