在单片机（Microcontroller）的应用中，定时器/计数器（Timer/Counter）是一种非常重要的设备。它可以用来测量时间、生成精确的延迟、实现时序控制等功能。本文将介绍一些定时器/计数器在实际应用中的使用案例，并探讨其更多的用途。
1. 定时功能
定时功能是定时器/计数器最常见的应用之一。在许多实际场景中，我们需要按照预定的时间间隔执行某些操作。比如，我们想让一个LED灯每隔1秒闪烁一次，或者让一个电机每隔10毫秒旋转一次。这时候，定时器/计数器就可以派上用场了。
以传统的8位单片机ATmega328P为例，它内部拥有3个定时器/计数器，分别是Timer/Counter0、Timer/Counter1和Timer/Counter2。通过适当地设置定时器/计数器的配置寄存器，我们可以控制其计数频率和定时时间。代码示例如下：
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#define F_CPU 16000000UL // CPU频率为16MHz
#define LED_PIN PB5 // LED引脚位于引脚B5上
void init_timer() {
TCCR1B |= (1 << CS12) | (1 << CS10); // 设置定时器1的分频为1024
TIMSK1 |= (1 << TOIE1); // 开启定时器1溢出中断
sei(); // 允许中断
}
void delay_ms(uint16_t ms) {
while (ms--) {
TCNT1 = 49912; // 重载定时器1计数值，产生1ms的延迟
while (!(TIFR1 & (1 << TOV1))); // 等待定时器1溢出
TIFR1 |= (1 << TOV1); // 清除定时器1溢出标志位
}
}
int main() {
DDRB |= (1 << LED_PIN); // 设置LED引脚为输出
init_timer(); // 初始化定时器1
while (1) {
PORTB ^= (1 << LED_PIN); // LED引脚取反
delay_ms(1000); // 1秒延迟
}
return 0;
}
上述代码使用了ATmega328P的Timer/Counter1来实现精确的1秒定时功能。通过设置定时器1的分频为1024以及重载计数值49912，就可以实现每1毫秒产生一次定时器溢出中断，从而累积到1秒。在定时器1溢出中断中，我们将LED引脚取反，实现闪烁效果。
注意，以上代码使用了avr-libc库，因此需要进行相应的头文件和链接库的引入。另外，本文只是简单示范了定时器的应用，实际使用中还需要考虑更多的细节，例如定时器溢出时间的误差，定时器中断处理的优先级等等。
2. 定时采样
除了定时功能，定时器/计数器还可以用于定时采样。在许多实时控制系统中，需要周期性地对传感器数据进行采样，并根据采样值进行相应的控制。定时器/计数器可以帮助我们实现这一功能。
假设我们有一个温度传感器，每隔10毫秒采集一次温度值，并通过串口发送给上位机。我们可以使用定时器/计数器来控制采样频率，并在定时器溢出中断中执行数据采集和发送操作。示例代码如下：
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <stdio.h>
#define F_CPU 16000000UL // CPU频率为16MHz
volatile uint16_t temperature = 0; // 存储温度值
void init_timer() {
TCCR1B |= (1 << CS12) | (1 << CS10); // 设置定时器1的分频为1024
TIMSK1 |= (1 << TOIE1); // 开启定时器1溢出中断
sei(); // 允许中断
}
void init_uart() {
UBRR0H = 0;
UBRR0L = 103; // 设置波特率为9600
UCSR0B |= (1 << TXEN0) | (1 << RXEN0); // 开启发送和接收
UCSR0C |= (1 << UCSZ00) | (1 << UCSZ01); // 设置数据位为8位
}
void transmit_uart(uint16_t data) {
while (!(UCSR0A & (1 << UDRE0))); // 等待发送缓冲器为空
UDR0 = data; // 发送数据
}
ISR(TIMER1_OVF_vect) {
temperature = read_temperature(); // 读取温度值
transmit_uart(temperature); // 发送温度值
}
int main() {
init_timer(); // 初始化定时器1
init_uart(); // 初始化串口
while (1) {
// 在主循环中处理其他任务
}
return 0;
}
需要注意的是，上述代码中的read_temperature()函数应该由具体的传感器模块提供，用于读取实际的温度值。发送函数transmit_uart()可以根据具体的串口驱动库进行修改。
3. 时序控制
时序控制是单片机应用中另一个常见的使用案例。通过定时器/计数器的设置，我们可以实现复杂的时序控制逻辑。例如，让一个步进电机按照指定的速度和步数旋转，或者让LED灯依次点亮不同的颜色。
以步进电机控制为例，假设我们有一个四相四线步进电机，如何以指定的速度和步数控制它的旋转？这就需要使用定时器/计数器来控制电机的驱动信号产生。
例如，我们使用Timer/Counter2作为定时器，并设置其分频为64。通过调整OCR2A寄存器的值，可以改变驱动信号的频率，从而控制步进电机的旋转速度。示例代码如下：
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#define F_CPU 16000000UL // CPU频率为16MHz
#define MOTOR_PULSE_PIN PB5 // 步进电机脉冲引脚位于引脚B5上
#define MOTOR_DIR_PIN PB4 // 步进电机方向引脚位于引脚B4上
#define STEPS_PER_REV 200 // 步进电机每转一圈需要的脉冲数
#define SPEED 1000 // 步进电机的旋转速度，单位：RPM
volatile uint16_t pulse_count = 0; // 步进电机脉冲计数器
volatile uint16_t step_count = 0; // 步进电机步数计数器
void init_timer() {
TCCR2A |= (1 << COM2A0) | (1 << WGM21); // 配置定时器2的工作模式为CTC
TCCR2B |= (1 << CS22); // 设置定时器2的分频为64
TIMSK2 |= (1 << OCIE2A); // 开启定时器2比较匹配A中断
OCR2A = (F_CPU / 64) / (STEPS_PER_REV * SPEED / 60) - 1; // 计算比较匹配A值
sei(); // 允许中断
}
ISR(TIMER2_COMPA_vect) {
if (step_count < STEPS_PER_REV) {
PORTB ^= (1 << MOTOR_PULSE_PIN); // 脉冲引脚取反
pulse_count++; // 脉冲计数器加1
if (pulse_count == 2) {
PORTB ^= (1 << MOTOR_DIR_PIN); // 每连续两个脉冲，方向引脚取反
pulse_count = 0; // 重置脉冲计数器
step_count++; // 步数计数器加1
}
}
}
int main() {
DDRB |= (1 << MOTOR_PULSE_PIN) | (1 << MOTOR_DIR_PIN); // 设置脉冲和方向引脚为输出
init_timer(); // 初始化定时器2
while (1) {
// 在主循环中处理其他任务
}
return 0;
}
上述代码使用Timer/Counter2作为定时器，并设置其工作模式为CTC。根据步进电机的旋转速度和步数，我们可以计算出比较匹配值，从而控制脉冲信号的频率。在比较匹配A中断中，我们反转脉冲引脚，并根据步数来判断是否需要反转方向引脚。
需要注意的是，上述代码中的步进电机驱动信号的产生只是简单示意，实际上还需要考虑如何将驱动信号和步进电机的线圈接口起来。
结论
本文介绍了单片机与定时器/计数器的应用实例。定时功能、定时采样和时序控制是它们的常见应用场景。通过合理配置定时器/计数器的参数，我们可以实现精确的定时控制、周期性的数据采集和复杂的时序控制逻辑。希望读者能够借助此文提供的案例和代码，更好地理解和应用定时器/计数器。
本文来自极简博客，作者：技术深度剖析，转载请注明原文链接：单片机与定时器/计数器的应用实例
