tone() против ШИМ: конфликт таймеров Arduino Uno и способы развести их

Три таймера Uno: кто где живёт

Расклад жёсткий: все три счётчика ATmega328 разобраны до первой вашей строки — среда настраивает их при старте. Timer0 кормит millis(), micros() и delay() и заодно выдаёт ШИМ на пины 5 и 6. Timer1 — единственный 16-битный, его забирает Servo.h: прерывание каждые 20 мс и никакого освобождения до detach(). Timer2 — 8-битный: на нём сидит tone(), перестраивая счётчик под частоту ноты, и на нём же висит ШИМ пинов 3 и 11. Теорию с регистрами по всем трём я разложил в обзоре таймеров ATmega328, здесь — прикладная таблица.

Частоты из коробки помогают диагностике: 490 Гц на пинах 3, 9, 10 и 11 против 980 Гц на 5 и 6. Глазу разница не видна, а частотомеру — видна: пин с 980-герцовским ШИМ сидит на Timer0, и звук ему не сосед. За каким пином какой счётчик закреплён физически — карта распиновки Uno; без неё перенос нагрузки вслепую часто попадает на тот же занятый таймер, с которого вы только что сбежали.

• свет на пине 3 или 11 замирает ровно на время ноты и оживает после — почерк Timer2
• яркость на 9 или 10 пропала после добавления серво и не вернулась — почерк Timer1
• после noTone() диммер стоит до перезагрузки — пропущен свежий analogWrite()
• millis() тянет резину, delay() держит не восемь секунд, а в разы дольше — кто-то крутил предделитель Timer0

Диагностика и разводка: звук уходит с пинов 3 и 11

Проверка занимает минуту и не требует осциллографа: закомментируйте в скетче все tone() и noTone(), залейте — и смотрите на свет. Ожил: виноват Timer2, а не проводка, не мосфет и не сгоревший пин. Заодно держите в голове рамку самой функции: нота одна на весь чип, второй вызов tone() перехватит звук, а не подыграет в унисон, и привязки к ШИМ-пинам у звука нет — tone() работает с любым цифровым пином, поэтому сирене в скетче ниже достался восьмой, а «памятные» 3 и 11 остались нетронутыми. Механику tone() и noTone() построчно я разбирал в уроке про зуммер и tone() — там же про электрику пина.

#include <Servo.h>
 
Servo kamera;
const byte PIN_SIRENA = 8;  // tone() -> Timer2: пины 3 и 11 не трогаем
const byte PIN_SVET   = 5;  // диммер -> Timer0: свист сирены ему не страшен
const byte PIN_SERVO  = 9;  // attach() -> Timer1: пин 10 остаётся в резерве
 
int ugol = 60;
int shag = 1;
int yarkost = 0;
int napr = 1;
unsigned long tServo = 0;
unsigned long tNota = 0;
 
void setup() {
  pinMode(PIN_SVET, OUTPUT);
  kamera.attach(PIN_SERVO);   // с этой строки Timer1 принадлежит серво
  Serial.begin(9600);
}
 
void loop() {
  // диммер: дыхание на пине 5, Timer0 - tone() сюда не добирается
  yarkost += napr;
  if (yarkost >= 255 || yarkost <= 0) napr = -napr;
  analogWrite(PIN_SVET, yarkost);
  delay(4);
 
  // серво: шаг каждые 20 мс, Timer1
  if (millis() - tServo >= 20) {
    tServo = millis();
    ugol += shag;
    if (ugol >= 120 || ugol <= 60) shag = -shag;
    kamera.write(ugol);
  }
 
  // сирена: нота на 700 мс, Timer2 - пины 3 и 11 в это время молчат ШИМом
  if (millis() - tNota >= 700) {
    tNota = millis();
    tone(PIN_SIRENA, 1568, 200);
  }
}

• звук — на любом цифровом пине без ШИМ-привязки: 2, 4, 7, 8 годятся все
• диммеры и моторы — на пины 5 и 6: tone() туда не добирается
• серво — сигнальный пин 9 или 10, Timer1 отдаётся серво целиком
• Timer0 — только millis(): ни звука, ни своего тика, ни изменения предделителя

tone() и Servo.h вместе: где конфликт, а где его нет

Пара «tone() и Servo.h» сама по себе работает годами: сирена на Timer2, серво на Timer1, счётчики разные, пересекаться нечему — у меня такая связка крутится в сигнализации с поворотной камерой. Ломается в двух известных местах. Первое — пересадка звука на Timer1: библиотека Tone умеет выбирать таймер, и вариант с Timer1 дёргает серво на каждом кадре, потому что оба жильца перекраивают один счётчик; то же делает TimerOne. Второе — ИК-приёмник: Irremote по умолчанию берёт тот же Timer2, что и tone(), и один из двух проигрывает; этот дуэт разобран в уроке про IRremote, Timer2 и серво. А механику смерти ШИМ на 9 и 10 после attach() разложил урок про Servo против ШИМ.

• штатный tone() + Servo.h: Timer2 против Timer1, конфликтовать нечему
• Tone-библиотека на Timer1 + Servo.h: серво дёргается — таймер один на всех
• IRremote на Timer2 + tone(): оба хотят один счётчик, выживает тот, кто встал раньше
• TimerOne + Servo.h: та же война за Timer1, что и у Tone

Пять решений и цена каждого

Каждый выход из конфликта чем-то платит, и лучше увидеть цену до пайки, а не после. Я собрал пять путей, которые реально применяю, — от двухстрочного переноса пина до платы с шестью таймерами.

Моё мнение: в девяти случаях из десяти хватает первых двух строк таблицы — перенести диммер и не забывать analogWrite(). Платить за Mega ради развязки «мелодия плюс подсветка», на мой взгляд, расточительно; другое условие — непрерывный вой сирены вместе с серво в одном корпусе: вот там шестой таймер окупается. Рабочие скетчи под оба простых пути уже написаны: мелодии по массивам нот собираются по уроку про мелодии, сигнальная логика «порог → сирена → сброс» — в уроке про звуковую сигнализацию.

const byte PIN_SIRENA = 8;    // Timer2 уходит под звук
const byte PIN_SVET   = 11;   // ШИМ этого пина живёт на том же Timer2
const int YARKOST = 180;
 
boolean svistit = false;
 
void setup() {
  pinMode(PIN_SVET, OUTPUT);
  analogWrite(PIN_SVET, YARKOST);
  Serial.begin(9600);
}
 
void loop() {
  unsigned long t = millis() % 6000;   // шестисекундный цикл демо
 
  if (!svistit && t >= 4000) {         // последние две секунды - свист
    svistit = true;
    tone(PIN_SIRENA, 1800);            // Timer2 занят: ШИМ пина 11 замер
    Serial.println("tone: dimmer vstal");
  }
  if (svistit && t < 4000) {           // круг пошёл заново
    svistit = false;
    noTone(PIN_SIRENA);                // гасим ноту...
    analogWrite(PIN_SVET, YARKOST);    // ...и перестраиваем Timer2 на ШИМ
    Serial.println("noTone + analogWrite: svet vernulsya");
  }
}

Крайние случаи: смена частоты таймера и Mega

Оба пути оставляю на десерт, потому что у каждого есть невозвратная цена. Перенастройка Timer2 через регистры TCCR на 31 кГц делает ШИМ беззвучным для лент и моторов — и вычёркивает tone() с этой платы: счётчик один, и он уже нанят ШИМ; вся техника расписана в уроке про ШИМ 31 кГц. Mega 2560 пинает конфликты количеством: шесть таймеров, tone() и там живёт на Timer2, но глушит теперь пины 9 и 10, серво первым делом занимает Timer5 с его пинами 44-46, а Timer1, Timer3 и Timer4 остаются свободными. Привычная карта Uno на Mega не работает — расклад пересобирается с нуля.

• выписал всех жильцов скетча: millis() — Timer0, серво — Timer1, tone() — Timer2, плюс Tone и IRremote, если есть
• звук не на пинах 3 и 11, свет не на 9 и 10, если в скетче серво
• после каждой ноты — noTone() и свежий analogWrite() на пин света
• предделитель Timer0 не трогаю даже ради красивого баса

Частые вопросы