定时器Timer详解：计数、延时、PWM输出和输入捕获一次讲清-平芜编程栈

定时器Timer详解：计数、延时、PWM输出和输入捕获一次讲清

一、本文适用场景

定时器 Timer 是单片机中非常核心的基础外设。无论是 STM32、GD32、51 单片机，还是其他 MCU，只要涉及时间控制、周期任务、PWM 输出、测频率、测脉宽，基本都会用到定时器。

很多初学者刚开始学习 Timer 时，通常只把它理解成“延时工具”。但实际上，Timer 的作用远不止延时。

定时器常见应用包括：

精确定时；
周期中断；
LED 周期闪烁；
按键消抖；
系统心跳；
任务调度；
PWM 输出；
LED 调光；
风扇调速；
电机控制；
舵机控制；
输入捕获；
测频率；
测周期；
测脉宽；
外部脉冲计数；
风扇测速。

本文将从 Timer 的基本概念开始，详细介绍：

什么是定时器；
PSC、CNT、ARR 分别是什么；
定时器为什么能实现延时；
定时器中断是怎么产生的；
PWM 频率和占空比怎么计算；
CCR 在 PWM 中的作用；
输入捕获如何测频率、周期和脉宽；
定时器常见应用；
Timer 不工作、PWM 没波形、输入捕获不准时如何排查。

二、什么是定时器Timer

Timer，中文通常称为：

定时器

从本质上看，定时器就是 MCU 内部的一个硬件计数器。

它可以按照固定节拍递增或递减计数。

这个节拍可以来自：

内部时钟

也可以来自：

外部脉冲

当计数值达到预设值时，Timer 可以产生一个事件，比如：

更新事件 中断事件 PWM翻转事件 输入捕获事件 输出比较事件

可以简单理解为：

Timer = 按固定节拍数数的硬件模块

它的核心能力是：

数时间 数脉冲 产生周期事件 输出周期波形 记录外部边沿到来的时间

所以定时器不是单纯用来 delay 的，而是整个嵌入式系统里非常重要的“时间控制中心”。

三、定时器能做什么

定时器常见功能包括：

功能	说明	典型应用
基本计数	对内部时钟或外部脉冲计数	时间基准、外部计数
定时延时	计数到设定值后产生事件	1ms、10ms、1s 定时
定时中断	周期性进入中断服务函数	系统心跳、周期任务
PWM输出	输出固定频率、可调占空比波形	LED调光、风扇调速、电机控制
输出比较	CNT 与 CCR 比较后触发动作	精准翻转、定时输出
输入捕获	捕获外部信号边沿时的 CNT 值	测频率、周期、脉宽
外部计数	对外部脉冲进行计数	编码器、风扇测速、脉冲计数

学习 Timer 时，建议先掌握三个基础概念：

PSC：预分频器 CNT：计数器 ARR：自动重装载寄存器

后面无论是定时、PWM，还是输入捕获，本质都离不开这几个概念。

图1 定时器 Timer 基础与作用

Timer 本质上是单片机内部的硬件计数器，可以用于计数、定时、PWM 输出、输入捕获、外部计数和中断触发等场景。

四、定时器的基本组成

一个基础定时器通常可以简化理解为下面几个部分：

定时器时钟 ↓ 预分频器 PSC ↓ 计数器 CNT ↓ 自动重装载寄存器 ARR ↓ 更新事件 / 中断

下面分别解释。

五、定时器时钟是什么

定时器需要一个时钟作为计数节拍。

这个时钟可以来自 MCU 内部总线时钟。

例如在 STM32 中，定时器时钟可能来自：

APB1 APB2

不同定时器挂载在不同总线上。

需要注意的是，某些 STM32 系列中，如果 APB 预分频不为 1，定时器时钟可能会变成 APB 时钟的 2 倍。

所以在计算定时时间前，必须先确认：

当前定时器真正的输入时钟是多少

如果这个时钟搞错，后面的 PSC、ARR 再怎么算都会不准。

六、PSC预分频器是什么

PSC 的全称可以理解为：

Prescaler

中文叫：

预分频器

它的作用是把定时器输入时钟分频，降低计数速度。

例如定时器输入时钟是：

72MHz

如果 PSC 设置为：

实际分频系数为：

PSC + 1 = 72

那么计数器 CNT 得到的计数频率为：

72MHz / 72 = 1MHz

也就是说，CNT 每 1 微秒加 1。

这里要注意：

实际分频值 = PSC + 1

不是 PSC 本身。

这是初学者很容易搞错的地方。

七、CNT计数器是什么

CNT 是当前计数值。

定时器工作时，CNT 会按照定时器计数频率递增或递减。

常见向上计数方式是：

0 → 1 → 2 → 3 → ... → ARR

当 CNT 计数到 ARR 后，会产生更新事件，然后 CNT 重新从 0 开始计数。

所以 CNT 可以理解为：

Timer当前已经数到哪里了

在调试定时器时，如果能看到 CNT 正在变化，通常说明：

定时器时钟已经工作 定时器已经启动 计数器正在运行

如果 CNT 一直不变，就要检查：

定时器时钟是否开启；
定时器是否启动；
计数模式是否正确；
外部时钟模式是否配置错误；
是否被调试器暂停。

八、ARR自动重装载寄存器是什么

ARR 的全称可以理解为：

Auto Reload Register

中文叫：

自动重装载寄存器

它决定计数器的上限。

在向上计数模式中：

CNT 从 0 开始计数 CNT 数到 ARR 产生更新事件 CNT 清零重新开始

所以 ARR 决定一个定时周期内需要计多少个数。

注意：

实际计数个数 = ARR + 1

因为 CNT 是从 0 开始数的。

例如 ARR = 999，则 CNT 会数：

0 ~ 999

一共是：

1000 个计数

九、定时器为什么能实现延时

定时器实现延时的原理非常简单：

固定频率计数 ↓ 数到设定值 ↓ 产生事件 ↓ 说明经过了一段固定时间

假设定时器计数频率为：

1MHz

也就是：

CNT 每 1 微秒加 1

如果 ARR = 999，那么 CNT 从 0 数到 999，一共 1000 个计数。

耗时为：

1000 × 1us = 1000us = 1ms

所以每次更新事件就表示经过了 1ms。

十、定时周期计算公式

定时器定时周期常用公式为：

定时周期 = (PSC + 1) × (ARR + 1) ÷ 定时器时钟

也可以写成：

Tout = (PSC + 1) × (ARR + 1) / Ftimer

其中：

PSC：预分频器值 ARR：自动重装载值 Ftimer：定时器输入时钟频率

对应的更新频率为：

更新频率 = 定时器时钟 ÷ [(PSC + 1) × (ARR + 1)]

十一、1ms定时示例

假设定时器时钟为：

72MHz

想得到：

1ms

可以设置：

PSC = 71 ARR = 999

计算过程：

PSC + 1 = 72 ARR + 1 = 1000

定时周期：

(71 + 1) × (999 + 1) ÷ 72,000,000 = 72 × 1000 ÷ 72,000,000 = 0.001s = 1ms

所以每 1ms 会产生一次更新事件。

十二、1s定时示例

假设定时器时钟为：

1MHz

想得到：

1s

可以设置：

PSC = 999 ARR = 999

计算过程：

PSC + 1 = 1000 ARR + 1 = 1000

定时周期：

1000 × 1000 ÷ 1,000,000 = 1s

所以每 1s 产生一次更新事件。

十三、定时器中断是怎么产生的

当 CNT 计数到 ARR 后，会产生更新事件。

如果同时打开了定时器更新中断，那么 CPU 就会进入定时器中断服务函数。

完整流程为：

定时器时钟输入 ↓ PSC分频 ↓ CNT开始计数 ↓ CNT计数到ARR ↓ 产生更新事件 ↓ 更新中断标志置位 ↓ NVIC响应中断 ↓ CPU进入定时器ISR ↓ 清除中断标志 ↓ 执行定时任务

定时器中断常用于：

系统心跳；
定时扫描；
软件计时；
任务调度；
按键消抖；
超时检测。

图2 定时器计数与定时延时详解

PSC 用于分频，CNT 负责计数，ARR 决定计数上限。CNT 从 0 数到 ARR 后产生更新事件，从而实现固定周期定时。

十四、PWM是什么

PWM 的英文全称是：

Pulse Width Modulation

中文叫：

脉冲宽度调制

PWM 本质上是一种周期性的高低电平波形。

它通过调节高电平持续时间占整个周期的比例，来控制输出信号的平均电压或平均功率。

PWM 有两个核心参数：

频率 占空比

十五、PWM频率是什么

PWM 频率表示：

1秒内PWM周期重复多少次

单位是：

Hz

例如：

1kHz

表示每秒有 1000 个 PWM 周期。

PWM 频率由定时器的计数周期决定。

常用公式为：

PWM频率 = 定时器时钟 ÷ [(PSC + 1) × (ARR + 1)]

可以看到，PWM 频率和定时器更新频率本质上是一样的。

十六、PWM占空比是什么

占空比表示：

高电平时间占整个周期的比例

公式为：

占空比 = 高电平时间 ÷ 周期 × 100%

在定时器 PWM 中，高电平时间通常由 CCR 决定。

CCR 可以理解为：

比较寄存器

在常见 PWM 模式中，CNT 从 0 开始计数，当 CNT 小于 CCR 时输出一种电平，当 CNT 大于或等于 CCR 时输出另一种电平。

常见占空比计算公式为：

占空比 = CCR ÷ (ARR + 1) × 100%

例如：

ARR = 999 CCR = 500

占空比约为：

500 ÷ 1000 × 100% = 50%

十七、PWM中的ARR和CCR分别控制什么

可以这样理解：

ARR 决定 PWM 的周期 CCR 决定 PWM 的高电平持续时间

也就是说：

ARR 影响频率 CCR 影响占空比

例如：

ARR 增大 → 周期变长 → PWM频率降低 ARR 减小 → 周期变短 → PWM频率升高 CCR 增大 → 高电平时间变长 → 占空比增大 CCR 减小 → 高电平时间变短 → 占空比减小

所以调 PWM 时，必须区分：

改频率：主要改 PSC / ARR 改占空比：主要改 CCR

十八、PWM占空比示例

假设：

ARR = 999

那么一个周期有：

1000 个计数

如果：

CCR = 250

占空比为：

250 / 1000 = 25%

如果：

CCR = 500

占空比为：

500 / 1000 = 50%

如果：

CCR = 750

占空比为：

750 / 1000 = 75%

占空比越大，高电平持续时间越长。

对于多数低通或平均功率型负载来说，占空比越大，平均电压或平均功率越大。

十九、PWM常见应用

PWM 常见应用包括：

1. LED调光

通过改变占空比改变 LED 的平均亮度。

占空比小 → LED暗 占空比大 → LED亮

2. 风扇调速

改变 PWM 占空比，可以改变风扇的平均驱动功率，从而调节转速。

3. 电机控制

PWM 常用于直流电机调速。

实际项目中通常配合：

MOSFET；
H桥；
电机驱动芯片；
电流采样；
速度反馈。

4. 蜂鸣器

通过改变 PWM 频率，可以改变蜂鸣器音调。

通过改变占空比，可以影响声音效果。

5. 舵机控制

舵机通常根据固定周期内的高电平脉宽判断角度。

例如常见舵机可能使用：

20ms周期 0.5ms ~ 2.5ms高电平脉宽

不同舵机参数可能不同，应以实际产品手册为准。

图3 PWM 输出原理与应用详解

PWM 通过频率和占空比描述波形。ARR 决定周期和频率，CCR 决定高电平时间和占空比。PWM 常用于 LED 调光、风扇调速、电机控制和舵机控制。

二十、输入捕获是什么

输入捕获是定时器的一种重要功能。

它可以在外部输入信号出现指定边沿时，把当前 CNT 的值自动保存到 CCR 捕获寄存器中。

可以简单理解为：

外部边沿到来的一瞬间 Timer立刻记录当前时间点

输入捕获常用于测量：

周期；
频率；
高电平脉宽；
低电平脉宽；
占空比；
外部脉冲时间间隔；
风扇转速；
超声波回波时间；
PWM输入信号参数。

二十一、输入捕获的基本流程

输入捕获的基本流程如下：

外部信号接入定时器通道 ↓ 选择捕获边沿 ↓ 外部边沿到来 ↓ 定时器把当前CNT锁存到CCR ↓ 捕获标志置位 ↓ 可触发捕获中断 ↓ 软件读取CCR计算时间

关键点是：

CCR中保存的是边沿到来那一刻的CNT值

所以输入捕获本质上是让定时器“看见边沿，并记下时间点”。

二十二、输入捕获测频率

如果要测一个周期信号的频率，可以连续捕获两个上升沿。

例如：

第1个上升沿捕获值 = CCR1 第2个上升沿捕获值 = CCR2

两个捕获值的差为：

周期计数值 = CCR2 - CCR1

如果定时器计数频率为：

Ftimer

那么周期为：

T = 周期计数值 ÷ Ftimer

频率为：

f = Ftimer ÷ 周期计数值

如果发生计数器溢出，则需要考虑 ARR 溢出修正。

二十三、输入捕获测脉宽

如果要测高电平脉宽，可以：

上升沿捕获作为起点 下降沿捕获作为终点

假设：

上升沿捕获值 = CCR_rise 下降沿捕获值 = CCR_fall

那么高电平计数值为：

CCR_fall - CCR_rise

脉宽时间为：

高电平计数值 ÷ Ftimer

例如定时器计数频率为：

1MHz

也就是 1 个计数等于 1 微秒。

如果上升沿和下降沿差值为：

那么高电平脉宽就是：

1500us = 1.5ms

这类测量常用于：

舵机信号测量；
PWM 输入占空比测量；
超声波回波时间；
脉冲宽度检测。

二十四、输入捕获测风扇转速

风扇通常会输出测速脉冲。

假设风扇每转一圈输出 2 个脉冲。

通过输入捕获测得脉冲频率后，可以计算 RPM。

如果测得脉冲频率为：

Fpulse

每圈脉冲数为：

PPR

则转速为：

RPM = Fpulse × 60 ÷ PPR

例如：

Fpulse = 100Hz PPR = 2

则：

RPM = 100 × 60 ÷ 2 = 3000 RPM

实际项目中还要考虑滤波、抖动、低速测量、超时判断等问题。

二十五、输入捕获注意事项

输入捕获常见注意点包括：

1. 边沿选择要正确

根据测量目的选择：

上升沿捕获 下降沿捕获 双边沿捕获

如果边沿选错，计算结果就会错误。

2. 定时器计数频率要合适

计数频率太低：

分辨率不够 测量精度差

计数频率太高：

容易溢出 需要频繁处理

3. 要考虑溢出

如果两次捕获之间 CNT 发生了溢出，就不能简单直接相减。

需要根据溢出次数修正。

例如：

真实计数差 = 溢出次数 × (ARR + 1) + 当前捕获值 - 上次捕获值

4. 信号要滤波

输入信号如果有毛刺，可能导致误捕获。

可以使用：

硬件滤波；
定时器输入滤波；
软件滤波；
外部整形电路。

图4 输入捕获 Input Capture 详解

输入捕获可以在外部信号边沿到来时锁存 CNT 值。连续两次捕获可以测周期和频率，上升沿与下降沿捕获可以测高电平脉宽。

二十六、输出比较是什么

输出比较也是定时器常见功能。

它的基本思想是：

CNT不断计数 当CNT等于CCR时 定时器产生比较事件

根据配置不同，比较事件可以触发：

输出翻转；
输出置位；
输出复位；
产生中断；
触发 DMA；
控制 PWM 波形。

PWM 本质上也和比较功能密切相关。

在 PWM 模式中，定时器不断比较：

CNT 和 CCR

然后根据比较结果决定输出高电平还是低电平。

二十七、外部计数是什么

除了使用内部时钟计数，Timer 也可以对外部脉冲进行计数。

这就是外部计数模式。

例如：

外部每来一个脉冲 CNT加1

外部计数常用于：

编码器脉冲计数；
流量计脉冲计数；
风扇转速脉冲统计；
外部事件计数；
频率较低的脉冲累计。

外部计数和输入捕获的区别是：

外部计数：关心来了多少个脉冲 输入捕获：关心脉冲什么时候来

二十八、Timer常见调试问题

1. 定时器不计数

可能原因包括：

定时器外设时钟没开启；
定时器没有启动；
计数模式配置错误；
PSC / ARR 设置不合理；
使用了外部时钟但外部没有脉冲；
调试模式下定时器被暂停；
定时器实例选错。

排查时可以先查看：

CNT 是否在变化

如果 CNT 不变，说明 Timer 还没有真正跑起来。

2. 定时时间不准

可能原因包括：

定时器输入时钟算错；
APB 分频导致定时器时钟倍频没考虑；
PSC / ARR 公式使用错误；
忘记 PSC 和 ARR 实际都要加 1；
中断处理时间太长；
软件中重复修改计数器；
使用阻塞延时代替硬件定时。

最常见错误是把公式写成：

PSC × ARR

而不是：

(PSC + 1) × (ARR + 1)

3. PWM没有波形

可能原因包括：

GPIO 没配置成复用功能；
定时器通道没有映射到正确引脚；
PWM 通道没有使能；
定时器没有启动；
CCR 设置为 0；
CCR 大于 ARR 导致占空比异常；
ARR / PSC 设置错误；
高级定时器没有使能主输出 MOE；
输出极性配置错误；
示波器测错引脚。

排查 PWM 时，建议按顺序检查：

定时器是否启动 GPIO是否是AF复用 通道是否正确 ARR/PSC/CCR是否合理 通道输出是否使能 实际引脚是否有波形

4. 输入捕获不准

可能原因包括：

捕获边沿选错；
输入引脚复用错误；
信号没有真正到达引脚；
计数频率太低导致分辨率不足；
计数频率太高导致溢出频繁；
没有处理计数器溢出；
输入滤波设置不合理；
信号毛刺导致误捕获；
软件读取 CCR 顺序错误；
捕获中断处理太慢。

排查输入捕获时，建议先用示波器确认外部信号本身是否正常。

二十九、Timer调试推荐顺序

Timer 相关问题建议按下面顺序排查：

第1步：确认定时器外设时钟是否开启 第2步：确认定时器实例是否正确 第3步：确认定时器是否启动 第4步：查看CNT是否在变化 第5步：确认PSC、ARR、CCR计算是否正确 第6步：确认GPIO复用功能是否正确 第7步：确认通道映射是否正确 第8步：如果使用中断，确认中断使能和NVIC配置 第9步：确认中断标志是否正确清除 第10步：如果使用PWM，用示波器看输出波形 第11步：如果使用输入捕获，用示波器看输入信号 第12步：最后再检查业务逻辑

Timer 的调试核心是：

先看时钟和计数 再看寄存器配置 最后看引脚和波形

图5 定时器调试与故障排查指南

Timer 不工作、PWM 没输出、输入捕获不准时，应从时钟、GPIO 复用、PSC/ARR/CCR、模式配置、中断/DMA 和实际波形逐层排查。

三十、STM32 HAL定时器中断示例

下面代码只作为理解思路，不同芯片和库函数会有差异。

1. 启动定时器中断

HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);

2. 定时器中断回调

voidHAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef*htim){if(htim->Instance==TIM2){/* 例如每1ms进入一次 */system_tick++;}}

通常建议中断中只做轻量处理，例如计数或置标志。

三十一、STM32 HAL PWM输出示例

1. 启动PWM

HAL_TIM_PWM_Start(&htim3,TIM_CHANNEL_1);

2. 修改占空比

__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3,TIM_CHANNEL_1,500);

如果：

ARR = 999 CCR = 500

则占空比约为 50%。

实际工程中可以封装函数：

voidpwm_set_duty(uint16_tduty){if(duty>1000){duty=1000;}__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3,TIM_CHANNEL_1,duty);}

三十二、STM32 HAL输入捕获示例

1. 启动输入捕获中断

HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim4,TIM_CHANNEL_1);

2. 捕获回调

volatileuint32_tcapture1=0;volatileuint32_tcapture2=0;volatileuint8_tcapture_done=0;voidHAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef*htim){if(htim->Instance==TIM4&&htim->Channel==HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1){if(capture_done==0){capture1=HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim,TIM_CHANNEL_1);capture_done=1;}else{capture2=HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim,TIM_CHANNEL_1);uint32_tdiff;if(capture2>=capture1){diff=capture2-capture1;}else{diff=(htim->Instance->ARR-capture1+1)+capture2;}/* diff就是两次捕获之间的计数差 */capture1=capture2;}}}

实际项目中还需要根据定时器计数频率计算周期和频率。

三十三、Timer学习重点总结

学习 Timer 可以先记住以下结论：

Timer 本质是硬件计数器。
Timer 可以对内部时钟或外部脉冲计数。
PSC 是预分频器。
CNT 是当前计数值。
ARR 是自动重装载值，也就是计数上限。
实际分频系数是 PSC + 1。
实际计数个数是 ARR + 1。
定时周期由定时器时钟、PSC 和 ARR 共同决定。
定时周期 = (PSC + 1) × (ARR + 1) ÷ 定时器时钟。
CNT 数到 ARR 后会产生更新事件。
打开更新中断后，更新事件可以触发定时器中断。
PWM 是周期性的高低电平波形。
PWM 频率由 PSC 和 ARR 决定。
PWM 占空比由 CCR 和 ARR 决定。
占空比 = CCR ÷ (ARR + 1) × 100%。
ARR 主要影响 PWM 周期和频率。
CCR 主要影响 PWM 高电平时间和占空比。
输入捕获可以记录外部边沿到来时的 CNT 值。
两次上升沿捕获值相减可以测周期和频率。
上升沿和下降沿捕获值相减可以测高电平脉宽。
外部计数关心脉冲数量。
输入捕获关心边沿到来的时间点。
Timer 调试要先看时钟和 CNT 是否变化。
PWM 没波形要检查 GPIO 复用、通道使能和 CCR。
输入捕获不准要检查边沿、时钟、滤波和溢出处理。

三十四、结语

Timer 是单片机中非常重要的基础外设。

它看起来只是“计数器”，但实际能完成很多关键功能：

延时 周期中断 PWM输出 输入捕获 输出比较 外部计数 测频率 测脉宽 风扇测速 电机控制

真正理解 Timer，需要把下面这些概念串起来：

定时器时钟 + PSC + CNT + ARR + CCR + 更新事件 + 中断 + PWM + 输入捕获

可以用一句话总结：

Timer 的本质是计数； 定时是数时间； PWM 是按计数比较输出波形； 输入捕获是记录外部边沿到来的计数值。

当你能理解 PSC、ARR、CNT、CCR 之间的关系时，Timer 的大部分功能就已经入门了。