برای راه اندازی واحد Timer-Counter در میکروکنترلرهای AVR در نرم‌افزار CodeVision پس از ساخت یک پروژه در مرحله­‌ی انتخاب ویژگی‌ها بخش Timers را همانند زیر انتخاب کرده:

شکل ۶: انتخاب بخش Timers

اکنون با منویی مواجه می‌­شوید که ۴ بخش دارد:

Timer0: این بخش مربوط به واحد Timer-Counter صفر است که از یک حافظه‌ی ۸ بیتی بهره می‌­برد.

Timer1: این بخش مربوط به واحد Timer-Counter یک است که از یک حافظه‌ی ۱۶ بیتی بهره می­‌برد.

Timer2 : این بخش مربوط به واحد Timer-Counterدو است که از یک حافظه­‌ی ۸ بیتی بهره می­‌برد.

ابتدا کار خود را با Timer0 شروع می­‌کنیم.

هر واحد Timer در داخل خود یک شمارنده (رجیستر) به نام TCNTx دارد که x شماره­‌ی تایمر است و این شمارنده در خود تعداد پالس مربعی وارد شده به این واحد تایمر را در خود نگه می­‌دارد. مثلا شمارنده‌‌ی Timer صفرم نامش TCNT0 است که یک حافظه‌ی ۸ بیتی است و TCNT1 مربوط به Timer دوم است که یک شمارنده­‌ی ۱۶ بیتی است. در‌واقع با وارد شدن هر پالس مربعی به واحد Timer0 این شمارنده یک واحد افزایش می­‌یابد تا به عدد ۲۵۵ برسد. عدد ۲۵۵ معادل دسیمال عدد باینری 11111111 است، در‌واقع به این مفهوم که تمام خانه­‌های حافظه‌ی ۸ بیتی ما دارای عدد ۱ شده‌اند.

حال اگر یک پالس مربعی جدید وارد واحد Timer0 شود عدد 11111111 با عدد ۱ جمع خواهد شد که حاصل آن یک عدد ۹ بیتی به صورت 100000000 است ولی حافظه‌ی ما تنها ۸ بیت است، بنابراین تنها ۸ بیت اول این عدد ۹ رقمی در حافظه می­‌ماند و رقم پرارزش‌­تر آن یعنی بیت نهم که همان ۱ است دور ریخته می­‌شود.

به این رخداد در علم کامپیوتر سرریز (Overflow) گفته می­‌شود. با هربار رخ دادن Overflow گویی حافظه‌­ی ۸ بیتی ما کاملا به حالت اول خود که همان 00000000 است باز می­‌گردد. ظاهرا با این اوصاف ما با استفاده از Timer0 تنها می­‌توانیم ۲۵۵ پالس را بشماریم و نه بیشتر. در ادامه در صدد رفع این مشکل بر­می­‌آییم، چرا که ما اغلب نیاز داریم تعداد بسیار بیشتری از این پالس­‌ها را بشماریم.

به شکل روبرو نگاه کنید.

شکل ۷: معرفی منبع کلاک

بخش Clock Source مشخص کننده­‌ی منبع تولید کننده­‌ی پالس است. تایمر کانتر صفر هم می­‌تواند از منبع داخلی مولد کلاک استفاده کند و هم از منبع خارجی تولید کننده پالس مربعی. در واقع منبع خارجی می­‌تواند هر وسیله­ ایی اعم از انکودر، اسیلاتور و غیره باشد. همان­طور که در شکل ۷ می­‌بینید در بخش Clock Source ما می‌توانیم از دو منع داخلی و خارجی استفاده کنیم. از ۳ انتخابی که در این بخش داریم انتخاب اول System Clock است که معرفی کننده­‌ی استفاده از کلاک داخلی سیستم است که در ادامه بیشتر در مورد آن صحبت خواهیم کرد. اما دو گزینه‌ی بعدی مربوط به منابع خارجی کلاک می­‌باشند که می­‌توانند به ­پایه‌ای با عنوان T0 که همان PORTB.0 است وارد شوند.

شکل ۹: مدار مورد نیاز برای شمارش تعداد پالس¬های مربعی تولید شده توسط یک منبع کلاک

دو گزینه­­ ی مطرح شده برای کلاک خارجی به صورت زیر مطرح شده است:

1. T0 pin Falling Edge
2. T0 pin Rising Edge

قسمت اول در صورت انتخاب شدن پین B.0 که همان T0 است را به لبه‌­ی پایین رونده حساس می­‌کند و با اعمال هر لبه‌ی پایین رونده­ یک واحد به TCNT0 افزوده می­‌شود. باید توجه داشته باشید که در صورت انتخاب این گزینه باید پین B.0 را قبلا Pull Up کرده‌باشید. قسمت دوم همچنین در صورت انتخاب شدن پین B.0 را به لبه­‌ی بالا رونده حساس می­‌کند و با اعمال هر لبه­‌ی بالا رونده یک واحد به TCNT0 افزوده می­‌شود. باید توجه داشته باشید که در صورت انتخاب این گزینه باید پین B.0 را قبلا Pull Down کرده‌باشید. حال گزینه‌ی T0 pin Falling Edge را انتخاب می­‌کنیم و علت اصلی آن نیز این است که ما می­‌توانیم به صورت داخلی پایه‌ی B.0 را Pull Up کنیم و نیازی به سخت افزار خارجی برای عمل Pull Down کردن نداریم. در ادامه یک پروژه­‌ی عملی در این زمینه را انجام می‌دهیم.

شمارش تعداد پالس‌­های خروجی از یک منبع مولد پالس مربعی توسط تایمرکانتر صفر:

در نرم ­افزار Proteus همانند شکل زیر میکرو و مولد پالس مربعی به همراه یک LCD را اضافه می­‌کنیم.

شکل ۹: مدار مورد نیاز برای شمارش تعداد پالس‌های مربعی تولید شده توسط یک منبع کلاک

در شکل ۹ همان‌طور که می­‌بینید یک منبع تولید پالس از منوی سمت راست نرم افزار Proteus بخش Generator Mode همانند شکل ۱۰ اضافه شده است.

شکل ۱۰: تولید پالس در پروتئوس

با رفتن به این بخش و انتخاب یک مولد پالس DC و متصل کردن آن به پایه‌ی B.0 مدار شما آماده برنامه ریزی است.

توجه داشته باشید از پایه­‌ی B.0 به این علت استفاده کردیم که این پایه منحصرا در اختیار تایمر کانتر صفر بوده و تنها برای استفاده در سیستم کلاک خارجی مورد استفاده قرار می­‌گیرد. همچنین از پایه­‌ی دیگری برای انجام عمل شمارش توسط تایمر کانتر صفر نمی‌توانیم استفاده کنیم. حال پس از Pull Up کردن پین B.0 و حساس کردن این پایه­ به Falling Edge کار خود را ادامه می‌دهیم. اگر به منویwizard Code خود پس از انجام اعمال بالا نگاه کنید با منویی شبیه زیر مواجه خواهید شد.

در منوی مقابل بخشی که با عنوان Mode مشخص شده است وضعیت شمارنده را بیان می­‌کند و عبارت مقابل آن یعنی Normal top=0xFF به معنای آن است که شمارنده تا حداکثر مقدار خود که همان ۲۵۵ در مبنای ده دهی و 11111111 در مبنای باینری است بالا رود و سپس سرریز رخ دهد و دوباره مقدار شمارنده 00000000 شود. در بخش Output می­‌توانیم وضعیت برخی پایه ها را در زمان‌های خاصی مثلا زمان رخداد Overflow تغییر دهیم که ما در این بخش آن را در حالت Disconnect قرار می­‌دهیم.

شکل ۱۱

پس از انجام این تنظیمات و تعیین پورت C به عنوان پورت متصل به LCD کاراکتری وارد مرحله­‌ی کد نویسی می­‌شویم.

حال به عنوان اولین بخش از پروژه سعی می­‌کنیم تغییرات شمارنده­‌ی TCNT0 را در برنامه­‌ی خود نشان دهیم. لازم به ذکر است عبارت TCNT0 در محیط برنامه نویسی به عنوان یک متغیر Global می‌­باشد و در همه جای برنامه قابل دسترسی است و همواره عددی بین ۰ تا ۲۵۵ دارد و در واقع نمایان گر وضعیت رجیستر TCNT0 که مخفف Timer Counter 0 است می­‌باشد. لازم به یادآوری است که رجیستر TCNT0‌یک رجیستر ۸ بیتی بوده و تنها می­‌تواند اعدادی بین ۰ تا ۲۵۵ را در خود جای دهد.

به قطعه کد زیر نگاه کنید:

#include <mega16.h>
#include <alcd.h>
#include <delay.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
char str[20];

while(1)
		{
		sprintf(str,"TCNT0 = %d",TCNT0);
		lcd_puts(str);
		delay_ms(30);
		lcd_clear();
		}

در کد بالا ابتدا با استفاده از تابع sprintf متغیر ۸ بیتی TCNT0 در داخل رشته‌­ی str ریخته شده و سپس آماده­‌ی چاپ بر روی LCD می‌شود. سپس با یک تاخیر ۳۰ میلی­ ثانیه‌ای مقدار روی LCD به روز می­‌شود. حال برای این که آن کد بر روی شبیه ­ساز Proteus جواب دهد نیاز به تغییراتی در نرم­ افزار Proteus داریم. با دوبار کلیک کردن روی مولد پالس خود و انتخاب مد Pulse با منویی شبیه زیر مواجه خواهیم شد.

شکل ۱۲

در قسمت سبز رنگ با نام Initial(Low) Voltage ولتاژ پالس خود را در حالت Low-State مشخص می­‌کنیم. در این­جا ما این مقدار را برابر ۰ ولت در نظر گرفتیم.

در قسمت Pulsed(High) Voltage میزان ولتاژ پالس خود را در حالت High-State مشخص می­‌کنیم. همان­طور که در شکل پیداست ما این مقدار را برابر +5 ولت در نظر گرفتیم. بخش سوم که با عنوان Rise Time و Fall Time مشخص شده نمایان_­گر همان تاخیر تغییر سطوح منطقی است که ما در ایجا آن را بدون تغییر رها کردیم. بخش بعدی بخش فرکانس است که با رنگ بنفش مشخص شده است و ما در این بخش فرکانس موج مربعی خود را تعیین می­‌کنیم که نمایان گر تعداد پالس تولید شده در واحد زمان است. مثلا در اینجا در هر ثانیه ۱۰ پالس تولید می‌­شود. حال پس از انجام این تنظیمات مشاهده می­‌کنید که مقدار TCNT0 از ۰ شروع شده و تا ۲۵۵ رفته و سپس دوباره به مقدار ۰ برمی‌گردد، در واقع با این کار به مفهوم واقعی شمارش تعداد پالس در میکروکنترلرها به وسیله­‌ی شمارنده‌هایی با تعدادبیت محدود پی می‌­بریم.

شکل ۱۳: نمایش مقدار TCNT0 بر روی LCD کاراکتری

در مرحله بعد می­‌خواهیم کاری کنیم که بتوانیم تعداد بیشتری پالس را بشماریم به این معنی که مثلا اگر ۵۰۰ پالس وارد شد ما بتوانیم این تعداد پالس را با در نظرگرفتن سرریز TCNT0 نیز بشماریم.

به قطعه کد زیر نگاه کنید.

#include <mega16.h>
#include <alcd.h>
#include <delay.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
char str[20];
int counter=0;
long int totalPulse=0;

while(1)
		{
		if(TCNT0 == 255)
			counter++;
			
		totalPulse=counter*256+TCNT0;
		
		sprintf(str,"AllPulse = %d",totalPulse);
		lcd_puts(str);
		delay_ms(5);
		lcd_clear();
		}

در قطعه کد بالا با تعریف دو متغیر جدید به نام‌های counter که تعداد ۲۵۵ شدن‌های TCNT0 را در خود ذخیره می­‌کند و همچنین متغیر totalPulse که تعداد کل پالس‌های وارد شده به واحد تایمرکانتر صفر را در خود دارد کار خود را آغاز می­‌کنیم. در کد با هر بار ۲۵۵شدن TCNT0 یک واحد به متغیر counter اضافه می­‌کنیم، سپس تعداد کل پالس‌­ها را از ضرب counter در ۲۵۶ و جمع آن با مقدار فعلی TCNT0 محاسبه می­‌کنیم. همچنین مقدار تاخیر را بسیار کم و برابر با 5ms قرار می­‌دهیم.

شکل ۱۴: شمارش بیش از ۲۵۵پالس به وسیله­‌ی تایمر کانتر صفر

اگر این کد را برای یک موج مربعی با فرکانس 10Hz اجرا کنید مشاهده می­‌کنید که کد به خوبی کار می­‌کند ولی اگر فرکانس منبع را به 100Hz افزایش دهید مشاهده می­‌کنید که گاها پس از رسیدن TCNT0 به مقدار ۲۵۵ مقدار پالس کلی شما کاهش پیدا کرده و دوباره از مقدار قبلی خود شروع به کار می­‌کند.

علت این امر چیست؟

بلی، علت این امر این است که ما در این قطعه کد هر بار قبل از چک کردن شرط ۲۵۵ شدن TCNT0 به میزان 5ms تاخیر داریم و در حین این تاخیر ممکن است TCNT0 سرریز کند و ما متوجه آن نخواهیم شد. هرچه فرکانس سیگنال ورودی بیشتر باشد این امر مشهود­تر است. با این اوصاف این روش نیز روش کارآمدی نخواهد بود و باید در صدد استفاده از روش­های کامل­تر و بهتری باشیم. در بخش بعدی با معرفی یک قابلیت جدید در میکروکنترلرهای AVR این مبحث را ادامه می‌دهیم.