آموزش تولید PWM با استفاده از تایمرهای AVR

آموزش تولید PWM با استفاده از تایمرهای AVR تایمرها یکی از اساسی‌ترین و پرکاربردترین واحدهای جانبی در میکروکنترلرهای AVR هستند. آن‌ها امکان کنترل دقیق زمان و تولید سیگنال‌های مختلفی مانند PWM را فراهم می‌کنند که در بسیاری از پروژه‌های الکترونیکی، از جمله سیستم‌های کنترلی و مخابراتی، مورد نیاز است. در این مقاله به معرفی تایمرهای داخلی AVR و کاربردهای آن‌ها مانند تولید تأخیر زمانی، تولید PWM، اندازه‌گیری فواصل زمانی و سایر کاربردهای مرتبط می‌پردازیم.

تایمرهای داخلی AVR: ساختار و عملکرد

تایمرها در میکروکنترلرهای AVR واحدهایی هستند که می‌توانند به صورت داخلی با فرکانس مشخصی شمارش انجام دهند. این فرکانس می‌تواند توسط کریستال خارجی یا اسیلاتور داخلی میکروکنترلر تنظیم شود. تایمرها به دو نوع اصلی تقسیم می‌شوند: تایمرهای 8 بیتی و تایمرهای 16 بیتی که هر کدام بسته به نیاز برنامه کاربردی، قابلیت‌هایی متفاوت ارائه می‌دهند.

تایمرهای 8 بیتی (Timer0 و Timer2)

تایمرهای 8 بیتی مانند Timer0 و Timer2 از محدوده شمارشی 0 تا 255 استفاده می‌کنند. این تایمرها برای کاربردهایی که نیاز به زمان‌های کوتاه‌تر و یا سیگنال‌هایی با دقت متوسط دارند، مناسب هستند. از این تایمرها می‌توان برای موارد زیر استفاده کرد:

• تولید تأخیرهای کوتاه
• تولید PWM برای کنترل سرعت موتورهای ساده یا LEDها
• ایجاد سیگنال‌های خروجی در فرکانس‌های مشخص

تایمرهای 16 بیتی (Timer1)

تایمر 16 بیتی (مانند Timer1) دارای محدوده شمارشی بسیار بزرگ‌تری (0 تا 65535) است. این تایمر برای کاربردهایی که نیاز به دقت بیشتر یا زمان‌های طولانی‌تر دارند، بسیار مناسب است. از تایمر 16 بیتی می‌توان برای موارد زیر استفاده کرد:

• تولید تأخیرهای بلند مدت و دقیق
• تولید PWM با دقت بالا برای کنترل سروو موتورها
• اندازه‌گیری فواصل زمانی و رویدادها

کاربرد تایمرها در تولید تأخیر زمانی

یکی از رایج‌ترین کاربردهای تایمرها در AVR، تولید تأخیر زمانی است. با تنظیم یک تایمر در حالت “Normal Mode”، می‌توان از آن برای شمارش و ایجاد وقفه‌های دقیق در طول زمان استفاده کرد. برای تولید تأخیر، تایمر با فرکانس مشخصی شروع به شمارش می‌کند و پس از رسیدن به مقدار تعیین‌شده، یک وقفه رخ می‌دهد. این قابلیت در برنامه‌های کنترلی که نیاز به زمان‌بندی دقیق دارند، بسیار مفید است.

مراحل تنظیم تایمر برای تولید تأخیر زمانی:

1. انتخاب تایمر مناسب: بسته به دقت و مدت زمان تأخیر، می‌توان از تایمر 8 بیتی یا 16 بیتی استفاده کرد.
2. تنظیم پری‌اسکیلر: پری‌اسکیلر مقدار فرکانس ورودی به تایمر را کاهش می‌دهد و با انتخاب مقدار مناسب (مثلاً 64، 256 یا 1024)، می‌توان زمان تأخیر دلخواه را تولید کرد.
3. تنظیم مقدار اولیه تایمر: مقدار اولیه تایمر بر اساس فرکانس میکروکنترلر و پری‌اسکیلر محاسبه می‌شود تا دقیقاً به زمان تأخیر مورد نظر دست یابیم.

مثال: تولید تأخیر 1 میلی‌ثانیه با Timer0

فرض کنید که میکروکنترلر AVR با فرکانس 16 مگاهرتز کار می‌کند و می‌خواهیم یک تأخیر 1 میلی‌ثانیه‌ای تولید کنیم. مراحل انجام این کار به شرح زیر است:

• انتخاب پری‌اسکیلر 64 برای کاهش فرکانس به 250 کیلوهرتز.
• محاسبه مقدار شمارش تایمر برای 1 میلی‌ثانیه:

$$\text{تعداد سیکل‌ها} = \frac{1 \text{ms}}{4 \mu s} = 250$$

• تنظیم مقدار اولیه تایمر به گونه‌ای که بعد از 250 سیکل وقفه رخ دهد.

تولید PWM با استفاده از تایمرها

تولید سیگنال‌های PWM (Pulse Width Modulation) یکی از اصلی‌ترین کاربردهای تایمرها در AVR است. PWM نوعی سیگنال دیجیتالی است که سطح ولتاژ آن بین دو مقدار ثابت (معمولاً 0 و 5 ولت) نوسان می‌کند. این سیگنال به وسیله تغییر Duty Cycle قابل کنترل است و برای کاربردهایی مانند کنترل سرعت موتورهای DC، تنظیم شدت نور LEDها و کنترل سروو موتورها استفاده می‌شود.

مراحل تنظیم تایمر برای تولید PWM:

1. انتخاب تایمر مناسب: معمولاً از Timer0 برای کاربردهای ساده و Timer1 برای تولید PWM با دقت بالا استفاده می‌شود.
2. تنظیم تایمر در حالت PWM: تایمر باید در یکی از حالت‌های Fast PWM یا Phase Correct PWM تنظیم شود.
3. تنظیم مقدار مقایسه‌ای (OCRx): مقدار مقایسه‌ای تعیین می‌کند که در چه نقطه‌ای خروجی از حالت فعال به غیرفعال تغییر کند و به این ترتیب Duty Cycle تنظیم می‌شود.

مثال: تولید PWM با Duty Cycle 50%

برای تولید یک سیگنال PWM با Duty Cycle 50% با استفاده از تایمر 8 بیتی Timer0:

• تایمر را در حالت Fast PWM تنظیم می‌کنیم.
• مقدار مقایسه‌ای (OCR0A) را به نصف مقدار شمارش تایمر (127) تنظیم می‌کنیم.
• در این حالت، خروجی سیگنال PWM با Duty Cycle 50% تولید می‌شود.

سایر کاربردهای تایمرها

تایمرهای AVR علاوه بر تولید تأخیر و PWM، دارای کاربردهای گسترده دیگری نیز هستند. برخی از مهم‌ترین کاربردهای تایمرها به شرح زیر است:

اندازه‌گیری فواصل زمانی

در بسیاری از پروژه‌ها نیاز است که فاصله زمانی بین دو رویداد اندازه‌گیری شود. با استفاده از تایمرها و پیکربندی ورودی‌های Capture، می‌توان به این هدف دست یافت. تایمرها با شمارش دقیق می‌توانند زمانی که یک سیگنال به یک حالت خاص (مانند عبور از لبه بالارونده) تغییر می‌کند را ثبت کرده و این اطلاعات را به کاربر ارائه دهند.

تولید موج مربعی

تایمرها می‌توانند برای تولید سیگنال‌های موج مربعی با فرکانس‌های مختلف استفاده شوند. این سیگنال‌ها در بسیاری از کاربردهای الکترونیکی و مخابراتی به عنوان سیگنال ساعت یا تحریک‌کننده مدارات به کار می‌روند. با پیکربندی تایمر در حالت CTC (Clear Timer on Compare Match)، می‌توان امواج مربعی با فرکانس دلخواه تولید کرد.

کنترل وقفه‌های دوره‌ای

تایمرها قابلیت ایجاد وقفه‌های منظم را دارند که این ویژگی برای اجرای وظایف دوره‌ای بسیار مفید است. با استفاده از حالت CTC و تنظیم مقدار مقایسه‌ای، می‌توان تایمر را به گونه‌ای پیکربندی کرد که پس از رسیدن به مقدار تعیین‌شده، وقفه‌ای ایجاد کند. این روش برای وظایفی مانند چشمک زدن LEDها، اجرای وظایف دوره‌ای در سیستم‌های بلادرنگ و ایجاد تاخیرهای دقیق مورد استفاده قرار می‌گیرد.

نتیجه‌گیری

آموزش تولید PWM با استفاده از تایمرهای AVR تایمرها در میکروکنترلرهای AVR یکی از ابزارهای کلیدی و قدرتمند برای مدیریت زمان، تولید سیگنال‌های مختلف و کنترل سیستم‌ها هستند. آشنایی با ساختار و نحوه پیکربندی تایمرها به شما این امکان را می‌دهد که برنامه‌های پیچیده‌ای نظیر تولید سیگنال‌های PWM، ایجاد تأخیرهای دقیق و کنترل وقفه‌ها را به سادگی پیاده‌سازی کنید. با توجه به قابلیت‌های گسترده تایمرها، آن‌ها در بسیاری از پروژه‌های الکترونیکی به عنوان یک ابزار حیاتی محسوب می‌شوند.

سیگنال PWM در میکروکنترلر AVR