AVR單片機定時計數器的結構與應用探素

會計學1AVR單片機定時計數器的結構與應用探素第8章定時/計數器實例解析本章重點：1.了解AVR定時/計數器的特點2.學會對定時/計數器的相關寄存器進行配置3.掌握AVR定時/計數器的工作模式本章難點：掌握定時/計數器的PWM模式，T/C1的輸入捕捉功能第1頁/共55頁定時計數器的應用

定時計數器（Timer/Counter）常用于計數、延時、測量周期、頻率、脈寬、波特率發(fā)生器、生成占空比可調的PWM波等。

回顧：51單片機定時器/計數器的功能？第2頁/共55頁使用定時計數器時，必須注意以下的基本要素素：1.定時計數器的長度。定時計數器的長度是指計數單元的位長度，一般為8位（255）或16位（65535）。2.脈沖信號源。脈沖信號源是指輸入到定時計數器的計數脈沖信號。通常用于定時計數器計數的脈沖信號可以由外部輸入引腳提供（計數方式），也可以由單片機內部提供（定時方式）。

第3頁/共55頁

ATmega16一共配置了2個8位和1個16位，共3個定時計數器，它們是8位的定時計數器T/C0、T/C2和16位的定時計數器T/C1。第4頁/共55頁跟定時器相關的引腳：1.計數脈沖輸入端T0,T12.比較匹配信號輸出端

OC0,OC1B,OC1A,OC23，捕捉信號輸入端ICP1第5頁/共55頁主要工作模式（以T0為例）1.普通模式時鐘源來自芯片內部：定時方式。當計數器從設定的初值開始計到255，產生計數溢出中斷（TOV0=1），不能自動重裝。時鐘源來自外部引腳T0（PB0）：計數方式，當計數器從設定的初值開始計到255，產生計數溢出中斷（TOV0=1）。第6頁/共55頁2.CTC模式（自動重載）當計數器TCNT0的數值累加到等于OCR0中的數值時（匹配），OC0引腳置位或復位或取反，并產生比較匹配中斷（OCF0=1）該模式常用于得到波形輸出（比如方波）T/C0的主要工作模式第7頁/共55頁3.快速PWM模式當計數器TCNT0的數值累加到等于OCR0中的數值時，OC0引腳置位（或復位），計數到255時，OC0復位（或置位），并產生比較溢出中斷（TOV0=1）。該模式常用于產生高頻的PWM波形，通過0CR0的值來控制占空比。T/C0的主要工作模式第8頁/共55頁4.相位修正PWM模式（雙向計數器）當計數器升序計數時，若與OCR0匹配，OC0引腳置1；而在計數器降序計數時，若與OCR0匹配，OC0引腳清0?；蛘哒孟喾?。T/C0的主要工作模式第9頁/共55頁4.相位修正PWM模式（雙向計數器）當定時計數器計數到0x00時，計數溢出標志TOV0置位，即TOV0=1，此時可申請溢出中斷。該模式常用于產生高精度相位修正PWM波形，通過0CR0的值來控制占空比。T/C0的主要工作模式第10頁/共55頁兩個8位的定時計數器：T/C0、T/C2主要特點是：1.單通道計數器。2.比較匹配時清零計數器（自動重裝特性，AutoReload）。3.可產生無輸出抖動（glitch-free）的，相位可調的脈寬調制（PWM）信號輸出。4.頻率發(fā)生器。5.外部事件計數器（T/C2無）。6.帶10位的時鐘預分頻器。7.溢出和比較匹配中斷源（TOV0、OCF0和TOV2、OCF2）。允許使用外部引腳的32kHz手表晶振作為獨立的計數時鐘源（僅T/C2）想一想：AVR單片機與51單片機定時器有何異同？擴充了哪些功能？第11頁/共55頁1.T/C0的組成結構第12頁/共55頁T/C0相關寄存器1.T/C0的控制寄存器TCCR0(ControlRegister)2.計數寄存器TCNT0(Counter)3.輸出比較寄存器OCR0(OutputCompareRegister)4.中斷標志寄存器TIFR(Interruptflagregister)5.定時器中斷屏蔽寄存器TIMSK(Timerinterruptmaskregister)

第13頁/共55頁T/C0控制寄存器(ControlRegister)

——TCCR0位2~0：T/C0的時鐘選擇位，用于定義T/C0的時鐘源（CLOCKSELECT）。FOC0WGM01COM01COM00WGM00CS02CS01CS00CS02CS01CS00T/C0時鐘選擇000無時鐘源，T/C0停止001clkI/O（不經過分頻器）010clkI/O/8（來自分頻器）011clkI/O/64（來自分頻器）100clkI/O/256（來自分頻器）101clkI/O/1024（來自分頻器）110外部T0引腳，下降沿驅動（用于計數）111外部T0引腳，上升沿驅動（用于計數）第14頁/共55頁位3,6——WGM00，WGM01計數器計數模式，用于控制T/C0的計數和工作方式。FOC0WGM01COM01COM00WGM00CS02CS01CS00模式WGM01WGM00T/C0工作模式計數上限值OCR0更新TOV0置位000一般模式0xFF立即0xFF101PWM，相位可調0xFF0xFF0x00210CTC模式OCR0立即0xFF311快速PWM0xFF0xFF0xFFT/C0控制寄存器(ControlRegister)

——TCCR0第15頁/共55頁位5,4——COM01，COM00比較匹配輸出模式，決定T/C0比較匹配發(fā)生時，輸出引腳OC0（PB3）的行為方式。這是I/O的第二功能，相應的方向控制位要置“1”，以便將其配置為輸出。FOC0WGM01COM01COM00WGM00CS02CS01CS00COM01COM00T/C0比較輸出模式（CTC模式）00PB3為通用I/O引腳01比較匹配發(fā)生時OC0取反10比較匹配發(fā)生時清零OC011比較匹配發(fā)生時置位OC0T/C0控制寄存器(ControlRegister)

——TCCR0第16頁/共55頁位7——FOC0強制輸出比較，該位只在WGM位被置為CTC模式下有效,對其寫1后，波形發(fā)生器立即進行比較操作。FOC0WGM01COM01COM00WGM00CS02CS01CS00T/C0控制寄存器(ControlRegister)

——TCCR0第17頁/共55頁T/C0計數寄存器(Counter)

——TCNT076543210

LSB

MSB

只要有效脈沖輸入，TCNT0就會在寫入值（初值）的基礎上開始計數。一旦TCNT達到0xFF，下一個計數脈沖到來時便回到0x00，并繼續(xù)向上開始計數。在TCNT0回“0”的同時，溢出標志TOV0置“1”。TOV0標志置“1”可以用于申請中斷，也可以作為計數器的第“9”位使用。第18頁/共55頁T/C0中斷屏蔽寄存器——TIMSK(Timerinterruptmaskregister)

位0——TOIE0（Timeroverflowinterruptenable）T/C0溢出中斷允許標志。當TOIE0設為1，且SREG中的I位被設為1，將使能T/C0溢出中斷OCIE2TOIE2TICIE1OCIE1AOCIE1BTOIE1OCIE0TOIE0位1——OCIE0（OutputCompareInterruptEnable）T/C0輸出比較匹配中斷允許標志。當OCIE0設為1，且SREG中的I位被設為1，將使能T/C0輸出比較匹配。第19頁/共55頁T/C0中斷標志寄存器(Timerinterruptflagregister)—TIFR位0——TOV0(Overflow)T/C0溢出中斷標志。當T/C0產生溢出時，該位自動置1，向CPU提出溢出中斷請求，該中斷得以處理后，該位硬件自動清0，用戶也可對其寫1清0OCF2TOV2ICF1OCF1AOCF1BTOV1OCF0TOV0位1——OCF0T/C0輸出比較匹配中斷標志。當T/C0比較匹配成功，OCF0置1，向CPU提出比較匹配中斷請求，該中斷得以處理后，該位硬件自動清0，用戶也可對其寫1清0第20頁/共55頁實例解析1—T/C0計數實驗

使用T/C0進行計數，T0(PB0)為外部計數輸入端，每計一次，PA口所接的八個LED燈狀態(tài)改變一次。

設計思路：設置TCNT1的初值為0XFF，當有外部計數信號輸入時，計數值加1，產生溢出中斷，進入T/C0溢出中斷函數，在溢出中斷函數中，使PA口取反，LED燈狀態(tài)改變一次。

注意：在T/C0溢出中斷函數中，一定要重裝初值。第21頁/共55頁實例解析1—T/C0計數實驗#include<iom16v.h>/********端口初始化函數********/voidport_init(){PORTA=0xFF;

DDRA=0xFF;//PA口配置為

，PA口初始值為“”

DDRB&=(0<<PB0);

PORTB|=(1<<PB0); //PB0配置為

，PB0

上拉電阻}/********定時器0初始化函數********/voidtimer0_init(){SREG=0x80;//使能全局中斷

TIMSK|=(1<<TOIE0);//使能T0溢出中斷

TCCR0|=;//T/C0工作于普通模式，上升沿觸發(fā)TCNT0=

; }第22頁/共55頁/********定時器0中斷服務函數********/#pragmainterrupt_handlertimer0_ovf:10voidtimer0_ovf(void){

TCNT0=;PORTA^=(1<<PA0)|(1<<PA1)|(1<<PA2)|(1<<PA3)|(1<<PA4)|(1<<PA5)|(1<<PA6)|(1<<PA7);//PA輸出取反，發(fā)光二極管D00~D07實現亮滅變化}/********以下是主函數********/voidmain(){port_init();timer0_init();while(1); //等待}第23頁/共55頁實例解析2—T/C0定時實驗實現功能：使用T/C0進行1S的定時，每到1S，PA口外接的LED燈狀態(tài)改變一次。設計思路：T/C0作為定時器，每到25ms中斷一次，當中斷次數到達40次時，控制PA口LED燈取反。本設計采用8MHZ時鐘，1024分頻，所以計數脈沖頻率是8MHZ/1024=7812.5HZ，定時時間T=25ms

定時器初值=2n-(時鐘頻率/1024)*T

這里可算出定時器初值=28-(8000000/1024)*0.025=61第24頁/共55頁#include<iom16v.h>charCounter=0;//1S計數變量清零/********端口初始化********/voidport_init(){PORTA=0xFF;//PA口配置為輸出

DDRA=0xFF;//PA口初始值為"1"}/********定時器0初始化********/voidtimer0_init()//因為定時時間太短，看不到燈的變化{SREG=0x80;//使能全局中斷

TIMSK|=(1<<TOIE0);//使能T0溢出中斷

TCCR0|=;

//T0工作于普通模式，1024分頻

TCNT0=;}第25頁/共55頁/********主函數********/voidmain(){port_init();timer0_init();while(1);}/********定時器0中斷服務函數********/#pragmainterrupt_handlertimer0_ovf:10voidtimer0_ovf(void){TCNT0=61;//重裝計數初值Counter++

if(

)//定時中斷溢出40次為1S { PORTA=~PORTA; Counter=0;//1S計時變量清零

}}第26頁/共55頁實例解析3—T/C0的CTC模式實驗實現功能：使用T/C0進行比較匹配時清零模式（CTC），在單片機的比較匹配輸出口PB3(OC0)上輸出一個頻率為20HZ占空比為50%的方波脈沖。同時控制PD7口的蜂鳴器每隔1S鳴叫1次。第27頁/共55頁設計思路：要求輸出一個20HZ占空比為50%的方波，可讓OC0每隔0.025s取反一次，當前晶振為8MHZ，1024分頻后計數脈沖為7812.5HZ，即計數時鐘為0.128ms，當計數195次，滿足T=0.025s?？稍OOCR0=195，當比較匹配后，0C0取反一次，此時OC0可輸出20HZ占空比為50%的方波。每比較匹配一次，計數變量Counter加1，當Counter為40時，定時1s到，PD7取反，蜂鳴器每隔1S鳴叫1次。實例解析3—T/C0的CTC模式實驗第28頁/共55頁實例解析3—T/C0的CTC模式實驗#include<iom16v.h>charCounter=0;//計數變量清零/********端口初始化********/voidport_init(){DDRB|=(1<<PB3); //PB3(OC0)配置為輸出（為1時用或符號|）

PORTB&=(0<<PB3); //PB3輸出0（為0時與符號&)DDRD|=(1<<PD7); //PD7配置為輸出（為1時用或符號|）

PORTD&=(0<<PD7); //PD7輸出0（為0時與符號&)}/********定時器0初始化********/voidtimer0_init(){SREG=0x80; //使能全局中斷

TIMSK=(1<<OCIE0); //T/C0比較匹配中斷允許

TCCR0=(1<<COM00)|(0<<COM01)|(0<<WGM00)|(1<<WGM01)|(1<<CS02)|(0<<CS01)|(1<<CS00);//T/C0工作于CTC模式，1024分頻，比較匹配時，觸發(fā)OC0取反

TCNT0=0;//定時初值設置，

OCR0=195;//比較匹配寄存器初值}第29頁/共55頁/********主函數********/voidmain(){port_init();timer0_init();while(1);}/********定時器0比較匹配中斷服務函數********/#pragmainterrupt_handlertimer0_COMP:20voidtimer0_COMP(void){TCNT0=0;//定時初值設置，

OCR0=195;//比較匹配寄存器初值

if(++Counter>=40)//定時時間到1S嗎?定時中斷溢出40次為1S { PORTD^=(1<<PD7);//驅動蜂鳴器發(fā)聲

Counter=0;//1S計時變量清零

}}

引入仿真第30頁/共55頁實例解析4—T/C0快速PWM實驗實現功能：利用PWM模式實現LED燈的漸明漸暗。具體方法是在PB3(0C0)上外接一只LED燈，開機后LED燈最亮，然后逐漸變暗，再逐漸變亮。

第31頁/共55頁實例解析4—T/C0快速PWM實驗利用T/C0的快速PWM模式，具體思路是：T/C0在計數過程中，內部硬件電路會將計數值TCNT0與比較寄存器0CR0中的值進行比較，當兩個值匹配相等時，會使得OC0引腳置0（或置1），當計數值達到255時，OC0引腳置1（或置0），這樣通過改變OCR0的值，便可以在OC0上輸出不同占空比的PWM波，從而使LED顯示出漸明漸暗的效果第32頁/共55頁實例解析4—T/C0快速PWM實驗#include<iom16v.h> #defineucharunsignedchar #defineuintunsignedintunsignedintcount;/*********以下是延時函數*********/voidDelay_ms(uintxms){ inti,j; for(i=0;i<xms;i++) {for(j=0;j<1140;j++);}}第33頁/共55頁/********以下是端口初始化函數********/voidport_init(){DDRB|=(1<<PB3); //PB3配置為輸出（為1時用或符號|）

PORTB&=(0<<PB3); //PB3輸出0（為0時與符號&)}/********定時器0初始化********/voidtimer0_init(){ TCCR0=(1<<WGM01)|(1<<WGM00)|(1<<COM01)|(1<<COM00)|(1<<CS00)|(0<<CS01))|(0<<CS02);//T/C0工作于快速PWM模式，不分頻

//比較匹配時，OC0置位，記數到0XFF時，清零OC0 OCR0=0; //比較匹配寄存器初值，

SREG=0x80;//使能全局中斷}第34頁/共55頁/*********以下是主函數*********/voidmain(void){ port_init(); timer0_init(); while(1) {for(count=0;count<256;count++)//OCR=0時，LED最亮，然后逐漸變暗

{ OCR0=count;//比較匹配寄存器賦值

Delay_ms(20);//延時一段時間，以觀察效果

} Delay_ms(3000);//LED最暗時，延時一段時間

for(count=255;count>0;count--)//OCR=255時，LED最暗，然后逐漸變亮

{ OCR0=count; Delay_ms(20); } Delay_ms(3000);//LED最亮時，延時一段時間

} }引入仿真第35頁/共55頁作業(yè)：設計一個125KHZ方波發(fā)生器。第36頁/共55頁16位定時/計數器T/C1

如同8位的定時/計數器，ATmega16的16位定時/計數器T/C1用戶也是可以控制的：TCCR1A——T/C1控制寄存器A(ControlRegister)TCCR1B——T/C1控制寄存器BTCNT1——T/C1計數寄存器(16位)OCR1A——T/C1輸出比較寄存器A

(OutputCompareRegister)OCR1B——T/C1輸出比較寄存器B(16位)ICR1——T/C1輸入捕獲寄存器Inputcaptureregister

(16位)第37頁/共55頁T/C1的特點真正的16位設計，允許16位的PWM2個獨立的輸出比較匹配單元（OC1A,OC1B）雙緩沖輸出比較寄存器（OCR1A,OCR1B）一個輸入捕捉單元(ICP1)輸入捕捉噪聲抑制（對輸入信號進行濾波）比較匹配時清零計數器(CTC模式)可產生無輸出抖動的，相位可調的PWM信號輸出周期可調的PWM波形輸出（計數上限可設）頻率發(fā)生器外部事件計數器（T1）帶10位的時鐘預分頻器4個獨立的中斷源（TOV1，OCF1A,OCF1B,ICF1）第38頁/共55頁跟定時器相關的引腳：1.計數脈沖輸入端T0,T12.比較匹配信號輸出端

OC0,OC1B,OC1A,OC23，捕捉信號輸入端ICP1第39頁/共55頁T/C1的功能16位計數器，讀操作：先讀低，后讀高；寫操作：先寫高，后寫低。更加完善的PWM功能（1）產生頻率可調，相位可調，頻率相位均可調的PWM波（2）可同時產生2路，相同頻率、不同占空比的PWM波（3）具有輸入捕捉功能。第40頁/共55頁T/C1控制寄存器A——TCCR1A76543210

COM1B1

COM1B0

FOC1A

FOC1B

WGM11

WGM10

COM1A1

COM1A0

位7~6：T/C1比較匹配A輸出模式。這兩位決定了T/C1比較匹配發(fā)生時輸出引腳OC1A的輸出行為。位5~4：T/C1比較匹配B輸出模式。這兩位決定了T/C1比較匹配發(fā)生時輸出引腳OC1B的輸出行為。位3：強制輸出比較A。位2：強制輸出比較B。位1~0：波形發(fā)生模式。該兩位與WGM13、WGM12（位于TCCR1B）相組合，用于控制T/C1的計數和工作方式。第41頁/共55頁模式WGM13WGM12WGM11WGM10T/C1工作模式計數上限值OCR1A/OCR1B更新TOV1置位00000一般模式0xFFFF立即0xFFFF100018位PWM，相位可調0x00FFTOP0x0000200109位PWM，相位可調0x01FFTOP0x00003001110位PWM，相位可調0x03FFTOP0x000040100CTCOCR1A立即0xFFFF501018位快速PWM0x00FFTOPTOP601109位快速PWM0x01FFTOPTOP7011110位快速PWM0x03FFTOPTOP81000PWM，相位、頻率可調ICR10x00000x000091001PWM，相位、頻率可調OCR1A0x00000x0000101010PWM，相位可調ICR1TOP0x0000111011PWM，相位可調OCR1ATOP0x0000121100CTCICR1立即0xFFFF131101保留——————141110快速PWMICR1TOPTOP151111快速PWMOCR1ATOPTOPT/C1控制寄存器B——TCCR1B76543210

——

WGM13

WGM12

CS12

CS11

CS10

ICNC1

ICES1

位7：輸入捕獲噪聲抑制。當該位置“1”時，捕獲信號要進行連續(xù)4次的采樣，只有4次采樣值都有效時，輸入捕獲標志才置位。位6：輸入捕獲觸發(fā)方式選擇。當該位置“0”時，捕獲信號下降沿有效；當該位置“1”時，捕獲信號上升沿有效。位4~3：波形發(fā)生模式。該兩位與WGM11、WGM10（位于TCCR1A）相組合，用于控制T/C1的計數和工作方式。位2~0：T/C1時鐘源選擇。CS12CS11CS10T/C1時鐘選擇000無時鐘源，T/C1停止001clkI/O（不經過分頻器）010clkI/O/8（來自分頻器）011clkI/O/64（來自分頻器）100clkI/O/256（來自分頻器）101clkI/O/1024（來自分頻器）110外部T1引腳，下降沿驅動111外部T1引腳，上升沿驅動位5：保留。第42頁/共55頁T/C1計數寄存器——TCNT1H和TCNT1L15141312111098

MSB

LSB

76543210TCNT1H和TCNT1L組成T/C1的16位計數寄存器TCNT1，它是向上計數的計數器（加法計數器）或上/下計數的計數器（在PWM模式下）。若T/C1被置初值，則T/C1將在預置初值的基礎上計數。第43頁/共55頁T/C1輸出比較寄存器A——OCR1AH和OCR1AL15141312111098

MSB

LSB

76543210T/C1輸出比較寄存器B——OCR1BH和OCR1BLOCR1AH和OCR1AL（OCR1BH和OCR1BL）組成16位輸出比較寄存器OCR1A（OCR1B）。該寄存器中的16位數據用于同TCNT1寄存器中的計數值進行連續(xù)的匹配比較。一旦TCNT1的計數值與OCR1A（OCR1B）的數據匹配相等，則比較匹配發(fā)生。用軟件的寫操作將TCNT1與OCR1A、OCR1B設置為相等，不會引發(fā)比較匹配。比較匹配發(fā)生后，將置位相應的中斷請求標志OCF1A和OCF1B。第44頁/共55頁T/C1輸入捕獲寄存器——ICR1H和ICR1L15141312111098

MSB

LSB

76543210ICR1H和ICR1L組成16位的輸入捕獲寄存器ICR1。按照ICES1的設定，外部輸入捕獲引腳ICP發(fā)生上跳變或下跳變時，計數器TCNT1中的值寫入寄存器ICR1中，同時輸入捕獲中斷標志ICF1將置“1”。第45頁/共55頁實例解析7—T/C1定時實驗實現功能：使用T/C1的定時模式對LED燈進行亮滅控制，即控制PA口的LED燈亮0.1S，滅0.9S設計思路：定時時間為0.1S，計數初值的計算方法定時器初值=216-（8M/64）*0.1=53036=0XCF2CTCNT1H=0XCFTCNT1L=0X2C第46頁/共55頁#include<iom16.h>#defineucharunsignedchar /********以下是端口初始化函數********/voidport_init(){DDRA=0xFF; //PA設置為輸出口

PORTA=0xFF; //PA輸出高電平}/********定時器1初始化********/voidtimer1_init(){TCNT1H=0xCF;//計數器置初值

TCNT1L=0x2C;TCCR1A|=0x00; //普通端口模式

TCCR1B|=(1<<CS11)|(1<<CS10); //64分頻

TIMSK&=(0<<TOIE1); //禁止T1溢出中斷，本例采用查詢方式，不采用中斷方式}第47頁/共55頁/********以下是主函數********/voidmain(void){ucharcount,T1_OVR; port_init(); timer1_init(); while(1) { T1_OVR=TIFR&0x04; //讀取T/C1溢出標志位

if(T1_OVR!=0x04){T1_OVR=TIFR&0x04;} //如果T/C1溢出標志不為1，說明沒有溢出，則繼續(xù)讀取

else //否則說明有溢出

{ TIFR=0x04; //寫1清除標志位第48頁/共55頁

TCNT1H=0xCF; //置計數初值

TCNT1L=0x2C; count++; //計數變量加1 if(count==9)PORTA=0X00; //控制PA口LED燈點亮0.1s if(count>=10){count=0;PORTA=0XFF;} //控制PA口LED燈熄滅0.9s }} } 第49頁/共55頁實例解析8—T/C1輸入捕捉實驗實現功能：使用T/C1的輸入捕捉功能檢測按鍵的按下，并判斷兩次按下的時間間隔，如果時間間隔超過3S，則PA口LED燈狀態(tài)反轉，否則，如果沒有按鍵，則蜂鳴器每8.39S響一聲，表示T/C1計數溢出。設計思路：T/C1設置為普通模式，定時器啟動后開始計數，TCNT1從0開始計到溢出，如果沒有捕捉輸入，每隔8.39S蜂鳴器響一聲（晶振為8MHZ，1024分頻，則計數周期為0.128ms）。

若有捕捉輸入時，即ICP1(PD6)有輸入捕捉出發(fā)信號產生，則計數器TCNT1清0，當再次有捕捉輸入時，若捕捉時間間隔為3S，則計數的個數為(8MHZ/1024)*3