Arduino与Proteus仿真实例-计时器延时仿真

计时器延时仿真

1、Arduino计时器介绍

1）什么是计时器

作为 Arduino 程序员，您肯定在不知情的情况下使用过定时器和中断。 那是因为所有底层硬件的东西都被已经封装好的 Arduino 函数隐藏了。 许多 Arduino 函数都使用定时器，例如时间函数：delay、millis、micros delayMicroseconds。 他们都在后台使用 Arduino 计时器。 其他功能如 PWM 模拟写入也使用定时器。 音调和 noTone 功能甚至伺服电机控制库也是如此。 那么，这个计时器是什么？

计时器是 Arduino 控制器中内置的一块硬件，根据型号的不同，它可以有不同数量的计时器。 例如，Arduino UNO 有 3 个定时器，Timer0、Tmer1 和 Timer2。 这就像一个时钟，可以用来测量时间事件。 定时器可以由一些特殊寄存器编程，就像编程时钟一样。

2）预分频器

可以把定时器想象成一个计数脉冲的计数器。 这个定时器由系统时钟提供，对于 Arduino UNO 来说，它可以是 16Mhz 的晶体时钟，或者根据引导加载程序也可以是一个 8MHz 的内部振荡器。 在定时器计数器和系统时钟之间，有另一个称为预标量的硬件。 这个预标量将来自系统时钟的脉冲数除以自定义的数字，可能是 8、64、256 等等，稍后将看到如何定义这个预标量分频数。

现在假设主系统时钟是 16Mhz 晶体，它将产生一个 16Mhz 方波信号。 每个脉冲为 62.5ns，对吗？ 你把它提供给预标量，可以说设置为 8。因此，来自预标量的输出信号将慢 8 倍，即 500ns。 所以每8个来自系统时钟的脉冲，我们的定时器就会增加1。可以使用相关寄存器为每个定时器配置预分频器。

可以用这些定时器做什么？Arduino的定时器 0 和 2 是 8 位，这意味着它可以从 0 计数到 255；定时器 1 是 16 位，因此它可以从 0 计数到 65536。一旦定时器达到最大值，它将返回到 0 或根据所选模式开始减少。 所以基本上它会创建一个锯齿形曲线。 定时器从 0 开始增加它的值。当达到 255 时，如果是 8 位寄存器，我们回到 0 并再次增加。 这将创建一个三角形曲线，因此可以使用它来创建我们的中断。

3）计时器的中断服务

每个定时器可以产生一个或多个中断。 一种类型的中断是比较匹配。 我可以在不同的寄存器中写入一个值，当定时器值等于比较值时，它会触发中断。 例如，我们将比较匹配寄存器设置为 100，每次定时器 0 到达 100 时，都会产生中断。 另一种中断类型用于溢出。 在这种情况下，每次定时器溢出时都会触发中断，这意味着它从最大值返回到 0，在 8 位定时器的情况下，每次达到 255 时都会发生这种情况。 最后，我们有输入捕获中断， 对于 Arduino UNO，可以在计时器 1 上实现。在这种情况下，计时器可以将其值存储在不同的寄存器中，每次在 Arduino 引脚之一上发生外部事件时。

4）设置预分频器

设置预分频器时，需要更改的第一个寄存器是预标量。 为了控制定时器，Arduino有两个主要寄存器，TCCRA 和 TCCRB，每个寄存器都有定时器的编号。 所以对于定时器 1，有 TCCR1A 和 TCCR1B。 TCCRA 寄存器用于控制 PWM 模式，因此对于定时器 1，可以控制与引脚 9 和 10 上的 PWM 信号相关的 OC1A。在使用中断时，不需要这个寄存器，但需要设置它的所有位 为 0，因为 Arduino 默认将它们设置为 1。因此，将所有这些设置为 0 将禁用引脚 9 和 10 上的 PWM 信号。

接着，需要更改 TCCRB 寄存器。 在这里，我们只关心用于定义 prescaar 值的前 3 位。 如下表所示，使用 CS10、CS11 和 CS12 位，可以禁用预分频器或将其设置为 1，除以 8、64、256、1024 甚至使用外部时钟源。 对于定时器 0 和 2，必须使用 TCCR0B 和 TCCR2B 以及位 CS00、CS01、CS02 和位 CS20、CS21 和 CS22。

在这里插入图片描述

TCCRB 寄存器

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设置示例代码如下：

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void setup() {  
  TCCR1A = 0;			// 重置整个TCCR1A寄存器
  TCCR1B = 0;			// 重置整个TCCR1B寄存器
  TCCR1A |= B00000100;		// 设置 CS12为1，得到预分频值= 256
  TCNT1 = 0;			// 设置Timer1的什为0
}

void loop() { 
  //your code here...
}

5）设置中断（比较匹配）

通过设置 TIMSK 寄存器可以激活比较匹配中断。如下表所示：

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2、仿真电路原理图

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在系统时钟为16MHz、预分频器为256时，创建500ms延时的定时器1的值计算公式如下：

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Timer 1 speed = 16Mhz/256 = 62.5 Khz 
Pulse time = 1/62.5 Khz =  16us    
Count up to = 500ms / 16us = 31250 

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bool LED_STATE = true;
int ledPin = 7;
void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);        // 设置引脚为输出模式
  cli();                      // 停止中断直到完成设置
  /\*第一步：重置控制寄存器以确保我们从禁用所有内容开始。\*/
  TCCR1A = 0;                 //重置整个TCCR1A寄存器
  TCCR1B = 0;                 //重置整个TCCR1B寄存器
 
  /\*第二步：通过更改 CS10、CS12和CS12位将预标量设置为所需值. \*/  
  TCCR1B |= B00000100;        // 设置 CS12为1，得到预分频值= 256
  
  /\*第三步：我们在寄存器OCIE1A上启用比较匹配模式\*/
  TIMSK1 |= B00000010;        // 将OCIE1A设置为 1，启用比较匹配寄存器A
  
  /\*第四步：将寄存器A的值设置为31250\*/
  OCR1A = 31250;             // 最后将比较寄存器A设置为这个值
  sei();                     // 启用中断
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
}

// 计时器中断服务函数
ISR(TIMER1_COMPA_vect){
  TCNT1  = 0; // 将计时器设置回 0，以便为下一次中断重置
  LED_STATE = !LED_STATE;
  digitalWrite(ledPin,LED_STATE);
}

上面代码实现了每 500 毫秒中断一次。 每次触发中断，我们就去相关的ISR向量。 由于Arduino UNO有 3 个计时器，因此有 6 个 ISR 向量，每个计时器两个，它们具有以下名称：TIMER1_COMPA_vect

  • TIMER1_COMPB_vect
  • TIMER2_COMPA_vect
  • TIMER2_COMPB_vect
  • TIMER3_COMPA_vect
  • TIMER4_COMPB_vect

4、仿真结果

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文章来源: https://iotsmart.blog.csdn.net/article/details/120842019