基于Atmega328P的HC-SR04超声波测距仪单Timer1实现问题

问题背景 #

现有针对Atmega328P的C语言代码，通过Timer0（配置为PWM模式生成10µs初始脉冲）和Timer1（捕获模式，同时每秒重启Timer0）实现HC-SR04超声波测距功能。现需改用单个Timer1实现相同功能，但自行编写的代码无法生成1秒间隔的10µs脉冲，相关代码及PORTB1引脚输出的脉冲波形图如下：

原有双定时器实现代码 #

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

void timer0Init()
{
    TCCR0A = (1 << COM0A1) | (1 << WGM01) | (1 << WGM00);
    TCCR0B = (1 << CS00);
    OCR0A = 159;
    TIMSK0 = (1 << OCIE0A);
}

void timer1Init()
{
    TCCR1B = (1 << ICES1) | (1 << WGM12) | (1 << CS12) | (1 << CS10);
    OCR1A = 15625;
    TIMSK1 = (1 << ICIE1) | (1 << OCIE1A);
}

void usartInit()
{
    UCSR0B = (1 << TXEN0);
    UCSR0C = (1 << UCSZ01) | (1 << UCSZ00);
    UBRR0 = 103;
}


ISR(TIMER0_COMPA_vect)
{
    TCCR0B ^= (1 << CS00);
}

ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
    TCCR0B ^= (1 << CS00);
}

volatile uint16_t old, temp;
ISR(TIMER1_CAPT_vect)
{
    temp = ICR1;
    TCCR1B ^= (1 << ICES1);
    
    if ((TCCR1B & (1 << ICES1)) != 0)
    {   
        uint16_t delta = 0;
        
        if (temp > old)
        {
            delta = temp - old;
        }
        else
        {
            delta = 65535 - old + temp;
        }
        
        if ((UCSR0A & (1 << UDRE0)) != 0)
        {
            UDR0 = delta * 10;
        }
    }
    else
    {   
        old = temp;
    }
}


int main(void)
{
    DDRD = 0x40;
    
    timer0Init();
    timer1Init();
    usartInit();
    
    sei();
    while (1) {}
}

自行尝试的单Timer1实现代码 #

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

void timer1Init()  // 配置Timer1用于捕获ICP1引脚信号变化
{   
    TCCR1A = (1 << COM1A1) | (1 << WGM10);  // Fast PWM模式
    TCCR1B = (1 << CS10) | (1 << WGM12);  // 无预分频，使用CPU主频
    OCR1A = 159;  // 占空比62%
    TIMSK1 = (1 << OCIE1A);  // 启用比较匹配A中断
}

void usartInit()  // 配置UART
{
    UCSR0B = (1 << TXEN0);  // 启用发送功能
    UCSR0C = (1 << UCSZ01) | (1 << UCSZ00);  // 1停止位，8位数据帧
    UBRR0 = 103;  // 波特率9600bit/s
}


ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
    if (OCR1A == 159)
    {
        // 切换为CTC模式，上升沿捕获，预分频clk/1024
        TCCR1B = (1 << ICES1) | (1 << WGM12) | (1 << CS12) | (1 << CS10);
        OCR1A = 15625;  // 测量间隔1秒
        TIMSK1 = (1 << ICIE1) | (1 << OCIE1A);  // 启用捕获中断
    }
    else if (OCR1A == 15625)
    {
        TCCR1A = (1 << COM1A1) | (1 << WGM10);  // 切回Fast PWM模式
        TCCR1B = (1 << CS10) | (1 << WGM12);  // 无预分频
        OCR1A = 159;  // 占空比62%
        TIMSK1 = (1 << OCIE1A);  // 启用比较匹配A中断
    }
}

volatile uint16_t old, temp;  // 存储捕获值的全局变量
ISR(TIMER1_CAPT_vect)  // Timer1捕获中断
{
    temp = ICR1;  // 读取当前捕获值
    TCCR1B ^= (1 << ICES1);  // 切换捕获边沿类型
    
    if ((TCCR1B & (1 << ICES1)) != 0)  // 捕获到接收端信号
    {
        uint16_t delta = 0;  // 存储距离（单位mm）
        
        if (temp > old)  // 当前值大于上次捕获值
        {
            delta = temp - old;  // 计算时间差
        }
        else  // 定时器溢出
        {
            delta = 65535 - old + temp; // 处理溢出后的时间差
        }
        
        if ((UCSR0A & (1 << UDRE0)) != 0)  // UART缓冲区空闲
        {
            UDR0 = delta * 10;  // 通过UART发送数据
        }
    }
    else  // 捕获到发送端信号
    {
        old = temp;  // 保存当前捕获值
    }
}


int main(void)
{
    DDRB = (1 << PORTB1);
    
    timer1Init();
    usartInit();
    
    sei();
    while (1) {}
}

脉冲波形图 #

问题分析与修正方案 #

你的单Timer1代码存在以下核心问题：

• 切换定时器模式时未重置TCNT1计数器，导致定时偏移，无法保证1秒间隔和10µs脉冲的准确性。
• 错误使用持续PWM模式生成触发脉冲，原逻辑是单次10µs脉冲而非持续PWM，这会导致引脚输出异常波形。
• 模式切换时的寄存器配置顺序错误，可能引发定时器状态混乱。

修正后的单Timer1实现代码 #

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

#define TRIG_PIN PB1
#define F_CPU 16000000UL

void timer1Init() {
    // 初始配置：CTC模式，准备生成10µs触发脉冲
    DDRB |= (1 << TRIG_PIN);
    PORTB &= ~(1 << TRIG_PIN); // 触发脚初始置低

    // CTC模式，无预分频（16MHz），OCR1A对应10µs计时
    TCCR1A = 0;
    TCCR1B = (1 << WGM12) | (1 << CS10);
    OCR1A = 159; // 16MHz下，10µs对应160个时钟周期（计数范围0~159）
    TIMSK1 = (1 << OCIE1A); // 启用比较匹配A中断
}

void usartInit() {
    UCSR0B = (1 << TXEN0);
    UCSR0C = (1 << UCSZ01) | (1 << UCSZ00);
    UBRR0 = 103; // 9600波特率@16MHz
}

volatile uint16_t capture_old = 0;
volatile uint8_t measure_state = 0; // 0: 等待触发, 1: 生成脉冲中, 2: 等待回波捕获

ISR(TIMER1_COMPA_vect) {
    switch(measure_state) {
        case 0:
            // 触发开始：置高触发脚，重置计数器保证10µs精度
            PORTB |= (1 << TRIG_PIN);
            TCNT1 = 0;
            measure_state = 1;
            break;
        case 1:
            // 10µs脉冲结束：置低触发脚，切换为捕获模式（上升沿触发）
            PORTB &= ~(1 << TRIG_PIN);
            TCCR1B = (1 << ICES1) | (1 << CS12) | (1 << CS10); // 上升沿捕获，预分频1024
            TIMSK1 = (1 << ICIE1); // 启用捕获中断，关闭比较中断
            measure_state = 2;
            break;
        case 2:
            // 测距完成，切换回CTC模式设置1秒间隔
            TCCR1B = (1 << WGM12) | (1 << CS12) | (1 << CS10); // CTC模式，预分频1024
            OCR1A = 15624; // 16MHz/1024=15625Hz，1秒对应计数0~15624
            TIMSK1 = (1 << OCIE1A); // 启用比较中断
            TCNT1 = 0; // 重置计数器保证1秒间隔准确
            measure_state = 0;
            break;
    }
}

ISR(TIMER1_CAPT_vect) {
    uint16_t capture_new = ICR1;
    if((TCCR1B & (1 << ICES1)) != 0) {
        // 捕获到回波上升沿：记录起始时间，切换为下降沿捕获
        capture_old = capture_new;
        TCCR1B &= ~(1 << ICES1);
    } else {
        // 捕获到回波下降沿：计算时间差并转换为距离
        uint16_t delta = capture_new - capture_old;
        // 处理定时器溢出情况
        if(capture_new < capture_old) {
            delta = 0xFFFF - capture_old + capture_new + 1;
        }
        // 等待UART缓冲区空闲后发送数据
        while(!(UCSR0A & (1 << UDRE0)));
        UDR0 = delta * 10;
        
        // 切换回CTC模式，启动1秒后下一次测量的定时
        TCCR1B = (1 << WGM12) | (1 << CS12) | (1 << CS10);
        OCR1A = 15624;
        TIMSK1 = (1 << OCIE1A);
        TCNT1 = 0;
        measure_state = 0;
    }
}

int main(void) {
    timer1Init();
    usartInit();
    sei();
    while(1);
}

关键修正点说明 #

• 状态机管理：引入measure_state变量清晰划分触发脉冲生成、回波捕获、间隔等待三个阶段，避免模式切换逻辑混乱。
• 计数器重置：每次切换定时器模式或配置新定时值时，重置TCNT1，确保定时精度。
• 触发脉冲生成：放弃持续PWM，改用CTC模式生成单次10µs脉冲，完全匹配HC-SR04的触发要求。
• 中断配置优化：在不同阶段仅启用必要的中断（比较中断/捕获中断），减少不必要的中断触发，提升稳定性。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Elijah Sokol