基于AVR （ATmega16）单片机SPI接口计时器的设计

一、概述

    随着电子技术的发展，现在在单片机的外围接口中，串行口由于其占用单片机IO口的资源少而得到设计人员的青睐，其中SPI是AVR单片机自身硬件带有的串行外设接口之一。我们利用具有SPI协议的MAX7219芯片控制数码管，可以减少对单片机IO口的占用，加上ATmega16的定时/计数器功能，我们很容易就能设计一个简单的计时器，我们还可以加上按键来控制时间。这也是AVR单片机初学者学习SPI接口和定时器计数器的很好的一个小项目，下面就让我们开始我们的设计之旅吧，你肯定会有所收获的。。。。。。

二、硬件介绍

本设计的硬件原理图很简单，就是一个AVR单片机的最小系统和MAX7219的典型应用电路组成。在这里就不再给大家了，如果需要可以自己查阅相关资料或与本人联系。

1、SPI外设接口

    串行外设接口SPI 允许ATmega16 和外设或其他AVR 器件进行高速的同步数据传输。

ATmega16 SPI 的特点如下：

?全双工， 3 线同步数据传输

?主机或从机操作

?LSB 首先发送或MSB 首先发送

?7 种可编程的比特率

?传输结束中断标志

?写碰撞标志检测

?可以从闲置模式唤醒

?作为主机时具有倍速模式(CK/2)

    系统包括两个移位寄存器和一个主机时钟发生器。通过将需要的从机的 SS 引脚拉低，主机启动一次通讯过程。主机和从机将需要发送的数据放入相应的移位寄存器。主机在SCK 引脚上产生时钟脉冲以交换数据。主机的数据从主机的MOSI 移出，从从机的MOSI 移入；从机的数据从从机的MISO 移出，从主机的MISO 移入。主机通过将从机的SS 拉高实现与从机的同步。

    配置为SPI 主机时， SPI 接口不自动控制 SS 引脚，必须由用户软件来处理。 对 SPI 数据寄存器写入数据即启动SPI 时钟，将8 比特的数据移入从机。传输结束后SPI 时钟停止，传输结束标志SPIF 置位。如果此时SPCR 寄存器的SPI 中断使能位SPIE 置位，中断就会发生。主机可以继续往SPDR 写入数据以移位到从机中去，或者是将从机的SS拉高以说明数据包发送完成。最后进来的数据将一直保存于缓冲寄存器里。

注：本设计中我们配置为主机模式，其他的资料就不再叙述了，更详细的SPI接口介绍请查阅ATmega16的DATASHEET.

2、定时/计数器

(1)定时/计数器的简单介绍

 定时/计数器（Timer/Counter）是单片机中最基本的接口之一，它的用途非常广泛，常用于计数、延时、测量周期、频率、脉宽、提供定时脉冲信号等。在实际应用中，对于转速，位移、速度、流量等物理量的测量，通常也是由传感器转换成脉冲电信号，通过使用定时/计数器来测量其周期或频率，再经过计算处理获得。

 相对于一般8位单片机而言，AVR不仅配备了更多的定时/计数器接口，而且还是增强型的，如通过定时计数器与比较匹配寄存器相互配合，生成占空比可变的方波信号，即脉冲宽度调制输出PWM信号，用于D/A、马达无级调速控制、变频控制等，功能非常强大。

 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。在接下来的设计中，我们将学习这些定时/计数器的各种功能和使用方法。

 在本设计中，我们利用ATmega16单片机的定时/计数器0的计数功能，在编写程序时通过定时/计数器中断0来实现定时计数的功能。

（2）T/C0实现定时功能的寄存器设置

 在本设计中我们只列出T/C0实现定时计数功能的寄存器相关位的设置

①　T/C0计数寄存器—TCNT0

 

位	7	6	5	4	3	2	1	0
读/写	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W
初始化值	0	0	0	0	0	0	0	0

 

TCNT0是T/C0的计数值寄存器，该寄存器可以直接被MCU读写访问。写TCNT0寄存器将在下一个定时器时钟周期中阻塞比较匹配。因此，在计数器运行期间修改TCNT0的内容，有可能将丢失一次TCNT0与OCR0的匹配比较操作。

②　定时计数器中断屏蔽寄存器—TIMSK

 

位	7	6	5	4	3	2	1	0
								TOIE0
读/写								R/W
初始化值	0	0	0	0	0	0	0	0

 

l 位0— TOIE0：T/C0溢出中断允许标志位

当TOIE0被设为“1”，且状态寄存器中的I位被设为“1”时，将使能T/C0溢出中断。若在T/C0上发生溢出，即TOV0=1时，则执行T/C2（T/C0）溢出中断服务程序。

③　定时计数器中断标志寄存器—TIFR

 

位	7	6	5	4	3	2	1	0
								TOV0
读/写	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W
初始化值	0	0	0	0	0	0	0	0

 

l 位0— TOV0： T/C0溢出中断标志位

当T/C0产生溢出时， TOV0位被设为“1”。当转入T/C0溢出中断向量执行中断处理程序时， TOV0由硬件自动清零。写入一个逻辑“1”到TOV0标志位将清除该标志位。当寄存器SREG中的I位、TOIE0以及TOV0均为“1”时， T/C0的溢出中断被执行。

④　T/C0控制寄存器—TCCR0

 

位	7	6	5	4	3	2	1	0
$33($0053)		WGM00			WGM01	CS02	CS01	CS00	TCCR0
读/写	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W
初始化值	0	0	0	0	0	0	0	0

 

8位寄存器TCCR0是T/C0的控制寄存器，它用于选择定时器的时钟源，工作模式和比较输出的方式等。

l 位3，6—WGM0[1:0]：波形发生模式

这两个标志位控制T/C0的计数和工作方式，计数器计数的上限值，以及确定波形发生器的工作模式（见下表）。T/C0支持的工作模式有：普通模式，比较匹配时定时器清零（CTC）模式，以及两种脉宽调制（PWM）模式。

 

T/C0的波形产生模式
模    式	WGM01	WGM00	T/C0工作模式	计数上限值	OCR0更新	TOV0置位
0	0	0	普通模式	0xFF	立即	0xFF
1	0	1	PWM，相位可调	0xFF	0xFF	0x00
2	1	0	CTC模式	OCR0	立即	0xFF
3	1	1	快速PWM	0xFF	0xFF	0xFF

 

l 位2，0—CS0[2:0]：T/C0时钟源选择

这3个标志位被用于选择设定T/C0的时钟源，见下表。

 

T/C0的时钟源选择
CS02	CS01	CS00	说    明
0	0	0	无时钟源（停止T/C0）
0	0	1	clkT0S（不经过分频器）
0	1	0	clkT0S/8（来自预分频器）
0	1	1	clkT0S/64（来自预分频器）
1	0	0	clkT0S/256（来自预分频器）
1	0	1	clkT0S/1024（来自预分频器）
1	1	0	外部T0脚，下降沿驱动
1	1	1	外部T0脚，上升沿驱动

 

3、数码管控制芯片MAX7219

MAX7219是MAXIM公司生产的串行输入/输出共阴极电流型动态扫描LED驱动片，SPI接口支持10M传输速率，而且其片内包含有一个BCD码到七段码译码器，各位数字可被寻址和更新，动态扫描显示，从而节省了很多CPU资源。MAX7219可以驱动8位7段数字LED显示器，可设定数码管个数和显示亮度，而且外围电路简单，只需一个外部电阻来设置所有LED的段电流。MAX7219为窄DIP24封装。其典型电路和各引脚功能请查阅MAX7219的DataSheet.

注：这里由于我本人以前做的数码管模块只有5个数码管，为了节省时间，不专门为本设计另外制作显示模块了，所以在本设计中我们没有用8个数码管，在程序设置上我们也设置为5个数码管显示。

三、程序设计

利用定时/计数器的定时功能产生1S定时中断，用数码管显示时间，实现计数器的功能

/**********************************************************
作者：痞子飞
编译环境：AVR STUDIO + GCC
时间：2010年6月
注：本程序中的键盘程序引用于刘海成老师的《AVR单片机原理与测控工程应用》一书，在此感谢刘海成老师
**********************************************************/
 详情请进：http://q.163.com/longfei-mcu/
#include <avr/io.h> 
#include <util/delay.h> 
#include<avr/interrupt.h>
#define SPI_DDR DDRB 
#define SPI_PORT PORTB 
#define SPI_SS PB4 
#define SPI_MOSI PB5 
#define SPI_SCK PB7 
unsigned char second,fen;
char fen_ge,fen_shi,second_ge,second_shi,samp;
volatile unsigned char Counter;  
//1S计时变量，如果在中断中调用全局变量，必须加
//volatile来定义，否则变量不会变化
//==============MAX7219 AVR SPI====================//
#define REG_DECODE         0x09        /*译码方式寄存器            */ 
#define REG_INTENSITY      0x0a        /*亮度寄存器                */ 
#define REG_LIMIT          0x0b        /*扫描界限寄存器            */ 
#define REG_SHUTDOWN       0x0c        /*停机寄存器                */ 
#define REG_DISPTEST       0x0f        /*显示测试寄存器            */ 
 
extern void InitMax7219(void); 
extern void UpdataMax7219(unsigned char ucDig , unsigned char ucSeg); 
 
static void InitSpi(void); 
static void SendWord(unsigned char ucDataH , unsigned char ucDataL); 
 
//===========SPI初始化=======================//
static void InitSpi(void) 
{ 
SPI_DDR |= (1 << SPI_SS) | (1 << SPI_MOSI) | (1 << SPI_SCK); 
SPI_PORT |= (1 << SPI_SS); 
// 使能SPI,主机模式,上升沿采样,16分频 
SPCR |= (1 << SPE) | (1 << MSTR) | (1 << SPR0); 
SPSR = 0x00; 
} 
//==============SPI写字节函数=================//
static void SendWord(unsigned char ucDataH , unsigned char ucDataL) 
{ 
SPI_PORT &= ~(1 << SPI_SS); 
SPDR = ucDataH; 
while(!(SPSR & (1 << SPIF))); 
SPDR = ucDataL; 
while(!(SPSR & (1 << SPIF))); 
SPI_PORT |= (1 << SPI_SS); 
} 
//=============Max7219初始化=================//
void InitMax7219(void) 
{ 
InitSpi(); 
SendWord(REG_DECODE,0xff); //译码选择
SendWord(REG_INTENSITY,0x0f); //亮度选择最亮
SendWord(REG_LIMIT,5); //LED个数选择为5个
SendWord(REG_SHUTDOWN,0x01);//启动工作 
SendWord(REG_DISPTEST,0x00); //不测试
} 
//=============往MAX7219里写入数据======================//
void UpdataMax7219(unsigned char ucDig , unsigned char ucSeg) 
{ 
SendWord(ucDig , ucSeg); 
} 
 
//==========TC0初始化寄存器==============//
void TC0_init()
{
TIMSK |= (1 << TOIE0);           //T/C0溢出中断允许
TCCR0 |= (1 <<CS02) | (1 << CS00);  
// T/C0工作于普通模式，1024分频，定时器频率 = 1M/1024 = //976.5625Hz
TCNT0 =  12;                   
//定时初值设置，定时时间 = (256-12)/976.5625=249.856ms
Counter = 0;                // 1S计时变量清零
}
 
//===============T/C0定时中断服务程序====================//
ISR(TIMER0_OVF_vect )
{
TCNT0 = 12;        //重装计数初值
if(++Counter >= 4)        
//定时时间到1S吗?定时中断溢出4次为1S
{
second++;
Counter = 0;           //1S计时变量清零
if(second==60)
{
fen++;
second = 0;
}
}
second_ge = second%10;
second_shi = (second/10)%10;
samp=0x0a;
fen_ge = fen%10;
fen_shi = (fen/10)%10;
UpdataMax7219(0x05,second_ge);
UpdataMax7219(0x04,second_shi);
UpdataMax7219(0x03,samp);
UpdataMax7219(0x02,fen_ge);
UpdataMax7219(0x01,fen_shi);
}
//=======================================================//
 
//=================键盘程序设计（智能）==============//
unsigned char key_value;
unsigned char Read_key(void)
{
static unsigned char last_key = 0xff;
static unsigned int key_count = 0;
#define c_wobble_time 300//去按键抖动时间（待定）
#define c_keyover_time 30000//等待按键进入连击模式时间（待定）
#define c_keyquick_time 2000//等待按键抬起时间（待定）
static unsigned keyover_time = c_keyover_time;
unsigned char nc;
nc = PIND&0X0F;//读按键，PD0~PD3
if(nc==0x0f)
{
key_count = 0;
keyover_time = c_keyover_time;
return 0xff;//无按键按下返回0XFF
}
else
{
if(nc==last_key)
{
if(++key_count==c_wobble_time)
return nc;//去抖动结束，返回按键值
else
{
if(key_count>keyover_time)
//等待按键抬起时间技术并进入连击模式
{
key_count = 0;
keyover_time = c_keyquick_time;//将处于连击模式
}
return 0xff;
}
}
else
{
last_key = nc;
key_count = 0;
keyover_time = c_keyover_time;
return 0xff;
}
}
}
//=======================================================//
 
//======================主函数服务程序==================//
int main()
{
DDRD = 0X00;
PORTD = 0X0F;
InitMax7219();
TC0_init();
sei();          //使能全局中断
while(1)
{
//第一个键的值为0x0e,第二个键值为0x0d;第三个键值为0x0b;第四个键值为0x07
key_value = Read_key();
if(key_value==0x0e)//按下第一个键，秒加
{
second++;
if(second==60)
{
second=0;
fen++;
}
}
if(key_value==0x0b)//按下第三个键，分钟加
{
fen++;
}
if(key_value==0x0d)//按下第二个键，秒减
{
second--;
if(second==0)
{
second=59;
fen--;
}
}
if(key_value==0x07)//按下第四个键，分钟减
{
fen--;
}
}
} 
//================================================//