单片机学习系列（3）：定时器原理与应用

单片机学习系列（3）：定时器原理与应用

一、定时器概述

• 作用与意义：定时器是单片机中非常重要的一个功能模块，它能够精确地产生定时信号，在很多应用场景中起着关键作用。比如可以用于实现周期性的任务执行，像每隔一定时间去采集一次传感器数据；还能用于产生PWM（脉冲宽度调制）波形，以控制电机转速、调节灯光亮度等。
• 基本原理：单片机内部的定时器本质上是一个计数器，它通过对特定的时钟信号进行计数来实现定时功能。这个时钟信号可以是单片机内部的系统时钟经过分频后得到的，当计数达到设定的计数值时，就会产生相应的定时中断或者触发其他预设的动作。

二、定时器的相关寄存器

• 控制寄存器：不同单片机的定时器控制寄存器名称和具体位功能会稍有差异，但一般都包含诸如启动/停止定时器、选择定时器工作模式、设置是否允许中断等控制位。例如在51单片机中，TMOD寄存器用于控制定时器的工作方式选择等，TCON寄存器则涉及定时器的启动、停止以及中断标志等相关操作。
• 计数初值寄存器：要实现特定的定时时间，就需要给定时器设置合适的计数初值。像TH（高字节）和TL（低字节）寄存器（以51单片机为例），通过给它们赋不同的值来确定定时器开始计数的初始状态，进而根据时钟频率和计数模式计算出最终的定时时长。

三、定时器工作模式（以51单片机为例）

模式0

• 特点：这是一种13位定时器/计数器模式，由TH的高8位和TL的低5位组成13位的计数器。在这种模式下，计数范围相对有限，但对于一些简单的、对定时精度要求不是特别高的短时间定时任务还是可以满足需求的。
• 应用场景：例如可以用于简单的LED闪烁频率控制，每隔几秒让LED状态改变一下等。

模式1

• 特点：16位定时器/计数器模式，TH和TL分别作为高8位和低8位构成完整的16位计数器，计数范围相比模式0增大了很多，能够实现较长时间的精确定时，是比较常用的一种工作模式。
• 应用场景：常用于像串口通信中的波特率发生器设置，确保数据按照准确的速率进行发送和接收；也可用于较为复杂的周期性任务调度，如定时采集多个传感器数据并且间隔时间较长的情况。

模式2

• 特点：自动重装载的8位定时器/计数器模式，TL作为8位计数器进行计数，当计数溢出时，TH中的值会自动装载到TL中，使得定时器可以持续不断地以固定的定时周期工作，不需要每次溢出后重新手动设置计数初值，方便快捷。
• 应用场景：适用于需要产生固定频率的脉冲信号场景，比如产生固定频率的方波去驱动蜂鸣器发声等。

模式3

• 特点：该模式下定时器0被拆分成两个独立的8位定时器，而定时器1在这种模式下通常会被强制停止计数，功能上比较特殊，主要用于一些特殊的、对定时器资源有灵活分配需求的应用场景。
• 应用场景：比如在资源有限且需要同时实现两个相对较短时间间隔的定时任务时，可以考虑使用定时器0的模式3来分别控制两个不同的定时操作。

四、利用定时器实现定时任务（以51单片机模式1为例，实现1秒定时并控制LED闪烁）

电路连接

假设LED灯连接到单片机的P2.0引脚（通过限流电阻连接到电源和地），以便通过定时器控制其闪烁。

C语言代码示例

#include <reg52.h>

sbit LED = P2^0;  //定义LED连接引脚

// 定时器0中断服务函数，用于处理定时到的操作
void Timer0_ISR() interrupt 1