第4章 定时器（TIM）基础：从工作原理到呼吸灯实战

定时器这东西，可以说是STM32里最常用的外设之一了。我刚开始做嵌入式那会儿，总觉得定时器就是用来计个时、定个闹钟，后来才发现它的玩法远比想象中丰富。PWM输出、输入捕获、编码器接口……很多高级功能都离不开它。

这一章，咱们就把定时器的底裤扒干净。从工作原理讲起，再到HAL库的封装，最后用两个实战案例——定时中断和呼吸灯，让你彻底搞懂它。

4.1 定时器的工作原理——其实没那么玄乎

说白了，定时器就是一个会自己加1的计数器。它内部有一个CNT寄存器，每来一个时钟脉冲就加1。当CNT的值达到我们设定的ARR（自动重装载寄存器）时，就会触发一个事件——要么产生中断，要么翻转输出电平。

那这个时钟脉冲从哪来？两个途径：

• 内部时钟（CK_INT）：来自APB总线，通常是几十MHz
• 外部时钟（TIx/ETR）：从GPIO引脚输入，可以接编码器或外部信号

这里有个关键器件叫预分频器（PSC）。你想想看，如果直接拿72MHz去计数，那1秒钟要数7200万次，ARR得设到7200万才能得到1秒的周期——这显然不现实。PSC的作用就是把时钟频率降下来。

我在项目中遇到过一个问题：用TIM2做1ms定时，算出来的PSC和ARR明明没错，但实际跑起来就是不对。后来查了半天，发现是APB1的时钟树配置问题——TIM2挂在APB1上，如果APB1分频系数不是1，那么定时器的时钟会翻倍。嗯，这里要注意，查数据手册的时钟树是基本功。

4.2 三种计数模式，你都得会

计数模式	工作方式	典型应用
向上计数	CNT从0递增到ARR，然后归零重新开始	普通定时中断、周期性任务
向下计数	CNT从ARR递减到0，然后跳回ARR重新开始	某些特殊时序控制
中央对齐	CNT先递增到ARR，再递减到0，如此反复	对称PWM、电机控制

我个人习惯，90%的场景都用向上计数模式。向下计数用得少，中央对齐模式主要是在做电机FOC控制时才会用到。初学者先把向上计数玩熟就够了。

4.3 HAL库定时器函数——三板斧

HAL库把定时器的操作封装得很规整。我总结了一套"三板斧"套路，你照着来就行：

1. 初始化：配置PSC、ARR、计数模式
2. 启动：启动计数，可选是否开启中断
3. 回调：在中断回调函数里写你的业务逻辑

核心函数就这几个：

// 1. 初始化定时器句柄
TIM_HandleTypeDef htim2;

// 2. 配置时基单元
htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 7199;         // PSC预分频
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; // 向上计数
htim2.Init.Period = 999;             // ARR自动重装载值
htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_Base_Init(&htim2);

// 3. 启动定时器（中断模式）
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);

// 4. 中断回调函数
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if(htim->Instance == TIM2)
    {
        // 你的业务代码，比如翻转LED
        HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);
    }
}

另外，启动函数有三种变体，区别在于是否开启中断和DMA：

函数	说明
HAL_TIM_Base_Start	纯软件启动，不产生中断
HAL_TIM_Base_Start_IT	启动并开启中断
HAL_TIM_Base_Start_DMA	启动并配合DMA传输

4.4 实战一：定时中断——让LED以精确间隔闪烁

咱们来写一个完整的例子。目标：用TIM2产生1Hz的中断，让板载LED以1秒为周期闪烁。

步骤1：CubeMX配置

• 选择TIM2，时钟源选Internal Clock
• Prescaler设为7199（72MHz / 7200 = 10kHz）
• Counter Period设为4999（10kHz / 5000 = 2Hz）
• NVIC Settings里使能TIM2全局中断

步骤2：生成代码，添加用户逻辑

// main.c 中的 MX_TIM2_Init 函数由CubeMX自动生成
// 我们只需要在 main() 中启动定时器

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_TIM2_Init();

    // 启动定时器中断
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);

    while (1)
    {
        // 主循环可以干别的事
        // 中断里已经处理了LED翻转
    }
}

// 在 stm32f1xx_it.c 或用户文件中添加回调
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if(htim->Instance == TIM2)
    {
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB, GPIO_PIN_0); // 假设LED在PB0
    }
}

4.5 实战二：PWM输出与呼吸灯——让LED学会呼吸

PWM的全称是脉冲宽度调制。说白了，就是在一个周期内，让高电平的时间（占空比）可调。人眼有视觉暂留效应，只要频率够高（通常1kHz以上），看到的就不是闪烁，而是亮度变化。

呼吸灯的原理就更简单了：让占空比从0%逐渐增加到100%，再从100%逐渐减小到0%，如此循环。LED就会像呼吸一样，由暗变亮再变暗。

步骤1：CubeMX配置PWM通道

• 选择TIM3，通道1（假设对应PA6）
• 时钟源Internal Clock，PSC=71，ARR=999（得到1kHz的PWM频率）
• Channel1模式选PWM Generation CH1
• NVIC里不用开中断（PWM不需要中断）

步骤2：代码实现呼吸效果

// 启动PWM输出
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);

// 呼吸灯主循环
uint16_t duty = 0;
int8_t direction = 1;

while (1)
{
    // 设置占空比
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, duty);

    // 延时10ms（可以用HAL_Delay，但实际项目中建议用定时器）
    HAL_Delay(10);

    // 更新占空比方向
    duty += direction * 5;
    if(duty >= 1000) direction = -1;
    if(duty == 0)    direction = 1;
}

我在项目中用过这个思路做呼吸式状态指示灯——设备正常运行时LED缓慢呼吸，故障时快速闪烁。用户一看就明白设备状态，连说明书都不用看。

4.6 定时器配置速查表

为了方便你快速上手，我把常用配置整理成了一张表。假设系统时钟72MHz：

目标功能	PSC	ARR	实际频率/周期
1ms定时中断	71	999	1kHz / 1ms
10ms定时中断	719	999	100Hz / 10ms
1s定时中断	7199	9999	1Hz / 1s
1kHz PWM（呼吸灯）	71	999	1kHz
10kHz PWM（电机）	71	99	10kHz

你可能会问：为什么PSC和ARR要这么搭配？其实核心就一句话——先降频到合适范围，再精确计数。PSC负责粗调，ARR负责细调。两者配合，就能得到你想要的任何频率。

好了，定时器的基础内容就这些。从工作原理到HAL库函数，再到两个实战项目，这一套走下来，你应该能自己上手写定时器相关的代码了。记住我那句老话：先算频率，再配参数，最后写回调。顺序别搞反，能省不少调试时间。