代码收藏家技术教程 2025-02-14

Arduino 系列：Arduino Nano 系列 (基于 ATmega328P)_（8）.ArduinoNano定时器和中断

Arduino Nano 定时器和中断

定时器概述

定时器是微控制器（MCU）中非常重要的一个外设，它用于生成精确的时间延迟、测量时间间隔以及产生周期性的事件。Arduino Nano 系列（基于 ATmega328P）配备了多个定时器，每个定时器都有不同的功能和用途。这些定时器可以用于各种应用场景，例如：

生成 PWM 信号

测量脉冲宽度

生成定时中断

精确延时

ATmega328P 具有三个定时器，分别是：

定时器0：8位定时器/计数器

定时器1：16位定时器/计数器

定时器2：8位定时器/计数器

每个定时器都有多个工作模式，包括普通模式、CTC（清除定时器比较）模式、快速 PWM 模式和相位正确 PWM 模式。这些模式的选择取决于具体的应用需求。

定时器0

基本原理

定时器0 是一个8位定时器，它可以通过预分频器来控制计数速度。定时器0 的工作模式可以通过 TCCR0A 和 TCCR0B 寄存器来设置。定时器0 的计数器寄存器是 TCNT0，比较寄存器是 OCR0A 和 OCR0B。

工作模式

普通模式：计数器从0计数到255，然后重新从0开始。
CTC模式：计数器从0计数到 OCR0A 的值，然后清零。
快速 PWM 模式：计数器从0计数到255，然后重新从0开始。输出信号在计数器达到 OCR0A 或 OCR0B 时改变状态。
相位正确 PWM 模式：计数器从0计数到255，然后从255计数回0。输出信号在计数器达到 OCR0A 或 OCR0B 时改变状态。

示例代码：使用定时器0生成1秒延时


// 使用定时器0生成1秒延时

#define F_CPU 16000000UL // 定义CPU频率为16MHz



#include <avr/io.h>

#include <util/delay.h>



void setup() {

  // 设置定时器0为CTC模式

  TCCR0A = 0; // 清零寄存器A

  TCCR0B = 0; // 清零寄存器B

  TCCR0B |= (1 << WGM02); // 设置为CTC模式

  TCCR0B |= (1 << CS02) | (1 << CS00); // 设置预分频器为1024



  // 设置比较值

  OCR0A = 244; // 设置比较值为244 (16000000 / 1024 / 256 - 1 = 244)



  // 启用定时器0的比较中断

  TIMSK0 |= (1 << OCIE0A);



  // 初始化中断标志

  TCNT0 = 0;



  // 设置LED引脚

  DDRB |= (1 << DDB5); // 设置引脚5为输出



  // 允许全局中断

  sei();

}



void loop() {

  // 主循环中不执行任何操作

}



// 定时器0比较中断处理函数

ISR(TIMER0_COMPA_vect) {

  // 切换LED状态

  PORTB ^= (1 << PB5); // 切换引脚5的状态

  TCNT0 = 0; // 重置计数器

}

代码解释

设置定时器0为CTC模式：通过设置 TCCR0B 寄存器的 WGM02 位。
设置预分频器：通过设置 TCCR0B 寄存器的 CS02 和 CS00 位，选择1024的预分频器。
设置比较值：通过设置 OCR0A 寄存器的值，使定时器在达到该值时产生中断。
启用定时器0的比较中断：通过设置 TIMSK0 寄存器的 OCIE0A 位。
初始化中断标志：通过设置 TCNT0 寄存器的值，使其从0开始计数。
设置LED引脚：通过设置 DDRB 寄存器的 DDB5 位，使引脚5为输出。
允许全局中断：通过调用 sei() 函数，允许全局中断。
定时器0比较中断处理函数：在 ISR(TIMER0_COMPA_vect) 中，切换引脚5的状态，并重置计数器。

定时器1

基本原理

定时器1 是一个16位定时器，它可以提供更高的计数精度和更大的计数范围。定时器1 的工作模式可以通过 TCCR1A 和 TCCR1B 寄存器来设置。定时器1 的计数器寄存器是 TCNT1，比较寄存器是 OCR1A 和 OCR1B。

工作模式

普通模式：计数器从0计数到65535，然后重新从0开始。
CTC模式：计数器从0计数到 OCR1A 的值，然后清零。
快速 PWM 模式：计数器从0计数到65535，然后重新从0开始。输出信号在计数器达到 OCR1A 或 OCR1B 时改变状态。
相位正确 PWM 模式：计数器从0计数到65535，然后从65535计数回0。输出信号在计数器达到 OCR1A 或 OCR1B 时改变状态。

示例代码：使用定时器1生成1秒延时


// 使用定时器1生成1秒延时

#define F_CPU 16000000UL // 定义CPU频率为16MHz



#include <avr/io.h>

#include <util/delay.h>



void setup() {

  // 设置定时器1为CTC模式

  TCCR1A = 0; // 清零寄存器A

  TCCR1B = 0; // 清零寄存器B

  TCCR1B |= (1 << WGM12); // 设置为CTC模式

  TCCR1B |= (1 << CS12) | (1 << CS10); // 设置预分频器为1024



  // 设置比较值

  OCR1A = 15624; // 设置比较值为15624 (16000000 / 1024 / 1 - 1 = 15624)



  // 启用定时器1的比较中断

  TIMSK1 |= (1 << OCIE1A);



  // 初始化中断标志

  TCNT1 = 0;



  // 设置LED引脚

  DDRB |= (1 << DDB1); // 设置引脚1为输出



  // 允许全局中断

  sei();

}



void loop() {

  // 主循环中不执行任何操作

}



// 定时器1比较中断处理函数

ISR(TIMER1_COMPA_vect) {

  // 切换LED状态

  PORTB ^= (1 << PB1); // 切换引脚1的状态

  TCNT1 = 0; // 重置计数器

}

代码解释

设置定时器1为CTC模式：通过设置 TCCR1B 寄存器的 WGM12 位。
设置预分频器：通过设置 TCCR1B 寄存器的 CS12 和 CS10 位，选择1024的预分频器。
设置比较值：通过设置 OCR1A 寄存器的值，使定时器在达到该值时产生中断。
启用定时器1的比较中断：通过设置 TIMSK1 寄存器的 OCIE1A 位。
初始化中断标志：通过设置 TCNT1 寄存器的值，使其从0开始计数。
设置LED引脚：通过设置 DDRB 寄存器的 DDB1 位，使引脚1为输出。
允许全局中断：通过调用 sei() 函数，允许全局中断。
定时器1比较中断处理函数：在 ISR(TIMER1_COMPA_vect) 中，切换引脚1的状态，并重置计数器。

定时器2

基本原理

定时器2 是一个8位定时器，类似于定时器0，但它可以提供更多的中断源。定时器2 的工作模式可以通过 TCCR2A 和 TCCR2B 寄存器来设置。定时器2 的计数器寄存器是 TCNT2，比较寄存器是 OCR2A 和 OCR2B。

工作模式

普通模式：计数器从0计数到255，然后重新从0开始。
CTC模式：计数器从0计数到 OCR2A 的值，然后清零。
快速 PWM 模式：计数器从0计数到255，然后重新从0开始。输出信号在计数器达到 OCR2A 或 OCR2B 时改变状态。
相位正确 PWM 模式：计数器从0计数到255，然后从255计数回0。输出信号在计数器达到 OCR2A 或 OCR2B 时改变状态。

示例代码：使用定时器2生成1秒延时


// 使用定时器2生成1秒延时

#define F_CPU 16000000UL // 定义CPU频率为16MHz



#include <avr/io.h>

#include <util/delay.h>



void setup() {

  // 设置定时器2为CTC模式

  TCCR2A = 0; // 清零寄存器A

  TCCR2B = 0; // 清零寄存器B

  TCCR2B |= (1 << WGM22); // 设置为CTC模式

  TCCR2B |= (1 << CS22) | (1 << CS20); // 设置预分频器为1024



  // 设置比较值

  OCR2A = 244; // 设置比较值为244 (16000000 / 1024 / 256 - 1 = 244)



  // 启用定时器2的比较中断

  TIMSK2 |= (1 << OCIE2A);



  // 初始化中断标志

  TCNT2 = 0;



  // 设置LED引脚

  DDRD |= (1 << DDD6); // 设置引脚6为输出



  // 允许全局中断

  sei();

}



void loop() {

  // 主循环中不执行任何操作

}



// 定时器2比较中断处理函数

ISR(TIMER2_COMPA_vect) {

  // 切换LED状态

  PORTD ^= (1 << PD6); // 切换引脚6的状态

  TCNT2 = 0; // 重置计数器

}

代码解释

设置定时器2为CTC模式：通过设置 TCCR2B 寄存器的 WGM22 位。
设置预分频器：通过设置 TCCR2B 寄存器的 CS22 和 CS20 位，选择1024的预分频器。
设置比较值：通过设置 OCR2A 寄存器的值，使定时器在达到该值时产生中断。
启用定时器2的比较中断：通过设置 TIMSK2 寄存器的 OCIE2A 位。
初始化中断标志：通过设置 TCNT2 寄存器的值，使其从0开始计数。
设置LED引脚：通过设置 DDRD 寄存器的 DDD6 位，使引脚6为输出。
允许全局中断：通过调用 sei() 函数，允许全局中断。
定时器2比较中断处理函数：在 ISR(TIMER2_COMPA_vect) 中，切换引脚6的状态，并重置计数器。

中断概述

中断是微控制器中用于处理外部或内部事件的一种机制。当某个事件发生时，微控制器会暂停当前的程序执行，转去执行中断服务例程（ISR），处理完中断后再返回到被中断的地方继续执行。Arduino Nano 系列（基于 ATmega328P）支持多种中断源，包括定时器中断、外部中断、ADC中断等。

中断源

定时器中断：包括定时器0、1、2的比较中断和溢出中断。
外部中断：包括 INT0 和 INT1，可以通过外部引脚触发。
ADC中断：当ADC转换完成时触发。
USART中断：当串行通信数据接收或发送完成时触发。

中断服务例程

中断服务例程（ISR）是中断发生时执行的代码块。在Arduino中，ISR可以通过 ISR() 宏来定义。例如，ISR(TIMER0_COMPA_vect) 是定时器0比较中断的ISR。

示例代码：外部中断

基本原理

外部中断可以通过设置 EICRA 寄存器来配置。Arduino Nano 提供了两个外部中断引脚：INT0（引脚2）和 INT1（引脚3）。这些引脚可以配置为上升沿、下降沿或任意电平变化触发中断。

示例代码：使用外部中断引脚2控制LED


void setup() {

  // 设置引脚2为外部中断输入

  EICRA = (1 << ISC00) | (1 << ISC01); // 上升沿触发

  EIMSK = (1 << INT0); // 启用INT0中断



  // 设置LED引脚

  DDRB |= (1 << DDB5); // 设置引脚5为输出



  // 允许全局中断

  sei();

}



void loop() {

  // 主循环中不执行任何操作

}



// 外部中断0的ISR

ISR(INT0_vect) {

  // 切换LED状态

  PORTB ^= (1 << PB5); // 切换引脚5的状态

}

代码解释

设置引脚2为外部中断输入：通过设置 EICRA 寄存器的 ISC00 和 ISC01 位，使引脚2在上升沿时触发中断。
启用INT0中断：通过设置 EIMSK 寄存器的 INT0 位。
设置LED引脚：通过设置 DDRB 寄存器的 DDB5 位，使引脚5为输出。
允许全局中断：通过调用 sei() 函数，允许全局中断。
外部中断0的ISR：在 ISR(INT0_vect) 中，切换引脚5的状态。

综合示例：使用定时器和外部中断控制LED

基本原理

在这个综合示例中，我们将使用定时器1生成1秒延时，同时使用外部中断引脚2来控制LED的状态。当外部中断引脚2检测到上升沿时，LED的状态将被切换。

示例代码


// 使用定时器1生成1秒延时，同时使用外部中断引脚2控制LED

#define F_CPU 16000000UL // 定义CPU频率为16MHz



#include <avr/io.h>

#include <util/delay.h>



// 定义LED引脚

#define LED_PIN PB5



void setup() {

  // 设置定时器1为CTC模式

  TCCR1A = 0; // 清零寄存器A

  TCCR1B = 0; // 清零寄存器B

  TCCR1B |= (1 << WGM12); // 设置为CTC模式

  TCCR1B |= (1 << CS12) | (1 << CS10); // 设置预分频器为1024



  // 设置比较值

  OCR1A = 15624; // 设置比较值为15624 (16000000 / 1024 / 1 - 1 = 15624)



  // 启用定时器1的比较中断

  TIMSK1 |= (1 << OCIE1A);



  // 设置引脚2为外部中断输入

  EICRA = (1 << ISC00) | (1 << ISC01); // 上升沿触发

  EIMSK = (1 << INT0); // 启用INT0中断



  // 设置LED引脚

  DDRB |= (1 << DDB5); // 设置引脚5为输出



  // 允许全局中断

  sei();

}



void loop() {

  // 主循环中不执行任何操作

}



// 定时器1比较中断处理函数

ISR(TIMER1_COMPA_vect) {

  // 切换LED状态

  PORTB ^= (1 << LED_PIN); // 切换引脚5的状态

  TCNT1 = 0; // 重置计数器

}



// 外部中断0的ISR

ISR(INT0_vect) {

  // 切换LED状态

  PORTB ^= (1 << LED_PIN); // 切换引脚5的状态

}

代码解释

设置定时器1为CTC模式：通过设置 TCCR1B 寄存器的 WGM12 位，使定时器1工作在CTC模式。CTC模式下，定时器会在计数器达到 OCR1A 的值时产生中断。
设置预分频器：通过设置 TCCR1B 寄存器的 CS12 和 CS10 位，选择1024的预分频器。预分频器的选择决定了定时器的计数速度。
设置比较值：通过设置 OCR1A 寄存器的值为15624，使定时器在1秒后产生中断。计算公式为：16000000 / 1024 / 1 - 1 = 15624。
启用定时器1的比较中断：通过设置 TIMSK1 寄存器的 OCIE1A 位，启用定时器1的比较中断。
初始化中断标志：通过设置 TCNT1 寄存器的值为0，使其从0开始计数。
设置引脚2为外部中断输入：通过设置 EICRA 寄存器的 ISC00 和 ISC01 位，使引脚2在上升沿时触发中断。
启用INT0中断：通过设置 EIMSK 寄存器的 INT0 位，启用INT0中断。
设置LED引脚：通过设置 DDRB 寄存器的 DDB5 位，使引脚5为输出。
允许全局中断：通过调用 sei() 函数，允许全局中断。
定时器1比较中断处理函数：在 ISR(TIMER1_COMPA_vect) 中，切换引脚5的状态，并重置计数器。
外部中断0的ISR：在 ISR(INT0_vect) 中，当引脚2检测到上升沿时，切换引脚5的状态。