# 单片机定时器工作原理：原理与配置方法 ## 一、单片机定时器工作原理
- 单片机定时器本质上是一个计数器，在定时模式下，它以单片机内部时钟信号作为计数脉冲源。内部时钟信号通常由晶振产生，经过分频器分频后得到适合定时器计数的频率。例如，若晶振频率为12MHz，经过12分频后，得到1MHz的计数脉冲，即每1微秒定时器的计数值增加1。定时器从预先设定的初始值开始，随着计数脉冲的不断输入，计数值持续累加。当计数值达到设定的最大值（如8位计数器达到255，16位计数器达到65535）时，就会产生溢出。溢出时，定时器会产生一个中断信号或设置溢出标志位，通知单片机执行相应的操作，如定时时间到后执行特定的任务。
- 在计数模式下，定时器对外部输入的脉冲信号进行计数。外部脉冲信号通过单片机的特定引脚输入，比如51单片机的T0（P3.4）和T1（P3.5）引脚。定时器会在每个脉冲的上升沿或下降沿（具体可通过控制寄存器设置）检测到脉冲时，计数值加1。这种方式常用于统计外部事件发生的次数，例如在工业生产线上，通过传感器检测产品通过的数量，每通过一个产品，传感器就会产生一个脉冲信号，单片机的定时器对这些脉冲进行计数，从而实现产品数量的统计。
- 在该模式下，定时器由THx的8位和TLx的低5位组成一个13位的计数器。此模式适用于对定时精度要求不高，但需要较大定时范围的场景。例如，在一些简单的定时唤醒功能中，可以使用模式0来实现较长时间的定时。由于其计数位数相对较少，所以定时精度相对较低，但能满足一些对时间精度要求不苛刻的应用需求。例如，设定初值为0x1000，当计数到0x1FFF时产生溢出，溢出周期相对较长。
- 模式1是最常用的工作模式，它使用THx和TLx的全部16位作为计数器。由于具有较多的计数位数，这种模式在定时精度和定时范围之间取得了较好的平衡。比如在电机转速控制中，通过模式1产生精确的定时中断，来调整PWM波的占空比，从而实现对电机转速的精准控制。在许多需要高精度定时的应用场景中，模式1都能发挥很好的作用。例如，设定初值为0x0000，当计数到0xFFFF时产生溢出，可通过精确设置初值来实现不同的定时需求。
- 此模式下，TLx作为8位计数器，THx用于保存预置初值。当TLx计数溢出时，THx的值会自动重装到TLx中，使得定时器可以实现自动连续的定时。常用于需要固定时间间隔的应用，如串口通信中的波特率发生器，通过模式2可以产生稳定的波特率时钟信号。在这种模式下，无需每次溢出后都重新设置初值，大大简化了程序设计，提高了定时的稳定性和可靠性。例如，设定THx为0x60，TLx从0x00开始计数，当TLx溢出（计数值达到0xFF）时，THx的0x60会自动重装到TLx，然后继续计数。
- 在模式3下，定时器0被拆分为两个独立的8位定时器TL0和TH0。TL0可选择定时或计数模式，使用原定时器0的控制位和中断源；TH0则只能工作在定时模式，且使用定时器1的控制位和中断源。这种模式适用于需要同时进行两个不同定时任务的情况，例如在一个既需要定时采集数据又需要定时发送数据的系统中，可以利用模式3分别对这两个定时任务进行独立控制。 ## 二、单片机定时器配置方法
- 首先要根据具体的应用场景确定定时器的工作模式。如果需要较长时间的定时且对精度要求不高，可选择模式0；若需要高精度定时和较大的定时范围平衡，模式1是较好的选择；对于需要固定时间间隔且自动连续定时的任务，如串口通信，模式2更为合适；当需要同时执行两个不同定时任务时，模式3能满足需求。例如，在一个简单的LED闪烁程序中，若希望闪烁频率不需要特别精确，可选择模式0；若要精确控制闪烁频率，模式1更合适。
- 确定工作模式后，通过设置相应的控制寄存器来选择工作模式。以51单片机为例，TMOD寄存器用于设置定时器的工作方式，其中低4位控制定时器0，高4位控制定时器1。要将定时器0设置为模式1，可将TMOD的低4位设置为0x01（二进制为0001）。
- 根据定时时间或计数次数要求计算定时器的初值。在定时模式下，定时时间\(T\)与计数脉冲周期\(T_{count}\)、计数器位数\(n\)和初值\(X\)的关系为：\(T = (2^n - X) \times T_{count}\)。例如，在模式1下（16位计数器，\(n = 16\)），若晶振频率为12MHz，经过12分频后计数脉冲周期\(T_{count}=1\)微秒，要实现10毫秒的定时，可计算初值\(X\)：\(10 \times 1000 = (2^{16} - X) \times 1\)，解得\(X = 65536 - 10000 = 55536\)，转换为十六进制为0xD8F0。在计数模式下，根据需要统计的外部事件次数来设置初值，如要统计100个外部脉冲，初值可设为\(256 - 100 = 156\)（假设为8位计数器）。
- 计算出初值后，将其写入相应的定时器寄存器。对于16位计数器（如模式1），高8位初值写入THx寄存器，低8位初值写入TLx寄存器。例如，上述计算得到的初值0xD8F0，应将0xD8写入TH0，0xF0写入TL0。
- 通过设置控制寄存器来启动定时器。在51单片机中，TCON寄存器的TR0（控制定时器0）和TR1（控制定时器1）位用于启动和停止定时器。要启动定时器0，可将TCON寄存器的TR0位置1，即\(TR0 = 1\)。
- 若要停止定时器，将相应的控制位清零即可。例如，要停止定时器0，将TR0位置0，即\(TR0 = 0\)。在一些应用中，可能需要根据特定条件动态地启动和停止定时器，如在一个电量监测系统中，当电量低于一定阈值时停止定时器，以节省功耗。
- 如果希望定时器溢出时产生中断，需要进行中断设置。首先要使能定时器对应的中断允许位。在51单片机中，IE寄存器的ET0（定时器0中断允许位）和ET1（定时器1中断允许位）用于控制定时器中断。要使能定时器0中断，可将IE寄存器的ET0位置1，即\(ET0 = 1\)。同时，还要使能总中断允许位EA，即\(EA = 1\)。
- 开启中断后，需要编写中断服务程序。当中断发生时，单片机将跳转到中断服务程序执行。在中断服务程序中，可以编写定时时间到后需要执行的任务代码。例如，在一个定时采集温度数据的系统中，中断服务程序可以读取温度传感器的数据，并进行存储或处理。
