第11讲 定时/计数器0
单片机在片内集成定时/计数器，使其既可以精确地测量时间，又可以对外部脉冲进行计数。定时/计数器从电路本质上来讲就是一个脉冲计数器，当计数脉冲来自于单片机内部时钟时，我们习惯称其为定时器，而当计数脉冲来自于片外时，则称其为计数器。本章主要介绍的是ATmega32单片机定时/计数器0的结构和使用方法。
8.1
认识T/C0
ATmega32单片机片内有三个定时/计数器，分别称为T/C0、T/C1和T/C2，与其他单片机相比，AVR单片机定时/计数器的功能则更加强大，它不仅可以完成定时和计数功能，还具有数字捕捉、比较和PWM功能。T/C0是一个8位的定时/计数器模块，具有10位的时钟预分频器，计数溢出和比较匹配时可以触发中断。
8.1.1
T/C0的内部结构
T/C0的内部是由计数器单元和输出比较单元两部分构成的，其结构如图8-1所示。
1.计数器单元
T/C0的核心部分是一个可编程8位双向计数单元TCNT0，它既可以由系统时钟通过预分频器驱动，也可以由T0引脚输入的外部时钟信号驱动，时钟选择模块用于设定时钟的来源以及时钟的有效边沿。
时钟选择模块输出的clk 注意：T/C0没有专用的启动和停止位，在时钟选项中时钟选择为无时钟源时，计数器会停止工作；当时钟选择为无预分频时，系统时钟直接驱动计数器计数，在每个时钟周期，计数器TCNT0的值都会加1。例如，当使用16M晶体作为时钟源时，计数器TCNT0每计一个数需要的时间是1/16MHz=0.0625μs。
2.输出比较单元
输出比较单元用于持续地将计数器TCNT0的值与输出比较寄存器OCR0的值作比较，一旦二者相等，比较器立即产生一个匹配信号，并在下一个定时器时钟到来时置位OCF0标志位，如果此中断得到允许，将会引发输出比较中断。中断服务程序执行后，标志位OCF0硬件清零，软件对OCF0位写1可以清零此标志位。
波形发生器用于在产生匹配时，按照软件设定的方式在输出比较引脚OC0上产生相应的电平逻辑信号。当T/C0工作在比较输出模式或PWM模式时，引脚OC0的功能由配置寄存器使能（由TCCR0寄存器的COM01:COM00位控制），但引脚的方向必须通过数据方向寄存器将其设定为输出。
8.1.2
认识PWM PWM是Pulse Width Modulation的缩写，中文意思是脉冲宽度调制。PWM提供了一种用数字方式产生模拟信号的方法，用于控制模拟器件的运行。PWM的应用非常广泛，通过PWM方式可以对电灯调光、对电机调速或者是产生连续可调的电压值等。要想用好PWM功能，就要首先明确几个与PWM相关的概念：
·周期：一个完整的PWM波形所占用的时间。
·频率：1秒钟内PWM波形重复的次数。如果周期是T，那么频率就是1/T。
·占空比：在输出的PWM波形中，高电平保持的时间与该PWM周期的时间之比。
·分辨率：它表示PWM信号的控制精度，即占空比的最小数值。
PWM的占空比原理如图8-2所示。当PWM信号的频率是1kHz时，其周期为1000μs。在一个PWM周期中，如果高电平出现的时间是200μs，那么占空比就是200/1000，即为20%。
在一个高电平为5V的PWM信号中，如果将一个PWM波形10等分，那么它的最小占空比是1/10，即分辨率是1/10，当其工作在最小占空比时，其输出的电压相当于0.5V；如果我们将这个PWM波形100等分，那么它的最小占空比是1/100，即分辨率是1/100，当其同样工作在最小占空比时，其输出的电压相当于0.05V。由此可见，PWM信号的分辨率越高，其输出模拟信号的精度也越高，通过控制PWM信号的占空比，即可改变其输出的等效电压，从而实现使用数字信号对模拟器件的控制功能。
8.1.3
T/C0的工作模式
按照配置的不同，T/C0可以配置成以下几种模式。
1.普通模式（定时器模式）
普通模式是最简单的工作模式。在此模式下，计数器TCNT0的值不停累加，计数到最大值0xFF后，在下一个时钟到来时产生计数溢出，计数值返回到0x00并重新开始计数。当计数器TCNT0的值为0x00时，T/C0溢出标志位TOV0置位。如果T/C0溢出中断得到使能，单片机会执行相应的中断服务程序，中断服务程序执行后，TOV0标志位会硬件清零。在普通模式下，可以随时软件写入寄存器TCNT0。
2.CTC模式（比较匹配时清零定时器模式）
在此模式下，输出比较寄存器OCR0用于保存匹配值，计数器TCNT0的值持续累加，当TCNT0的值等于OCR0时，二者产生匹配，随后计数器TCNT0自动清零，中断标志位OCF0置位，如果此中断得到使能，即可执行相应的中断服务程序。
如果引脚OC0的数据方向被设定为输出，引脚上将会产生电平变化，具体变化方式由T/C0控制寄存器TCCR0的COM01:COM00位设定。为了使OC0引脚能输出正确的波形，通常的做法是将引脚电平变化的方式设定为比较匹配时电平取反，这时其产生的波形频率可由下式计算：
比较器输出频率＝系统时钟/[2×N×（1+寄存器OCR0值）]
在上面的公式中，N为预分频因子，其值为1、8、64、256或1024。
3.快速PWM模式
快速PWM模式是基于单斜坡操作的，这有助于产生更高频率的PWM波形。在此模式下，计数器从BOTTOM开始计数到MAX，然后立即返回到BOTTOM重新开始计数。关于计数器的MAX、TOP和BOTTOM值的定义如图8-3所示。
掌握计数器的空间定义对于理解AVR单片机定时/计数器功能十分重要。当计数器为空时，其值为BOTTOM，随着计数值的增长，达到某一个约定值时，称其为TOP，当计数值达到计数器的最大容量时，称其为MAX。在T/C0的快速PWM模式下，计数器TCNT0的值从BOTTOM开始递增，当其值与OCR0寄存器所指定的TOP值匹配时，引脚OC0上的电平将会按照TCCR0寄存器COM01:COM00位所设定的方式动作。快速PWM模式的时序如图8-4所示。
在图8-4所示的快速PWM方式下，由于计数器TCNT0的计数值是从BOTTOM计到MAX，所以PWM的周期是一个固定的值，另外图中还有以下关键点需要说明：
·A点：计数器的值为最小值BOTTOM，此时OC0引脚输出高电平。
·B点：当计数器TCNT0的值不断累加到与OCR0的值匹配时，OC0引脚电平翻转，输出低电平，并且将输出比较中断标志位OCF0置位。
·C点：计数器TCNT0的计数值达到最大值MAX，T/C0的溢出标志位TOV0置位，此时OCR0寄存器中保存的值会进行一次更新，此更新可以用于改变PWM波形的占空比。
·D点：计数器TCNT0由于溢出而清零到BOTTOM，OC0引脚电平翻转，输出高电平。
快速PWM模式下的输出频率可由下式计算：
PWM频率＝系统时钟频率/（N×256）
在上面的公式中，N为预分频因子，其值为1、8、64、256或1024。
另外，在快速PWM模式下，通过将引脚OC0设定为在比较匹配时电平取反（COM01:0=1），可以得到占空比为50%的PWM信号。
4.相位修正PWM模式
相位修正PWM模式是基于双斜坡操作的。在此模式下，计数器TCNT0正向地从BOTTOM计数到MAX，然后再从MAX倒退计数到BOTTOM，其时序如图8-5所示。
与快速PWM模式不同的是，相位修正PWM模式的周期是由TCNT0的两次MAX计数周期组合而成的，其时序的关键点如下：
·A点：计数器TCNT0的值已经达到MAX，此时上一个PWM周期结束，新的PWM周期开始，OC0引脚电平翻转，按照COM01:0位的设定输出低电平。比较匹配寄存器OCR0的值得到更新，这个更新用于改变PWM波形的占空比。
·B点：计数器TCNT0反向计数到OCR0指定的匹配值，这时输出比较标志位OCF0置位，按照COM01:0位的设定，引脚OC0电平再次翻转，输出高电平。
·C点：计数器TCNT0清零并重新开始正向计数，计数器溢出中断标志位TOV0置位。
·D点：计数器TCNT0正向计数到OCR0指定的匹配值，引脚OC0输出低电平，这时输出比较标志位OCF0置位。
·E点：计数器TCNT0正向计数到达最大值MAX，引脚OC0电平翻转，比较匹配寄存器OCR0的值再次得到更新，本次PWM周期结束。
与快速PWM模式的单斜坡操作相比，双斜坡的相位修正PWM所获得的最大频率比快速PWM模式要小，但其波形对称性很好，非常适合于电机的控制。相位修正PWM方式的输出频率可由下式计算：
PWM频率＝系统时钟频率/（N×510）
8.2
T/C0的控制
8.2.1
T/C0的相关寄存器
1.TCCR0寄存器
该寄存器是T/C0的控制寄存器，包含了多个T/C0的工作模式和比较匹配单元输出模式控制位。
TCCR0寄存器：T/C0控制寄存器
bit 7FOC0：强制输出比较控制位。该位置1时将强制OC0引脚进入比较匹配状态，具体工作方式由COM01:COM00位设定。强制输出比较匹配状态不会引发中断，并且只在非PWM模式时有效，在PWM模式下，不可将该位置1。
bit 6，3WGM01:WGM00：波形发生模式设定位，用于设定T/C0的工作状态，具体详见表8-1。
bit 5:4COM01:COM00：OC0引脚比较匹配输出模式设定位，具体详见表8-2。
bit 2:0CS02:CS00：T/C0时钟源选择位，用于选择T/C0的时钟源或设定预分频比，具体详见表8-3。
注意：当T/C0使用外部时钟源时，需要将T0引脚配置成输入。如果此时T0引脚被配置成输出，那么该引脚的输出电平变化会驱动T/C0计数，这一特性可以用于软件控制计数。另外，虽然引脚OC0的比较输出状态由寄存器TCCR0的COM01:COM00位控制，但它也同时受引脚方向寄存器的控制，使用时需要将相应位设定为输出，才能在OC0引脚上得到正确的信号。
2.TCNT0寄存器
该寄存器是T/C0的数据寄存器，用于保存定时或计数数据，TCNT0寄存器可以随时读写。
TCNT0寄存器：T/C0的数据寄存器
3.OCR0寄存器
该寄存器是T/C0的输出比较寄存器，用于保存匹配值。当其值与TCNT0的计数值产生匹配时，将产生输出比较中断，并且可以改变OC0引脚的电平状态。
OCR0寄存器：输出比较寄存器
4.TIMSK寄存器
该寄存器是T/C（定时/计数器）的中断屏蔽寄存器，该寄存器包含了多个中断控制位。
TIMSK寄存器：T/C中断屏蔽寄存器
bit 7-bit 2暂不介绍。
bit 1OCIE0：T/C0输出比较匹配中断使能位。该位置1时，T/C0输出比较匹配中断使能。
bit 0TOIE0：T/C0溢出中断使能位。该位置1时，T/C0溢出中断使能。
5.TIFR寄存器
该寄存器是T/C（定时/计数器）的中断标志寄存器，该寄存器包含了多个中断标志位。
TIFR寄存器：T/C中断标志寄存器
bit 7-2：暂不介绍。
bit 1OCF0：T/C0输出比较匹配标志位。当TCNT0与OCR0匹配时该位置1。当此中断服务程序被执行后，该位自动清零。另外软件对该位写1会清零此标志位。
bit 0TOV0：T/C0溢出标志位。T/C0溢出时该标志位置1，当此中断服务程序被执行后，该位自动清零。软件对该位写1会清零此标志位。
8.2.2
T/C0的预分频器
ATmega32单片机的T/C0模块与T/C1模块共用一个预分频器，但是两个模块可以有不同的分频比设置，预分频器的结构如图8-6所示。
系统时钟clkI/O经过10位的T/C预分频器后，输出4种不同频率的时钟信号，分别是clk SFIOR寄存器。该寄存器是特殊功能IO寄存器，包含了多个A/D转换、模拟比较器等功能控制位。
SFIOR寄存器：特殊功能I/O寄存器
bit 7-1：暂不介绍。
bit 0PSR10：T/C0与T/C1的预分频器复位控制位。该位置1时T/C0与T/C1的预分频器复位，操作完成后该位硬件清零。
由于T/C0与T/C1共用同一个预分频器，因此当预分频器复位后，对这两个定时器都会有影响，这一特性也可以用于同步两个定时器的运行。
8.3
T/C0的编程应用
8.3.1
基于T/C0的时钟
使用T/C0产生时基信号驱动数码管，制作一款数显电子钟，能帮助我们学习和理解定时器的功能。打开Atmel Studio 6.1软件，新建名为“TC0”的项目文件，保存在chapter8文件夹下，软件会将名为TC0.c的源文件自动添加到新建的项目中。编辑TC0.c源文件，具体代码详见代码清单8-1。
代码清单8-1
基于T/C0的时钟
/*
*
TC0.c *
T/C0
时钟
*
Created: 2013/8/26
21:06:44
*
Author: GAO */
#include
//
包含AVR 头文件
#include
//
包含AVR 中断控制头文件
#define F_CPU 16000000UL //
定义系统时钟
#include
//
包含延时函数头文件
unsigned char table0[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f }; //
共阴无点
unsigned char table1[]={0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6, 0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef }; //
共阴有点
unsigned char TEMP; //
定义临时变量
unsigned char SEC,MIN,HOU; //
定义秒、分、时变量
void display(void); //
数码管显示函数声明
void TC0_init(void); //
定时器0
初始化函数声明
int main(void)
{
DDRA=0xFF; //
设数码管段驱动端为输出
DDRB=0xF0; //
设数码管位驱动端为输出
TC0_init(); //
定时器0
初始化
HOU=12; //
时钟初始时间12:00
while(1)
{
display(); }
}
/**********
数码管显示函数**********/
void display(void)
{
unsigned char NUM4,NUM3,NUM2,NUM1; NUM1=MIN%10; NUM2=MIN%100/10; NUM3=HOU%10; NUM4=HOU%100/10; PORTA=table0[NUM1]; PORTB=0x10; _delay_ms(2); //
延时2ms PORTA=0x00; PORTB=0x00; _delay_ms(1); //
延时1ms PORTA=table0[NUM2]; PORTB=0x20; _delay_ms(2); //
延时2ms PORTA=0x00; PORTB=0x00; _delay_ms(1); //
延时1ms if(SEC%2==1)
//
点闪烁
{
PORTA=table0[NUM3]; PORTB=0x40; _delay_ms(2); //
延时2ms }
else {
PORTA=table1[NUM3]; PORTB=0x40; _delay_ms(2); //
延时2ms }
PORTA=0x00; PORTB=0x00; _delay_ms(1); //
延时1ms PORTA=table0[NUM4]; PORTB=0x80; _delay_ms(2); //
延时2ms PORTA=0x00; PORTB=0x00; _delay_ms(1); //
延时1ms }
/**********T/C0
初始化函数**********/
void TC0_init(void)
{
SREG=0x80; //
开全局中断
TIMSK=0x01; //
开T/C0
溢出中断
TCNT0=(256-157); //
初值99
（157*0.0625us*1024=10.048ms ）
TCCR0=0x05; //T/C0
预分频比1/1024
}
/**********T/C0
中断服务函数**********/
ISR(TIMER0_OVF_vect)
{
TCNT0=(256-157); //
初值99
（157*0.0625us*1024=10.048ms ）
TEMP++; //10ms 中断产生并自加一次
if(TEMP==100)
{
TEMP=0; SEC++; //
秒自加
}
if(SEC>=60)
{
SEC=0; MIN++; //
分自加
}
if(MIN>=60)
{
MIN=0; HOU++; //
时自加
}
if(HOU>=24)
{
HOU=0; }
}
/**********
结束**********/
将以上代码编译后，下载到AVR系统板中。程序运行后如图8-7所示。
图中数码管显示当前时间为“12.00”，时与分之间的小数点以秒为周期闪烁，显示时钟正在运行。在此程序的基础上，你只要稍加修改，就可以将其扩充成可调时、有闹钟的真正意义上的时钟了。
8.3.2
基于T/C0的PWM调光灯
T/C0可以产生占空比可调的PWM信号，用它来驱动LED灯时，改变PWM信号的占空比，就可以调节LED灯的亮度。实现的方法也很简单，在AVR系统板上，使用杜邦线将OC0引脚连接至LAMP的驱动端（J1），打开Atmel Studio 6.1软件，新建名为“TC0PWM”的项目，同样保存在chapter8文件夹下，软件会自动将名为TC0PWM.c的源文件添加到新建的项目中。编辑TC0PWM.c源文件，具体代码见代码清单8-2。
代码清单8-2
基于T/C0的PWM调光灯
/*
*
TC0PWM.c *
T/C0
PWM 调光
*
Created: 2013/8/27
21:00:11
*
Author: GAO */
/*OC0
输出PWM 驱动LED 、按键连接于PD0
、PD1
开端口上拉*/
#include
//
包含AVR 头文件
#include
//
包含AVR 中断控制头文件
#define F_CPU 16000000UL //
定义系统时钟
#include
//
包含延时函数头文件
unsigned char table0[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f }; //
共阴无点
unsigned char table1[]={0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6, 0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef }; //
共阴有点
unsigned int PWM; //
定义变量保存PWM 占空比
void display(unsigned int NUM); //
数码管显示函数声明
void TC0_init(void); //T/C0
初始化函数声明
void pwm_init(void); //PWM 输出初始化函数声明
void key_init(void); //
按键初始化函数声明
void key_scan(void); //
按键扫描函数声明
/**********
主函数**********/
int main(void)
{
DDRA=0xFF; //
设数码管段驱动端为输出
DDRB=0xF0; //
设数码管位驱动端为输出
DDRB|=0x08; //
置OC0
为输出
key_init(); TC0_init(); pwm_init(); while(1)
{
display(PWM); //
显示PWM 占空比的值
key_scan(); //
扫描按键
}
}
/**********
数码管显示函数**********/
void display(unsigned int NUM)
{
unsigned char NUM4,NUM3,NUM2,NUM1; NUM1=NUM%10; NUM2=NUM%100/10; NUM3=NUM%1000/100; NUM4=NUM/1000; PORTA=table0[NUM1]; PORTB=0x10; _delay_ms(2); //
延时2ms PORTA=0x00; PORTB=0x00; _delay_ms(1); //
延时1ms PORTA=table0[NUM2]; PORTB=0x20; _delay_ms(2); //
延时2ms PORTA=0x00; PORTB=0x00; _delay_ms(1); //
延时1ms PORTA=table0[NUM3]; PORTB=0x40; _delay_ms(2); //
延时2ms PORTA=0x00; PORTB=0x00; _delay_ms(1); //
延时1ms PORTA=table0[NUM4]; PORTB=0x80; _delay_ms(2); //
延时2ms PORTA=0x00; PORTB=0x00; _delay_ms(1); //
延时1ms }
/**********T/C0
初始化函数**********/
void TC0_init(void)
{
TCCR0=0x61; //
相位修正PWM 模式（升序匹配时清零OC0
引脚，1:1
预分频）
OCR0=128; //OCR0
指定匹配值（PWM 频率=16M/1*510=31kHz ）
}
/**********
按键初始化函数**********/
void key_init(void)
{
DDRD=0x00; //
将PORTD 设为输入
PORTD=0x03; //
开PD0
、PD1
端口上拉
}
/**********
按键扫描函数**********/
void key_scan(void)
{
unsigned char KEYNUM; KEYNUM=PIND; //
读PORTD 端口
KEYNUM=KEYNUM&0x03; //
保留PORTD 低两位
if(KEYNUM==0x02)
//S1
按下
{
PWM++; if(PWM>=255)
{
PWM=255; }
OCR0=PWM; //
将占空比值赋予OCR0
}
if(KEYNUM==0x01)
//S2
按下
{
PWM--; if(PWM<=1)
{
PWM=1; }
OCR0=PWM; //
将占空比值赋予OCR0
}
}
/**********PWM 输出初始化函数**********/
void pwm_init(void)
{
PWM=128; //
初始占空比50%
}
/**********
结束**********/
程序编写完毕经编译后烧写到系统板上的ATmega32单片机中，程序运行后如图8-8所示。
数码管初始显示为“128”，表明当前PWM的占空比为128/256，即50%。按下按键S1，占空比会增加，按下按键S2，占空比会减小，白色的LED灯会随着占空比的变化而改变亮度。如果你对此有足够的兴趣，你可以做些更加复杂的应用尝试，比如给直流电机调速、改变可控硅的导通角等。总之，理解PWM的意义会给你以后的研发工作带来很大帮助。
8.1
认识T/C0
ATmega32单片机片内有三个定时/计数器，分别称为T/C0、T/C1和T/C2，与其他单片机相比，AVR单片机定时/计数器的功能则更加强大，它不仅可以完成定时和计数功能，还具有数字捕捉、比较和PWM功能。T/C0是一个8位的定时/计数器模块，具有10位的时钟预分频器，计数溢出和比较匹配时可以触发中断。
8.1.1
T/C0的内部结构
T/C0的内部是由计数器单元和输出比较单元两部分构成的，其结构如图8-1所示。
1.计数器单元
T/C0的核心部分是一个可编程8位双向计数单元TCNT0，它既可以由系统时钟通过预分频器驱动，也可以由T0引脚输入的外部时钟信号驱动，时钟选择模块用于设定时钟的来源以及时钟的有效边沿。
时钟选择模块输出的clk 注意：T/C0没有专用的启动和停止位，在时钟选项中时钟选择为无时钟源时，计数器会停止工作；当时钟选择为无预分频时，系统时钟直接驱动计数器计数，在每个时钟周期，计数器TCNT0的值都会加1。例如，当使用16M晶体作为时钟源时，计数器TCNT0每计一个数需要的时间是1/16MHz=0.0625μs。
2.输出比较单元
输出比较单元用于持续地将计数器TCNT0的值与输出比较寄存器OCR0的值作比较，一旦二者相等，比较器立即产生一个匹配信号，并在下一个定时器时钟到来时置位OCF0标志位，如果此中断得到允许，将会引发输出比较中断。中断服务程序执行后，标志位OCF0硬件清零，软件对OCF0位写1可以清零此标志位。
波形发生器用于在产生匹配时，按照软件设定的方式在输出比较引脚OC0上产生相应的电平逻辑信号。当T/C0工作在比较输出模式或PWM模式时，引脚OC0的功能由配置寄存器使能（由TCCR0寄存器的COM01:COM00位控制），但引脚的方向必须通过数据方向寄存器将其设定为输出。
8.1.2
认识PWM PWM是Pulse Width Modulation的缩写，中文意思是脉冲宽度调制。PWM提供了一种用数字方式产生模拟信号的方法，用于控制模拟器件的运行。PWM的应用非常广泛，通过PWM方式可以对电灯调光、对电机调速或者是产生连续可调的电压值等。要想用好PWM功能，就要首先明确几个与PWM相关的概念：
·周期：一个完整的PWM波形所占用的时间。
·频率：1秒钟内PWM波形重复的次数。如果周期是T，那么频率就是1/T。
·占空比：在输出的PWM波形中，高电平保持的时间与该PWM周期的时间之比。
·分辨率：它表示PWM信号的控制精度，即占空比的最小数值。
PWM的占空比原理如图8-2所示。当PWM信号的频率是1kHz时，其周期为1000μs。在一个PWM周期中，如果高电平出现的时间是200μs，那么占空比就是200/1000，即为20%。
在一个高电平为5V的PWM信号中，如果将一个PWM波形10等分，那么它的最小占空比是1/10，即分辨率是1/10，当其工作在最小占空比时，其输出的电压相当于0.5V；如果我们将这个PWM波形100等分，那么它的最小占空比是1/100，即分辨率是1/100，当其同样工作在最小占空比时，其输出的电压相当于0.05V。由此可见，PWM信号的分辨率越高，其输出模拟信号的精度也越高，通过控制PWM信号的占空比，即可改变其输出的等效电压，从而实现使用数字信号对模拟器件的控制功能。
8.1.3
T/C0的工作模式
按照配置的不同，T/C0可以配置成以下几种模式。
1.普通模式（定时器模式）
普通模式是最简单的工作模式。在此模式下，计数器TCNT0的值不停累加，计数到最大值0xFF后，在下一个时钟到来时产生计数溢出，计数值返回到0x00并重新开始计数。当计数器TCNT0的值为0x00时，T/C0溢出标志位TOV0置位。如果T/C0溢出中断得到使能，单片机会执行相应的中断服务程序，中断服务程序执行后，TOV0标志位会硬件清零。在普通模式下，可以随时软件写入寄存器TCNT0。
2.CTC模式（比较匹配时清零定时器模式）
在此模式下，输出比较寄存器OCR0用于保存匹配值，计数器TCNT0的值持续累加，当TCNT0的值等于OCR0时，二者产生匹配，随后计数器TCNT0自动清零，中断标志位OCF0置位，如果此中断得到使能，即可执行相应的中断服务程序。
如果引脚OC0的数据方向被设定为输出，引脚上将会产生电平变化，具体变化方式由T/C0控制寄存器TCCR0的COM01:COM00位设定。为了使OC0引脚能输出正确的波形，通常的做法是将引脚电平变化的方式设定为比较匹配时电平取反，这时其产生的波形频率可由下式计算：
比较器输出频率＝系统时钟/[2×N×（1+寄存器OCR0值）]
在上面的公式中，N为预分频因子，其值为1、8、64、256或1024。
3.快速PWM模式
快速PWM模式是基于单斜坡操作的，这有助于产生更高频率的PWM波形。在此模式下，计数器从BOTTOM开始计数到MAX，然后立即返回到BOTTOM重新开始计数。关于计数器的MAX、TOP和BOTTOM值的定义如图8-3所示。
掌握计数器的空间定义对于理解AVR单片机定时/计数器功能十分重要。当计数器为空时，其值为BOTTOM，随着计数值的增长，达到某一个约定值时，称其为TOP，当计数值达到计数器的最大容量时，称其为MAX。在T/C0的快速PWM模式下，计数器TCNT0的值从BOTTOM开始递增，当其值与OCR0寄存器所指定的TOP值匹配时，引脚OC0上的电平将会按照TCCR0寄存器COM01:COM00位所设定的方式动作。快速PWM模式的时序如图8-4所示。
在图8-4所示的快速PWM方式下，由于计数器TCNT0的计数值是从BOTTOM计到MAX，所以PWM的周期是一个固定的值，另外图中还有以下关键点需要说明：
·A点：计数器的值为最小值BOTTOM，此时OC0引脚输出高电平。
·B点：当计数器TCNT0的值不断累加到与OCR0的值匹配时，OC0引脚电平翻转，输出低电平，并且将输出比较中断标志位OCF0置位。
·C点：计数器TCNT0的计数值达到最大值MAX，T/C0的溢出标志位TOV0置位，此时OCR0寄存器中保存的值会进行一次更新，此更新可以用于改变PWM波形的占空比。
·D点：计数器TCNT0由于溢出而清零到BOTTOM，OC0引脚电平翻转，输出高电平。
快速PWM模式下的输出频率可由下式计算：
PWM频率＝系统时钟频率/（N×256）
在上面的公式中，N为预分频因子，其值为1、8、64、256或1024。
另外，在快速PWM模式下，通过将引脚OC0设定为在比较匹配时电平取反（COM01:0=1），可以得到占空比为50%的PWM信号。
4.相位修正PWM模式
相位修正PWM模式是基于双斜坡操作的。在此模式下，计数器TCNT0正向地从BOTTOM计数到MAX，然后再从MAX倒退计数到BOTTOM，其时序如图8-5所示。
与快速PWM模式不同的是，相位修正PWM模式的周期是由TCNT0的两次MAX计数周期组合而成的，其时序的关键点如下：
·A点：计数器TCNT0的值已经达到MAX，此时上一个PWM周期结束，新的PWM周期开始，OC0引脚电平翻转，按照COM01:0位的设定输出低电平。比较匹配寄存器OCR0的值得到更新，这个更新用于改变PWM波形的占空比。
·B点：计数器TCNT0反向计数到OCR0指定的匹配值，这时输出比较标志位OCF0置位，按照COM01:0位的设定，引脚OC0电平再次翻转，输出高电平。
·C点：计数器TCNT0清零并重新开始正向计数，计数器溢出中断标志位TOV0置位。
·D点：计数器TCNT0正向计数到OCR0指定的匹配值，引脚OC0输出低电平，这时输出比较标志位OCF0置位。
·E点：计数器TCNT0正向计数到达最大值MAX，引脚OC0电平翻转，比较匹配寄存器OCR0的值再次得到更新，本次PWM周期结束。
与快速PWM模式的单斜坡操作相比，双斜坡的相位修正PWM所获得的最大频率比快速PWM模式要小，但其波形对称性很好，非常适合于电机的控制。相位修正PWM方式的输出频率可由下式计算：
PWM频率＝系统时钟频率/（N×510）
8.2
T/C0的控制
8.2.1
T/C0的相关寄存器
1.TCCR0寄存器
该寄存器是T/C0的控制寄存器，包含了多个T/C0的工作模式和比较匹配单元输出模式控制位。
TCCR0寄存器：T/C0控制寄存器
bit 7FOC0：强制输出比较控制位。该位置1时将强制OC0引脚进入比较匹配状态，具体工作方式由COM01:COM00位设定。强制输出比较匹配状态不会引发中断，并且只在非PWM模式时有效，在PWM模式下，不可将该位置1。
bit 6，3WGM01:WGM00：波形发生模式设定位，用于设定T/C0的工作状态，具体详见表8-1。
bit 5:4COM01:COM00：OC0引脚比较匹配输出模式设定位，具体详见表8-2。
bit 2:0CS02:CS00：T/C0时钟源选择位，用于选择T/C0的时钟源或设定预分频比，具体详见表8-3。
注意：当T/C0使用外部时钟源时，需要将T0引脚配置成输入。如果此时T0引脚被配置成输出，那么该引脚的输出电平变化会驱动T/C0计数，这一特性可以用于软件控制计数。另外，虽然引脚OC0的比较输出状态由寄存器TCCR0的COM01:COM00位控制，但它也同时受引脚方向寄存器的控制，使用时需要将相应位设定为输出，才能在OC0引脚上得到正确的信号。
2.TCNT0寄存器
该寄存器是T/C0的数据寄存器，用于保存定时或计数数据，TCNT0寄存器可以随时读写。
TCNT0寄存器：T/C0的数据寄存器
3.OCR0寄存器
该寄存器是T/C0的输出比较寄存器，用于保存匹配值。当其值与TCNT0的计数值产生匹配时，将产生输出比较中断，并且可以改变OC0引脚的电平状态。
OCR0寄存器：输出比较寄存器
4.TIMSK寄存器
该寄存器是T/C（定时/计数器）的中断屏蔽寄存器，该寄存器包含了多个中断控制位。
TIMSK寄存器：T/C中断屏蔽寄存器
bit 7-bit 2暂不介绍。
bit 1OCIE0：T/C0输出比较匹配中断使能位。该位置1时，T/C0输出比较匹配中断使能。
bit 0TOIE0：T/C0溢出中断使能位。该位置1时，T/C0溢出中断使能。
5.TIFR寄存器
该寄存器是T/C（定时/计数器）的中断标志寄存器，该寄存器包含了多个中断标志位。
TIFR寄存器：T/C中断标志寄存器
bit 7-2：暂不介绍。
bit 1OCF0：T/C0输出比较匹配标志位。当TCNT0与OCR0匹配时该位置1。当此中断服务程序被执行后，该位自动清零。另外软件对该位写1会清零此标志位。
bit 0TOV0：T/C0溢出标志位。T/C0溢出时该标志位置1，当此中断服务程序被执行后，该位自动清零。软件对该位写1会清零此标志位。
8.2.2
T/C0的预分频器
ATmega32单片机的T/C0模块与T/C1模块共用一个预分频器，但是两个模块可以有不同的分频比设置，预分频器的结构如图8-6所示。
系统时钟clkI/O经过10位的T/C预分频器后，输出4种不同频率的时钟信号，分别是clk SFIOR寄存器。该寄存器是特殊功能IO寄存器，包含了多个A/D转换、模拟比较器等功能控制位。
SFIOR寄存器：特殊功能I/O寄存器
bit 7-1：暂不介绍。
bit 0PSR10：T/C0与T/C1的预分频器复位控制位。该位置1时T/C0与T/C1的预分频器复位，操作完成后该位硬件清零。
由于T/C0与T/C1共用同一个预分频器，因此当预分频器复位后，对这两个定时器都会有影响，这一特性也可以用于同步两个定时器的运行。
8.3
T/C0的编程应用
8.3.1
基于T/C0的时钟
使用T/C0产生时基信号驱动数码管，制作一款数显电子钟，能帮助我们学习和理解定时器的功能。打开Atmel Studio 6.1软件，新建名为“TC0”的项目文件，保存在chapter8文件夹下，软件会将名为TC0.c的源文件自动添加到新建的项目中。编辑TC0.c源文件，具体代码详见代码清单8-1。
代码清单8-1
基于T/C0的时钟
/*
*
TC0.c *
T/C0
时钟
*
Created: 2013/8/26
21:06:44
*
Author: GAO */
#include
//
包含AVR 头文件
#include
//
包含AVR 中断控制头文件
#define F_CPU 16000000UL //
定义系统时钟
#include
//
包含延时函数头文件
unsigned char table0[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f }; //
共阴无点
unsigned char table1[]={0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6, 0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef }; //
共阴有点
unsigned char TEMP; //
定义临时变量
unsigned char SEC,MIN,HOU; //
定义秒、分、时变量
void display(void); //
数码管显示函数声明
void TC0_init(void); //
定时器0
初始化函数声明
int main(void)
{
DDRA=0xFF; //
设数码管段驱动端为输出
DDRB=0xF0; //
设数码管位驱动端为输出
TC0_init(); //
定时器0
初始化
HOU=12; //
时钟初始时间12:00
while(1)
{
display(); }
}
/**********
数码管显示函数**********/
void display(void)
{
unsigned char NUM4,NUM3,NUM2,NUM1; NUM1=MIN%10; NUM2=MIN%100/10; NUM3=HOU%10; NUM4=HOU%100/10; PORTA=table0[NUM1]; PORTB=0x10; _delay_ms(2); //
延时2ms PORTA=0x00; PORTB=0x00; _delay_ms(1); //
延时1ms PORTA=table0[NUM2]; PORTB=0x20; _delay_ms(2); //
延时2ms PORTA=0x00; PORTB=0x00; _delay_ms(1); //
延时1ms if(SEC%2==1)
//
点闪烁
{
PORTA=table0[NUM3]; PORTB=0x40; _delay_ms(2); //
延时2ms }
else {
PORTA=table1[NUM3]; PORTB=0x40; _delay_ms(2); //
延时2ms }
PORTA=0x00; PORTB=0x00; _delay_ms(1); //
延时1ms PORTA=table0[NUM4]; PORTB=0x80; _delay_ms(2); //
延时2ms PORTA=0x00; PORTB=0x00; _delay_ms(1); //
延时1ms }
/**********T/C0
初始化函数**********/
void TC0_init(void)
{
SREG=0x80; //
开全局中断
TIMSK=0x01; //
开T/C0
溢出中断
TCNT0=(256-157); //
初值99
（157*0.0625us*1024=10.048ms ）
TCCR0=0x05; //T/C0
预分频比1/1024
}
/**********T/C0
中断服务函数**********/
ISR(TIMER0_OVF_vect)
{
TCNT0=(256-157); //
初值99
（157*0.0625us*1024=10.048ms ）
TEMP++; //10ms 中断产生并自加一次
if(TEMP==100)
{
TEMP=0; SEC++; //
秒自加
}
if(SEC>=60)
{
SEC=0; MIN++; //
分自加
}
if(MIN>=60)
{
MIN=0; HOU++; //
时自加
}
if(HOU>=24)
{
HOU=0; }
}
/**********
结束**********/
将以上代码编译后，下载到AVR系统板中。程序运行后如图8-7所示。
图中数码管显示当前时间为“12.00”，时与分之间的小数点以秒为周期闪烁，显示时钟正在运行。在此程序的基础上，你只要稍加修改，就可以将其扩充成可调时、有闹钟的真正意义上的时钟了。
8.3.2
基于T/C0的PWM调光灯
T/C0可以产生占空比可调的PWM信号，用它来驱动LED灯时，改变PWM信号的占空比，就可以调节LED灯的亮度。实现的方法也很简单，在AVR系统板上，使用杜邦线将OC0引脚连接至LAMP的驱动端（J1），打开Atmel Studio 6.1软件，新建名为“TC0PWM”的项目，同样保存在chapter8文件夹下，软件会自动将名为TC0PWM.c的源文件添加到新建的项目中。编辑TC0PWM.c源文件，具体代码见代码清单8-2。
代码清单8-2
基于T/C0的PWM调光灯
/*
*
TC0PWM.c *
T/C0
PWM 调光
*
Created: 2013/8/27
21:00:11
*
Author: GAO */
/*OC0
输出PWM 驱动LED 、按键连接于PD0
、PD1
开端口上拉*/
#include
//
包含AVR 头文件
#include
//
包含AVR 中断控制头文件
#define F_CPU 16000000UL //
定义系统时钟
#include
//
包含延时函数头文件
unsigned char table0[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f }; //
共阴无点
unsigned char table1[]={0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6, 0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef }; //
共阴有点
unsigned int PWM; //
定义变量保存PWM 占空比
void display(unsigned int NUM); //
数码管显示函数声明
void TC0_init(void); //T/C0
初始化函数声明
void pwm_init(void); //PWM 输出初始化函数声明
void key_init(void); //
按键初始化函数声明
void key_scan(void); //
按键扫描函数声明
/**********
主函数**********/
int main(void)
{
DDRA=0xFF; //
设数码管段驱动端为输出
DDRB=0xF0; //
设数码管位驱动端为输出
DDRB|=0x08; //
置OC0
为输出
key_init(); TC0_init(); pwm_init(); while(1)
{
display(PWM); //
显示PWM 占空比的值
key_scan(); //
扫描按键
}
}
/**********
数码管显示函数**********/
void display(unsigned int NUM)
{
unsigned char NUM4,NUM3,NUM2,NUM1; NUM1=NUM%10; NUM2=NUM%100/10; NUM3=NUM%1000/100; NUM4=NUM/1000; PORTA=table0[NUM1]; PORTB=0x10; _delay_ms(2); //
延时2ms PORTA=0x00; PORTB=0x00; _delay_ms(1); //
延时1ms PORTA=table0[NUM2]; PORTB=0x20; _delay_ms(2); //
延时2ms PORTA=0x00; PORTB=0x00; _delay_ms(1); //
延时1ms PORTA=table0[NUM3]; PORTB=0x40; _delay_ms(2); //
延时2ms PORTA=0x00; PORTB=0x00; _delay_ms(1); //
延时1ms PORTA=table0[NUM4]; PORTB=0x80; _delay_ms(2); //
延时2ms PORTA=0x00; PORTB=0x00; _delay_ms(1); //
延时1ms }
/**********T/C0
初始化函数**********/
void TC0_init(void)
{
TCCR0=0x61; //
相位修正PWM 模式（升序匹配时清零OC0
引脚，1:1
预分频）
OCR0=128; //OCR0
指定匹配值（PWM 频率=16M/1*510=31kHz ）
}
/**********
按键初始化函数**********/
void key_init(void)
{
DDRD=0x00; //
将PORTD 设为输入
PORTD=0x03; //
开PD0
、PD1
端口上拉
}
/**********
按键扫描函数**********/
void key_scan(void)
{
unsigned char KEYNUM; KEYNUM=PIND; //
读PORTD 端口
KEYNUM=KEYNUM&0x03; //
保留PORTD 低两位
if(KEYNUM==0x02)
//S1
按下
{
PWM++; if(PWM>=255)
{
PWM=255; }
OCR0=PWM; //
将占空比值赋予OCR0
}
if(KEYNUM==0x01)
//S2
按下
{
PWM--; if(PWM<=1)
{
PWM=1; }
OCR0=PWM; //
将占空比值赋予OCR0
}
}
/**********PWM 输出初始化函数**********/
void pwm_init(void)
{
PWM=128; //
初始占空比50%
}
/**********
结束**********/
程序编写完毕经编译后烧写到系统板上的ATmega32单片机中，程序运行后如图8-8所示。
数码管初始显示为“128”，表明当前PWM的占空比为128/256，即50%。按下按键S1，占空比会增加，按下按键S2，占空比会减小，白色的LED灯会随着占空比的变化而改变亮度。如果你对此有足够的兴趣，你可以做些更加复杂的应用尝试，比如给直流电机调速、改变可控硅的导通角等。总之，理解PWM的意义会给你以后的研发工作带来很大帮助。
上一节
第10讲 外部中断
第10讲 外部中断
下一节
第12讲 定时/计数器1
第12讲 定时/计数器1
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AVR单片机基础教程
作者：高显生 共18讲AVR系列单片机是8位单片机中第一个真正的RISC结构单片机，它采用了大型快速存取寄存器组、快速的单周期指令系统以及单级流水线等诸多先进技术，使得AVR单片机具备了高达1MIPS/MHz的运行处理能力。
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