AVRr单片机：第8章 定时计数器的结构与应用

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1、第 8 章 定时计数器的结构与应用 第 8 章 定时计数器的结构与应用 定时计数器（Timer/Counter）是单片机中最基本的接口之一，它的用途非常广泛，常用于计数、延时、测量周期、频率、脉宽、提供定时脉冲信号等。相对于一般 8 位单片机而言，AVR 不仅配备了更多的定时计数器接口，而且还是增强型的，如通过定时计数器与比较匹配寄存器相互配合，生成占空比可变的方波信号，即脉冲宽度调制输出 PWM 信号，用于 D/A、马达无级调速控制、变频控制等，功能非常强大。ATmega16 一共配置了 2个 8 位和1个 16 位，共3 个定时计数器，它们是 8 位的定时计数器 T/C0、T/C2 和16

2、 位的定时计数器 T/C1。8.1 定时计数器的结构 定时计数器最基本的功能就是对脉冲信号“自动”进行计数。这里所谓的“自动”，指计数的过程是由硬件完成的，不需要 MCU的干预。但 MCU 可以通过指令设置定时计数器的工作方式，以及根据定时计数器的计数值或工作状态做必要的处理和响应。学习和使用定时计数器时，必须注意以下的基本要素：定时计数器的长度。脉冲信号源。计数器类型。计数器类型是指计数器的计数运行方式，可分为加一（减一）计数器，单程计数或双向计数等。计数器的上下限。计数器的事件。计数器的事件指计数器处于某种状态时的输出信号，该信号通常可以向 MCU 申请中断。如当计数器计数到达计数上限值

3、255时，产生“溢出”信号，向 MCU 申请中断。8.1.1 8 位定时计数器T/C0 的结构 ATmega16 中有两个 8 位的定时计数器：T/C0、T/C2，它们都是通用的多功能定时计数器，其主要特点是：单通道计数器。比较匹配时清零计数器（自动重装特性，Auto Reload）。可产生无输出抖动（glitch-free）的，相位可调的脉宽调制（PWM）信号输出。频率发生器。外部事件计数器（仅 T/C0）。带 10 位的时钟预分频器。溢出和比较匹配中断源（TOV0、OCF0 和TOV2、OCF2）。允许使用外部引脚的 32768Hz 手表晶振作为独立的计数时钟源（仅 T/C2）。1T/C0

4、 的组成结构 T/C0 的时钟源2与8 位 T/C0 相关的寄存器(1)2与8 位 T/C0 相关的寄存器(2)2与8 位 T/C0 相关的寄存器(3)2与8 位 T/C0 相关的寄存器(4)2与8 位 T/C0 相关的寄存器(5)8.1.2 8 位T/C0 的工作模式-1 普通模式（普通模式（WGM01:0=0）-溢出中断（同溢出中断（同51）普通模式是 T/C0 最简单和基本的一种工作方式。T/C0 工作在普通模式下时，计数器为单向加 1 计数器，一旦寄存器 TCNT0 的值到达0 xFF（上限值），在下一个计数脉冲到来时便恢复为 0 x00，并继续单向加 1 计数。当 TCNT0 由0

5、xFF 转变为0 x00 的同时，溢出标志位 TOV0置位为“1”，用于申请 T/C0 溢出中断。一旦 MCU 响应 T/C0 的溢出中断，硬件则将自动把TOV0 清零。在普通模式中，同样可以使用比较匹配功能产生定时中断，但最好不要在普通模式下使用输出比较单元来产生 PWM 波形输出，因为这将占用过多的 MCU 的时间。8.1.2 8 位T/C0 的工作模式-2（1）比较匹配清零计数器 CTC 模式（WGM01:0=2）主要用于从OCn输出频率可调的方波（占空比1/2不变）8.1.2 8 位T/C0 的工作模式-2（2）T/C0 工作在 CTC 模式下时，计数器为单向加 1 计数器，一旦寄存器

6、 TCNT0 的值与 OCR0的设定值相等（此时寄存器 OCR0 的值为计数上限值），就将计数器 TCNT0 清零为 0 x00，然后继续向上加 1 计数。通过设置 OCR0 的值，可以方便地控制比较匹配输出的频率。在 CTC 模式下利用比较匹配输出单元产生波形输出时，应设置 OC0 的输出方式为触发方式（COM01:0=1）。OC0 输出波形的最高频率为 fOC0=fclk_I/O/2（OCR0=0 x00）。其他的频率输出由下式确定，式中 N 的取值为1、8、64、256 或1024。除此之外，与普通模式相同，当 TCNT0 计数值由0 xFF 转到 0 x00 时，标志位 TOV0 置位

7、。8.1.2 8 位T/C0 的工作模式-3（1）快速 PWM 模式（WGM01:0=3）主要用于从Ocn输出频率、占空比均可调的信号8.1.2 8 位T/C0 的工作模式-3（2）T/C0 工作在快速 PWM 模式可以产生较高频率的 PWM 波形。当 T/C0 工作在此模式下时，计数器为单程向上的加 1计数器，从 0 x00 一直加到 0 xFF（上限值），在下一个计数脉冲到来时便恢复为0 x00，然后再从0 x00开始加1计数。在设置正向比较匹配输出（COM01:0=2）方式中，当 TCNT0 的计数值与 OCR0 的值相同匹配时清零 OC0，当计数器的值由 0 xFF 返回0 x00 时

8、置位 OC0。而在设置反向比较匹配输出（COM01:0=3）方式中，当 TCNT0 的计数值与 OCR0 的值相同匹配时置位 OC0，当计数器的值由 0 xFF 返回 0 x00 时清零 OC0。8.1.2 8 位T/C0 的工作模式-3（3）在 TCNT0 的计数值到达 0 xFF 时，置溢出标志位 TOV0 为“1”。标志位 TOV0 可以用于申请中断。一旦 MCU 响应TOV0 中断，用户可以在中断服务程序中修改 OCR0的值。OC0 输出的PWM 波形的频率输出由下式确定，式中 N 的取值为 1、8、64、256 或1024。通过设置寄存器 OCR0 的值，可以获得不同占空比的脉冲波形

9、。8.1.2 8 位T/C0 的工作模式-4（1）相位可调 PWM 模式（WGM01:0=1）8.1.2 8 位T/C0 的工作模式-4（2）主要用于从Ocn输出频率、占空比均可调的高精度相位可调的 PWM 波形，输出频率是快速PWM的一半。当 T/C0 工作在此模式下时，计数器为双程计数器：从 0 x00 一直加到 0 xFF，在下一个计数脉冲到达时，改变计数方向，从 0 xFF 开始减 1 计数到 0 x00。设置正向比较匹配输出（COM01:0=2）方式：在正向加 1过程中，TCNT0 的计数值与 OCR0 的值相同匹配时清零 OC0；在反向减 1 过程中，当计数器TCNT0 的值与 O

10、CR0 相同时置位 OC0。设置反向比较匹配输出（COM01:0=3）方式：在正向加 1 过程中，TCNT0 的计数值与 OCR0的值相同匹配时置位 OC0；在反向减1 过程中，当计数器 TCNT0 的值与 OCR0 相同时清零 OC0。8.1.2 8 位T/C0 的工作模式-4（3）在 TCNT0 的计数值到达 0 x00 时，置溢出标志位 TOV0 为“1”。标志位 TOV0 可以用于申请溢出中断。在相位可调 PWM 模式下，OC0 输出的 PWM 波形频率由下式确定，式中 N 的取值为 1、8、64、256 或1024。通过设置寄存器 OCR0 的值，可以获得不同占空比的脉冲波形。8.2

11、 8 位定时计数器T/C0 的应用（1）8.2.1 外部事件计数器 例 8.1 N 分频系统设计一：将外部的 250Hz 的方波信号输出与 ATmega16 的 T0连接，作为 T/C0 计数器的外部输入。从 PA0 输出一个1Hz的方波。（采用普通模式：溢出中断）例 8.2 N 分频系统设计二：将外部的 250Hz 的方波信号输出与 ATmega16 的 T0连接，作为 T/C0 计数器的外部输入。从 PA0 输出一个1Hz的方波。（采用CTC模式：比较匹配中断）例8.3 对从T0输入的250Hz 的方波信号5分频，从PA0 输出。（采用普通模式：溢出中断+比较匹配中断）8.2 8 位定时计

12、数器T/C0 的应用（2）8.2.2 定时器应用设计 8.2.2 定时器应用设计 例 8.4 采用T/C0 硬件定时器的时钟系统（采用CTC模式：比较匹配中断）例 8.5的思考与实践 如果系统需要一个频率为 50Hz 左右 50%占空比的方波信号，那么应该 T/C2、OCR2如何设置和计算？理论上的输出频率是多少？与 50Hz 的误差是多少（假定系统时钟频率为 4M）。（采用CTC模式：OCn输出，不用中断）习题（普通模式和CTC模式）利用T/C0的普通模式，从PA0引脚输出一个频率为10KHz的方波。（假设系统时钟为4MHZ）利用T/C0的CTC模式，从PA0引脚输出一个频率为10KHz的方

13、波。（假设系统时钟为4MHZ）利用T/C0的CTC模式，从OC0引脚输出一个频率为10KHz的方波。（假设系统时钟为4MHZ）利用T/C0输出一个频率为2MHz的方波。（假设系统时钟为4MHZ）小结（普通模式和CTC模式）总结：要利用定时器输出方波（占空比为1/2）时，最好是采用CTC模式，OCRn输出，不用中断的方法。它具有编程简单，频率精度高，能产生高频率的信号（最高频率为系统时钟频率的一半）等特点。8.3 PWM脉宽调制波的产生和应用 8.3.1 PWM脉宽调制波 PWM 是脉冲宽度调制的简称。实际上，PWM 波也是一个连续的方波，但在一个周期中，其高电平和低电平的占空比是不同的。一个典

14、型 PWM 的波形如图 8-15所示。PWM脉宽调制波 在图中，T是 PWM 波的周期，T1 是高电平的宽度，Vcc 是高电平值。当该 PWM 波通过一个积分器后（低通滤波器）后，我们可以得到其输出的平均电压为：式中，T1/T称为 PWM 波的占空比。控制调节和改变 T1 的宽度，即改变 PWM 的占空比，就可以的到不同的平均电压输出。T/CO、T/C2 两种 PWM 模式都是固定 8 位的 PWM，计数器 TCNTn 的上限值为固定的 0 xFF（8 位T/C），而比较匹配寄存器 OCRn 的值与计数器上限值之比即为占空比。PWM脉宽调制波 RC低通滤波器设计：截止频率f=1/(2RC)。因

15、此在实际应用中，常利用 PWM 波的输出，实现 D/A 转换，调节电压或电流控制改变马达的转速，实现变频控制等功能。8.3.2 基于比较匹配输出的脉冲宽度调制PWM 补充：利用T/C0，产生一个频率为15.625KHz，占空比为1/5的PWM波。（采用快速PWM模式，假设系统时钟为4MHZ）补充：利用T/C0，产生一个频率为7.843KHz，占空比为1/4的PWM波。（采用相位可调PWM模式，假设系统时钟为4MHZ）8.3.2 基于比较匹配输出的脉冲宽度调制PWM 例8.6 利用T/C0 的PWM 功能产生正弦波。设计思路 一个周期的PWM波经滤波后会得到一点电压（即正弦波的一个点）。一个正弦

16、波由多点组成，即由多个同频率的不同占空比的PWM周期组成。若一个正弦波由16点组成，且PWM波的周期为T（频率为f），则产生的正弦波的周期为16T（频率为f/16）。采用ATMEGA16的T/C0，系统时钟为4MHz，分频系数为1，则f oc0 PWM=f/(256N)=4M/256=15625Hz，一个正弦波由16点组成，所以正弦波的频率为15625Hz/16=976.56Hz.波形图思考题：如何产生一个频率为244Hz的锯齿波？上机实践题 利用一片ATMEGA16同时实现下面的要求：利用T/C0，产生一个频率为 5KHz 左右 50%占空比的方波信号（提示：采用CTC模式：OC0输出，不用

17、中断）利用T/C2，产生一个频率为31.25KHz，占空比从0变化到1的PWM波。（提示：采用快速PWM模式，在溢出中断中调OC2即调占空比,由OC2输出）#include#include interrupt TIM2_OVF void timer2_ovf_isr(void)interrupt TIM2_OVF void timer2_ovf_isr(void)OCR2-;OCR2-;void main(voidvoid main(void)PORTB=0 x00;PORTB=0 x00;DDRB=0 x08;DDRB=0 x08;PORTD=0 x00;PORTD=0 x00;DDRD=0

18、 x80;DDRD=0 x80;TCCR0=0 x1A;TCCR0=0 x1A;TCNT0=0 x00;TCNT0=0 x00;OCR0=0 x63;OCR0=0 x63;TCCR2=0 x69;TCCR2=0 x69;TCNT2=0 x00;TCNT2=0 x00;OCR2=0 x00;OCR2=0 x00;TIMSK=0 x40;TIMSK=0 x40;#asm(sei#asm(sei)while(1);while(1);T/C2分频系数8.4 16 位定时计数器T/C1 的应用 8.4.1 16 位T/C1 增强功能介绍 16 位的计数器 16 位寄存器的读写操作步骤(采用C等高级语言编

19、写程序则可以直接对16位的寄存器进行操作)更加强大和完善的 PWM 功能 可产生频率、相位均可调整的 PWM波。可同时产生 2 路相同频率不同占空比的 PWM 波 输入捕捉功能 T/C1相关寄存器（1）T/C1控制寄存器A TCCR1AT/C1相关寄存器（2）T/C1相关寄存器（3）Bit 1:0 WGM11:0:波形发生模式 T/C1相关寄存器（4）Bit 1:0 WGM11:0:波形发生模式T/C1相关寄存器（5）T/C1控制寄存器B TCCR1B Bit 7 ICNC1:入捕捉噪声抑制器：置位 ICNC1 将使能输入捕捉噪声抑制功能。Bit 6 ICES1:输入捕捉触发沿选择：该位选择使

20、用 ICP1 上的哪个边沿触发捕获事件。ICES 为“0”选择的是下降沿触发输入捕捉；ICES1 为“1”选择的是逻辑电平的上升沿触发输入捕捉。Bit 2:0 CS12:0:时钟选择T/C1相关寄存器（6）T/C1 TCNT1H 与 TCNT1LT/C1相关寄存器（7）输出比较寄存器1AOCR1AH与 OCR1AL 输出比较寄存器1BOCR1BH与OCR1BLT/C1相关寄存器（8）输入捕捉寄存器1 ICR1H与ICR1L T/C1中断屏蔽寄存器TIMSKT/C1相关寄存器（9）T/C中断标志寄存器 TIFR普通模式 普通模式(WGM13:0=0)为最简单的工作模式。在此模式下计数器不停地累加

21、。计到最大值后(TOP=0 xFFFF)由于数值溢出计数器简单地返回到最小值 0 x0000 重新开始。CTC(比较匹配时清零定时器)模式 在CTC模式(WGM13:0=4 或12)里OCR1A 或ICR1寄存器用于调节计数器的分辨率。当计数器的数值TCNT1等于OCR1A(WGM13:0=4)或等于ICR1(WGM13:0=12)时计数器清零。OCR1A 或 ICR1 定义了计数器的 TOP 值，亦即计数器的分辨率。用于产生占空比为50%的波形，OCnA和OCnB可独立或同时工作。频率由如下公式确定：变量 N 代表预分频因子(1、8、64、256 或 1024)。快速 PWM 模式 快速 P

22、WM 模式(WGM13:0=5、6、7、14 或 15)可用来产生高频的 PWM 波形。计数器从BOTTOM计到TOP，然后立即回到BOTTOM重新开始。输出的 PWM 频率可以通过如下公式计算得到：变量 N 代表分频因子(1、8、64、256 或 1024)。选模式5，6，7时，TOP值是固定的 选模式14，15时，TOP值是可调的 选模式15时，上限值TOP由OCR1A决定，占空比由OCR1B决定相位修正 PWM 模式 相位修正 PWM 模式(WGM13:0=1、2、3、10 或 11)为用户提供了一个获得高精度的、相位准确的 PWM 波形的方法。与相位和频率修正模式类似，此模式基于双斜坡

23、操作。计时器重复地从 BOTTOM 计到 TOP，然后又从 TOP倒退回到 BOTTOM。输出的 PWM 频率可以通过如下公式计算得到，变量 N 代表分频因子(1、8、64、256 或 1024)。选模式1，2，3时，TOP值是固定的 选模式10，11时，TOP值是可调的相位与频率修正 PWM 模式 相位与频率修正 PWM 模式(WGM13:0=8 或 9)-以下简称相频修正 PWM 模式-可以产生高精度的、相位与频率都准确的 PWM波形。与相位修正模式类似，相频修正 PWM 模式基于双斜坡操作。计时器重复地从 BOTTOM 计到 TOP，然后又从 TOP 倒退回到BOTTOM。输出的 PWM 频率可以通过如下公式计算得到，变量 N 代表分频因子(1、8、64、256 或 1024)。8.4.2 16 位T/C1 应用示例 例 8.7 利用T/C1 设计实现的单音手机音乐播放器 在编写程序前，通常要先知道各不同的音符所对应的振荡频率，也就是确定各音符所对应的脉冲输出频率值。另外就是该音符发生的长度(节拍)值。接下来是根据所要产生曲谱的音调和节拍，建立相对应发声数据组（参考手机上自编音乐的功能）。然后才能编写发生控制程序。