AVRr单片机：第8章 定时计数器的结构与应用

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

3、数上限值 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

4、（仅 T/C2）。 1T/C0 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（WGM01:0=0）-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 TCN

5、T0 由0 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

6、计数器，一旦寄存器 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

7、 时，标志位 TOV0 置位。 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

8、值由 0 xFF 返回0 x00 时置位 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 O

9、CR0 的值，可以获得不同占空比的脉冲波形。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

10、1 过程中，当计数器TCNT0 的值与 OCR0 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 OCR

11、0 的值，可以获得不同占空比的脉冲波形。 8.2 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

12、用普通模式：溢出中断+比较匹配中断）8.2 8 位定时计数器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/

13、C0的CTC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

14、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。P

15、WM脉宽调制波RC低通滤波器设计：截止频率f=1/(2RC)。因此在实际应用中，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

16、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

17、 50%占空比的方波信号（提示：采用CTC模式：OC0输出，不用中断）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 interrupt TIM2_OVF void timer2_ovf_isr(void) OCR2-;void main(void)PORTB=0 x00;DDRB=0 x08;PORTD=0 x00;DDRD=0 x80;TCCR0=0 x1A;TCNT0=0 x00;OCR0=0 x63;TCCR2=0 x69;TCNT2=0 x00;OCR2=0 x0

18、0;TIMSK=0 x40;#asm(sei)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

19、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1BOCR

20、1BH与OCR1BLT/C1相关寄存器（8）输入捕捉寄存器1 ICR1H与ICR1LT/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。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 PWM 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