AVR单片机定时计数器的结构与应用探素

会计学1AVR单片机定时计数器的结构与应用探素第8章定时/计数器实例解析本章重点：1.了解AVR定时/计数器的特点2.学会对定时/计数器的相关寄存器进行配置3.掌握AVR定时/计数器的工作模式本章难点：掌握定时/计数器的PWM模式，T/C1的输入捕捉功能第1页/共55页定时计数器的应用

定时计数器（Timer/Counter）常用于计数、延时、测量周期、频率、脉宽、波特率发生器、生成占空比可调的PWM波等。

回顾：51单片机定时器/计数器的功能？第2页/共55页使用定时计数器时，必须注意以下的基本要素素：1.定时计数器的长度。定时计数器的长度是指计数单元的位长度，一般为8位（255）或16位（65535）。2.脉冲信号源。脉冲信号源是指输入到定时计数器的计数脉冲信号。通常用于定时计数器计数的脉冲信号可以由外部输入引脚提供（计数方式），也可以由单片机内部提供（定时方式）。

第3页/共55页

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位的定时计数器T/C1。第4页/共55页跟定时器相关的引脚：1.计数脉冲输入端T0,T12.比较匹配信号输出端

OC0,OC1B,OC1A,OC23，捕捉信号输入端ICP1第5页/共55页主要工作模式（以T0为例）1.普通模式时钟源来自芯片内部：定时方式。当计数器从设定的初值开始计到255，产生计数溢出中断（TOV0=1），不能自动重装。时钟源来自外部引脚T0（PB0）：计数方式，当计数器从设定的初值开始计到255，产生计数溢出中断（TOV0=1）。第6页/共55页2.CTC模式（自动重载）当计数器TCNT0的数值累加到等于OCR0中的数值时（匹配），OC0引脚置位或复位或取反，并产生比较匹配中断（OCF0=1）该模式常用于得到波形输出（比如方波）T/C0的主要工作模式第7页/共55页3.快速PWM模式当计数器TCNT0的数值累加到等于OCR0中的数值时，OC0引脚置位（或复位），计数到255时，OC0复位（或置位），并产生比较溢出中断（TOV0=1）。该模式常用于产生高频的PWM波形，通过0CR0的值来控制占空比。T/C0的主要工作模式第8页/共55页4.相位修正PWM模式（双向计数器）当计数器升序计数时，若与OCR0匹配，OC0引脚置1；而在计数器降序计数时，若与OCR0匹配，OC0引脚清0。或者正好相反。T/C0的主要工作模式第9页/共55页4.相位修正PWM模式（双向计数器）当定时计数器计数到0x00时，计数溢出标志TOV0置位，即TOV0=1，此时可申请溢出中断。该模式常用于产生高精度相位修正PWM波形，通过0CR0的值来控制占空比。T/C0的主要工作模式第10页/共55页两个8位的定时计数器：T/C0、T/C2主要特点是：1.单通道计数器。2.比较匹配时清零计数器（自动重装特性，AutoReload）。3.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。4.频率发生器。5.外部事件计数器（T/C2无）。6.带10位的时钟预分频器。7.溢出和比较匹配中断源（TOV0、OCF0和TOV2、OCF2）。允许使用外部引脚的32kHz手表晶振作为独立的计数时钟源（仅T/C2）想一想：AVR单片机与51单片机定时器有何异同？扩充了哪些功能？第11页/共55页1.T/C0的组成结构第12页/共55页T/C0相关寄存器1.T/C0的控制寄存器TCCR0(ControlRegister)2.计数寄存器TCNT0(Counter)3.输出比较寄存器OCR0(OutputCompareRegister)4.中断标志寄存器TIFR(Interruptflagregister)5.定时器中断屏蔽寄存器TIMSK(Timerinterruptmaskregister)

第13页/共55页T/C0控制寄存器(ControlRegister)

——TCCR0位2~0：T/C0的时钟选择位，用于定义T/C0的时钟源（CLOCKSELECT）。FOC0WGM01COM01COM00WGM00CS02CS01CS00CS02CS01CS00T/C0时钟选择000无时钟源，T/C0停止001clkI/O（不经过分频器）010clkI/O/8（来自分频器）011clkI/O/64（来自分频器）100clkI/O/256（来自分频器）101clkI/O/1024（来自分频器）110外部T0引脚，下降沿驱动（用于计数）111外部T0引脚，上升沿驱动（用于计数）第14页/共55页位3,6——WGM00，WGM01计数器计数模式，用于控制T/C0的计数和工作方式。FOC0WGM01COM01COM00WGM00CS02CS01CS00模式WGM01WGM00T/C0工作模式计数上限值OCR0更新TOV0置位000一般模式0xFF立即0xFF101PWM，相位可调0xFF0xFF0x00210CTC模式OCR0立即0xFF311快速PWM0xFF0xFF0xFFT/C0控制寄存器(ControlRegister)

——TCCR0第15页/共55页位5,4——COM01，COM00比较匹配输出模式，决定T/C0比较匹配发生时，输出引脚OC0（PB3）的行为方式。这是I/O的第二功能，相应的方向控制位要置“1”，以便将其配置为输出。FOC0WGM01COM01COM00WGM00CS02CS01CS00COM01COM00T/C0比较输出模式（CTC模式）00PB3为通用I/O引脚01比较匹配发生时OC0取反10比较匹配发生时清零OC011比较匹配发生时置位OC0T/C0控制寄存器(ControlRegister)

——TCCR0第16页/共55页位7——FOC0强制输出比较，该位只在WGM位被置为CTC模式下有效,对其写1后，波形发生器立即进行比较操作。FOC0WGM01COM01COM00WGM00CS02CS01CS00T/C0控制寄存器(ControlRegister)

——TCCR0第17页/共55页T/C0计数寄存器(Counter)

——TCNT076543210

LSB

MSB

只要有效脉冲输入，TCNT0就会在写入值（初值）的基础上开始计数。一旦TCNT达到0xFF，下一个计数脉冲到来时便回到0x00，并继续向上开始计数。在TCNT0回“0”的同时，溢出标志TOV0置“1”。TOV0标志置“1”可以用于申请中断，也可以作为计数器的第“9”位使用。第18页/共55页T/C0中断屏蔽寄存器——TIMSK(Timerinterruptmaskregister)

位0——TOIE0（Timeroverflowinterruptenable）T/C0溢出中断允许标志。当TOIE0设为1，且SREG中的I位被设为1，将使能T/C0溢出中断OCIE2TOIE2TICIE1OCIE1AOCIE1BTOIE1OCIE0TOIE0位1——OCIE0（OutputCompareInterruptEnable）T/C0输出比较匹配中断允许标志。当OCIE0设为1，且SREG中的I位被设为1，将使能T/C0输出比较匹配。第19页/共55页T/C0中断标志寄存器(Timerinterruptflagregister)—TIFR位0——TOV0(Overflow)T/C0溢出中断标志。当T/C0产生溢出时，该位自动置1，向CPU提出溢出中断请求，该中断得以处理后，该位硬件自动清0，用户也可对其写1清0OCF2TOV2ICF1OCF1AOCF1BTOV1OCF0TOV0位1——OCF0T/C0输出比较匹配中断标志。当T/C0比较匹配成功，OCF0置1，向CPU提出比较匹配中断请求，该中断得以处理后，该位硬件自动清0，用户也可对其写1清0第20页/共55页实例解析1—T/C0计数实验

使用T/C0进行计数，T0(PB0)为外部计数输入端，每计一次，PA口所接的八个LED灯状态改变一次。

设计思路：设置TCNT1的初值为0XFF，当有外部计数信号输入时，计数值加1，产生溢出中断，进入T/C0溢出中断函数，在溢出中断函数中，使PA口取反，LED灯状态改变一次。

注意：在T/C0溢出中断函数中，一定要重装初值。第21页/共55页实例解析1—T/C0计数实验#include<iom16v.h>/********端口初始化函数********/voidport_init(){PORTA=0xFF;

DDRA=0xFF;//PA口配置为

，PA口初始值为“”

DDRB&=(0<<PB0);

PORTB|=(1<<PB0); //PB0配置为

，PB0

上拉电阻}/********定时器0初始化函数********/voidtimer0_init(){SREG=0x80;//使能全局中断

TIMSK|=(1<<TOIE0);//使能T0溢出中断

TCCR0|=;//T/C0工作于普通模式，上升沿触发TCNT0=

; }第22页/共55页/********定时器0中断服务函数********/#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输出取反，发光二极管D00~D07实现亮灭变化}/********以下是主函数********/voidmain(){port_init();timer0_init();while(1); //等待}第23页/共55页实例解析2—T/C0定时实验实现功能：使用T/C0进行1S的定时，每到1S，PA口外接的LED灯状态改变一次。设计思路：T/C0作为定时器，每到25ms中断一次，当中断次数到达40次时，控制PA口LED灯取反。本设计采用8MHZ时钟，1024分频，所以计数脉冲频率是8MHZ/1024=7812.5HZ，定时时间T=25ms

定时器初值=2n-(时钟频率/1024)*T

这里可算出定时器初值=28-(8000000/1024)*0.025=61第24页/共55页#include<iom16v.h>charCounter=0;//1S计数变量清零/********端口初始化********/voidport_init(){PORTA=0xFF;//PA口配置为输出

DDRA=0xFF;//PA口初始值为"1"}/********定时器0初始化********/voidtimer0_init()//因为定时时间太短，看不到灯的变化{SREG=0x80;//使能全局中断

TIMSK|=(1<<TOIE0);//使能T0溢出中断

TCCR0|=;

//T0工作于普通模式，1024分频

TCNT0=;}第25页/共55页/********主函数********/voidmain(){port_init();timer0_init();while(1);}/********定时器0中断服务函数********/#pragmainterrupt_handlertimer0_ovf:10voidtimer0_ovf(void){TCNT0=61;//重装计数初值Counter++

if(

)//定时中断溢出40次为1S { PORTA=~PORTA; Counter=0;//1S计时变量清零

}}第26页/共55页实例解析3—T/C0的CTC模式实验实现功能：使用T/C0进行比较匹配时清零模式（CTC），在单片机的比较匹配输出口PB3(OC0)上输出一个频率为20HZ占空比为50%的方波脉冲。同时控制PD7口的蜂鸣器每隔1S鸣叫1次。第27页/共55页设计思路：要求输出一个20HZ占空比为50%的方波，可让OC0每隔0.025s取反一次，当前晶振为8MHZ，1024分频后计数脉冲为7812.5HZ，即计数时钟为0.128ms，当计数195次，满足T=0.025s。可设OCR0=195，当比较匹配后，0C0取反一次，此时OC0可输出20HZ占空比为50%的方波。每比较匹配一次，计数变量Counter加1，当Counter为40时，定时1s到，PD7取反，蜂鸣器每隔1S鸣叫1次。实例解析3—T/C0的CTC模式实验第28页/共55页实例解析3—T/C0的CTC模式实验#include<iom16v.h>charCounter=0;//计数变量清零/********端口初始化********/voidport_init(){DDRB|=(1<<PB3); //PB3(OC0)配置为输出（为1时用或符号|）

PORTB&=(0<<PB3); //PB3输出0（为0时与符号&)DDRD|=(1<<PD7); //PD7配置为输出（为1时用或符号|）

PORTD&=(0<<PD7); //PD7输出0（为0时与符号&)}/********定时器0初始化********/voidtimer0_init(){SREG=0x80; //使能全局中断

TIMSK=(1<<OCIE0); //T/C0比较匹配中断允许

TCCR0=(1<<COM00)|(0<<COM01)|(0<<WGM00)|(1<<WGM01)|(1<<CS02)|(0<<CS01)|(1<<CS00);//T/C0工作于CTC模式，1024分频，比较匹配时，触发OC0取反

TCNT0=0;//定时初值设置，

OCR0=195;//比较匹配寄存器初值}第29页/共55页/********主函数********/voidmain(){port_init();timer0_init();while(1);}/********定时器0比较匹配中断服务函数********/#pragmainterrupt_handlertimer0_COMP:20voidtimer0_COMP(void){TCNT0=0;//定时初值设置，

OCR0=195;//比较匹配寄存器初值

if(++Counter>=40)//定时时间到1S吗?定时中断溢出40次为1S { PORTD^=(1<<PD7);//驱动蜂鸣器发声

Counter=0;//1S计时变量清零

}}

引入仿真第30页/共55页实例解析4—T/C0快速PWM实验实现功能：利用PWM模式实现LED灯的渐明渐暗。具体方法是在PB3(0C0)上外接一只LED灯，开机后LED灯最亮，然后逐渐变暗，再逐渐变亮。

第31页/共55页实例解析4—T/C0快速PWM实验利用T/C0的快速PWM模式，具体思路是：T/C0在计数过程中，内部硬件电路会将计数值TCNT0与比较寄存器0CR0中的值进行比较，当两个值匹配相等时，会使得OC0引脚置0（或置1），当计数值达到255时，OC0引脚置1（或置0），这样通过改变OCR0的值，便可以在OC0上输出不同占空比的PWM波，从而使LED显示出渐明渐暗的效果第32页/共55页实例解析4—T/C0快速PWM实验#include<iom16v.h> #defineucharunsignedchar #defineuintunsignedintunsignedintcount;/*********以下是延时函数*********/voidDelay_ms(uintxms){ inti,j; for(i=0;i<xms;i++) {for(j=0;j<1140;j++);}}第33页/共55页/********以下是端口初始化函数********/voidport_init(){DDRB|=(1<<PB3); //PB3配置为输出（为1时用或符号|）

PORTB&=(0<<PB3); //PB3输出0（为0时与符号&)}/********定时器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，不分频

//比较匹配时，OC0置位，记数到0XFF时，清零OC0 OCR0=0; //比较匹配寄存器初值，

SREG=0x80;//使能全局中断}第34页/共55页/*********以下是主函数*********/voidmain(void){ port_init(); timer0_init(); while(1) {for(count=0;count<256;count++)//OCR=0时，LED最亮，然后逐渐变暗

{ OCR0=count;//比较匹配寄存器赋值

Delay_ms(20);//延时一段时间，以观察效果

} Delay_ms(3000);//LED最暗时，延时一段时间

for(count=255;count>0;count--)//OCR=255时，LED最暗，然后逐渐变亮

{ OCR0=count; Delay_ms(20); } Delay_ms(3000);//LED最亮时，延时一段时间

} }引入仿真第35页/共55页作业：设计一个125KHZ方波发生器。第36页/共55页16位定时/计数器T/C1

如同8位的定时/计数器，ATmega16的16位定时/计数器T/C1用户也是可以控制的：TCCR1A——T/C1控制寄存器A(ControlRegister)TCCR1B——T/C1控制寄存器BTCNT1——T/C1计数寄存器(16位)OCR1A——T/C1输出比较寄存器A

(OutputCompareRegister)OCR1B——T/C1输出比较寄存器B(16位)ICR1——T/C1输入捕获寄存器Inputcaptureregister

(16位)第37页/共55页T/C1的特点真正的16位设计，允许16位的PWM2个独立的输出比较匹配单元（OC1A,OC1B）双缓冲输出比较寄存器（OCR1A,OCR1B）一个输入捕捉单元(ICP1)输入捕捉噪声抑制（对输入信号进行滤波）比较匹配时清零计数器(CTC模式)可产生无输出抖动的，相位可调的PWM信号输出周期可调的PWM波形输出（计数上限可设）频率发生器外部事件计数器（T1）带10位的时钟预分频器4个独立的中断源（TOV1，OCF1A,OCF1B,ICF1）第38页/共55页跟定时器相关的引脚：1.计数脉冲输入端T0,T12.比较匹配信号输出端

OC0,OC1B,OC1A,OC23，捕捉信号输入端ICP1第39页/共55页T/C1的功能16位计数器，读操作：先读低，后读高；写操作：先写高，后写低。更加完善的PWM功能（1）产生频率可调，相位可调，频率相位均可调的PWM波（2）可同时产生2路，相同频率、不同占空比的PWM波（3）具有输入捕捉功能。第40页/共55页T/C1控制寄存器A——TCCR1A76543210

COM1B1

COM1B0

FOC1A

FOC1B

WGM11

WGM10

COM1A1

COM1A0

位7~6：T/C1比较匹配A输出模式。这两位决定了T/C1比较匹配发生时输出引脚OC1A的输出行为。位5~4：T/C1比较匹配B输出模式。这两位决定了T/C1比较匹配发生时输出引脚OC1B的输出行为。位3：强制输出比较A。位2：强制输出比较B。位1~0：波形发生模式。该两位与WGM13、WGM12（位于TCCR1B）相组合，用于控制T/C1的计数和工作方式。第41页/共55页模式WGM13WGM12WGM11WGM10T/C1工作模式计数上限值OCR1A/OCR1B更新TOV1置位00000一般模式0xFFFF立即0xFFFF100018位PWM，相位可调0x00FFTOP0x0000200109位PWM，相位可调0x01FFTOP0x00003001110位PWM，相位可调0x03FFTOP0x000040100CTCOCR1A立即0xFFFF501018位快速PWM0x00FFTOPTOP601109位快速PWM0x01FFTOPTOP7011110位快速PWM0x03FFTOPTOP81000PWM，相位、频率可调ICR10x00000x000091001PWM，相位、频率可调OCR1A0x00000x0000101010PWM，相位可调ICR1TOP0x0000111011PWM，相位可调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：输入捕获噪声抑制。当该位置“1”时，捕获信号要进行连续4次的采样，只有4次采样值都有效时，输入捕获标志才置位。位6：输入捕获触发方式选择。当该位置“0”时，捕获信号下降沿有效；当该位置“1”时，捕获信号上升沿有效。位4~3：波形发生模式。该两位与WGM11、WGM10（位于TCCR1A）相组合，用于控制T/C1的计数和工作方式。位2~0：T/C1时钟源选择。CS12CS11CS10T/C1时钟选择000无时钟源，T/C1停止001clkI/O（不经过分频器）010clkI/O/8（来自分频器）011clkI/O/64（来自分频器）100clkI/O/256（来自分频器）101clkI/O/1024（来自分频器）110外部T1引脚，下降沿驱动111外部T1引脚，上升沿驱动位5：保留。第42页/共55页T/C1计数寄存器——TCNT1H和TCNT1L15141312111098

MSB

LSB

76543210TCNT1H和TCNT1L组成T/C1的16位计数寄存器TCNT1，它是向上计数的计数器（加法计数器）或上/下计数的计数器（在PWM模式下）。若T/C1被置初值，则T/C1将在预置初值的基础上计数。第43页/共55页T/C1输出比较寄存器A——OCR1AH和OCR1AL15141312111098

MSB

LSB

76543210T/C1输出比较寄存器B——OCR1BH和OCR1BLOCR1AH和OCR1AL（OCR1BH和OCR1BL）组成16位输出比较寄存器OCR1A（OCR1B）。该寄存器中的16位数据用于同TCNT1寄存器中的计数值进行连续的匹配比较。一旦TCNT1的计数值与OCR1A（OCR1B）的数据匹配相等，则比较匹配发生。用软件的写操作将TCNT1与OCR1A、OCR1B设置为相等，不会引发比较匹配。比较匹配发生后，将置位相应的中断请求标志OCF1A和OCF1B。第44页/共55页T/C1输入捕获寄存器——ICR1H和ICR1L15141312111098

MSB

LSB

76543210ICR1H和ICR1L组成16位的输入捕获寄存器ICR1。按照ICES1的设定，外部输入捕获引脚ICP发生上跳变或下跳变时，计数器TCNT1中的值写入寄存器ICR1中，同时输入捕获中断标志ICF1将置“1”。第45页/共55页实例解析7—T/C1定时实验实现功能：使用T/C1的定时模式对LED灯进行亮灭控制，即控制PA口的LED灯亮0.1S，灭0.9S设计思路：定时时间为0.1S，计数初值的计算方法定时器初值=216-（8M/64）*0.1=53036=0XCF2CTCNT1H=0XCFTCNT1L=0X2C第46页/共55页#include<iom16.h>#defineucharunsignedchar /********以下是端口初始化函数********/voidport_init(){DDRA=0xFF; //PA设置为输出口

PORTA=0xFF; //PA输出高电平}/********定时器1初始化********/voidtimer1_init(){TCNT1H=0xCF;//计数器置初值

TCNT1L=0x2C;TCCR1A|=0x00; //普通端口模式

TCCR1B|=(1<<CS11)|(1<<CS10); //64分频

TIMSK&=(0<<TOIE1); //禁止T1溢出中断，本例采用查询方式，不采用中断方式}第47页/共55页/********以下是主函数********/voidmain(void){ucharcount,T1_OVR; port_init(); timer1_init(); while(1) { T1_OVR=TIFR&0x04; //读取T/C1溢出标志位

if(T1_OVR!=0x04){T1_OVR=TIFR&0x04;} //如果T/C1溢出标志不为1，说明没有溢出，则继续读取

else //否则说明有溢出

{ TIFR=0x04; //写1清除标志位第48页/共55页

TCNT1H=0xCF; //置计数初值

TCNT1L=0x2C; count++; //计数变量加1 if(count==9)PORTA=0X00; //控制PA口LED灯点亮0.1s if(count>=10){count=0;PORTA=0XFF;} //控制PA口LED灯熄灭0.9s }} } 第49页/共55页实例解析8—T/C1输入捕捉实验实现功能：使用T/C1的输入捕捉功能检测按键的按下，并判断两次按下的时间间隔，如果时间间隔超过3S，则PA口LED灯状态反转，否则，如果没有按键，则蜂鸣器每8.39S响一声，表示T/C1计数溢出。设计思路：T/C1设置为普通模式，定时器启动后开始计数，TCNT1从0开始计到溢出，如果没有捕捉输入，每隔8.39S蜂鸣器响一声（晶振为8MHZ，1024分频，则计数周期为0.128ms）。

若有捕捉输入时，即ICP1(PD6)有输入捕捉出发信号产生，则计数器TCNT1清0，当再次有捕捉输入时，若捕捉时间间隔为3S，则计数的个数为(8MHZ/1024)*3