模擬量輸入與輸出

關(guān)于模擬量輸入與輸出第1頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五單片機應(yīng)用系統(tǒng)中的模擬量輸入與輸出AD轉(zhuǎn)換1DA轉(zhuǎn)換2直流電機控制3AD轉(zhuǎn)換1第2頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五

需要把外界連續(xù)變化的物理量（如溫度、壓力、流量、速度），通過傳感器變成電信號，再將其變成數(shù)字量送入單片機內(nèi)進行加工處理。也需要將單片機輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)為連續(xù)變化的模擬量，用以控制調(diào)節(jié)一些執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)對被控對象的控制。這種將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的過程叫做模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的過程叫做數(shù)字/模擬（D/A）轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的器件，叫做模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器或數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器。圖8-1是典型的具有模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的單片機應(yīng)用系統(tǒng)。

概述第3頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五被測控的對象單片微機應(yīng)用系統(tǒng)傳感器采樣保持A/D開關(guān)控制部件模擬執(zhí)行部件D/A非電信號模擬電信號圖8－1單片機應(yīng)用系統(tǒng)第4頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五一、A/D轉(zhuǎn)換原理與接口1A/D轉(zhuǎn)換器常用芯片簡介

A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的器件，種類繁多，性能各異。與單片機的接口形式也不盡相同，但大致分為并行接口和串行接口兩種。1）ADC0809

ADC0809具有8路模擬量輸入，可在程序控制下對任意通道進行A/D轉(zhuǎn)換，輸出8位二進制數(shù)字量。與單片機之間是并行通信。其內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)和引腳如圖8-2所示。第5頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五

ADC0809的引腳功能⑴IN0～IN7：8路模擬信號輸入端。⑵C、B、A：8路模擬信號轉(zhuǎn)換選擇端。低8位地址中A0～A2連接。由A0～A2地址000～111選擇IN0～IN7八路A/D通道。⑶CLK：外部時鐘輸入端。時鐘頻率高，A/D轉(zhuǎn)換速度快。允許范圍為10～1280KHz。通常由80C51ALE端直接或分頻后與0809CLK端相連接。⑷D0～D7：數(shù)字量輸出端。⑸OE：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出允許控制端。OE=1，允許將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果從D0～D7端輸出。通常由80C51的端與0809片選端（例如P2.0）通過或非門與0809OE端相連接。⑹ALE：地址鎖存允許信號輸入端。

0809ALE信號有效時將當前轉(zhuǎn)換的通道地址鎖存。⑺START：啟動A/D轉(zhuǎn)換信號輸入端。當START端輸入一個正脈沖時，立即啟動0809進行A/D轉(zhuǎn)換。START端與ALE端連在一起，由80C51WR與0809片選端（例如P2.0）通過或非門相連。⑻EOC：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端，高電平有效。⑼UREF（+）、UREF（-）：正負基準電壓輸入端。⑽Vcc：正電源電壓（+5V）。GND：接地端。第6頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五表9-8ADC0809通道地址選擇表CBA選通的通道000 IN0001IN1010 IN2011 IN3100 IN4101 IN5110 IN6111 IN7第7頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五2）ADC0809與單片機的接口

圖8-5是ADC0809與80C51單片機的接口連接圖。ADC0809的轉(zhuǎn)換時鐘由單片機的ALE提供。ADC0809的典型轉(zhuǎn)換頻率為640KHz，ALE信號頻率與晶振頻率有關(guān)，如果晶振頻率取12MHZ，則ALE的頻率為2MHZ，所以ADC0809的時鐘端CLK與單片機的ALE端相接時，要考慮分頻。8051單片機通過地址線P2.0和讀寫控制線、來控制模擬輸入通道地址鎖存、啟動和輸出允許。圖8-5ADC0809與80C51接口模擬輸入通道地址的譯碼輸入A、B、C由P0.0~P0.2提供，因ADC0809具有通道地址鎖存功能，P0.0~P0.2不需鎖存。根據(jù)P2.0和P0.0~P0.2的連接方法，8個模擬輸入通道IN0~IN7的地址依次為FEF8H~FEFFH。第8頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五ADC0809A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)用舉例

[例1]設(shè)圖8-5接口電路用于一個8路模擬量輸入的巡回檢測系統(tǒng)，使用中斷方式采樣數(shù)據(jù)，把采樣轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量按順序依次存于片內(nèi)RAM的30H~37H單元中。采樣完一遍后停止。其數(shù)據(jù)采集的初始化程序和中斷服務(wù)程序如下：第9頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五C語言參考程序：#include<reg51.h>//包含特殊功能寄存器庫#include<absacc.h>//包含定義絕對地址訪問庫#defineucharunsignedchar//定義uchar為無符號字符數(shù)據(jù)類型#defineIN0XBYTE[0x0000]//定義IN0為通道0的地址staticuchardatax[8];//定義8個單元的數(shù)組，存放結(jié)果ucharxdata*ad_adr;//定義指向通道的指針uchari=0;//定義變量i,初值為0voidmain(void)//主函數(shù)，完成初始化{IT1=1;//外中斷INT1為邊沿觸發(fā)EX1=1;//開INT1中斷EA=1;//開CPU中斷ad_adr=&IN0;//指針指向通道0*ad_adr=i;//啟動通道0轉(zhuǎn)換for(;;){;}//等待中斷}第10頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五voidint_adc(void)interrupt0//中斷函數(shù){x[i]=*ad_adr;//接收當前通道轉(zhuǎn)換結(jié)果i++;//指向下一個單元ad_adr++;//指向下一個通道if(i<8)//判循環(huán)8次否{*ad_adr=i;//8個通道未轉(zhuǎn)換完，啟動下一個通道返回}else{EA=0;//8個通道轉(zhuǎn)換完，關(guān)中斷返回EX0=0;}}第11頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五2、ADC0832圖8-3ADC0832引腳

ADC0832是一種具有串行接口的8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。具有體積小、兼容性強、性價比高等優(yōu)點，應(yīng)用非常廣泛。圖8-3ADC0832引腳

ADC0832是8引腳雙列直插式雙通道A/D轉(zhuǎn)換器。5V電源供電，輸入電壓在0~5V之間，工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時間為32μS，一般功耗僅為15mW。引腳排列如圖8-3所示。它能分別對兩路模擬信號實現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換，可以在單端輸入方式和差分輸入方式下工作。第12頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五ADC0832引腳功能如下：片選使能，低電平芯片使能。

CH0模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用。

CH1模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用。

GND芯片參考0電位（地）。

DI數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制。

DO數(shù)據(jù)信號輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。

CLK芯片時鐘輸入。

Vcc/REF電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）。正常情況下ADC0832與單片機的接口應(yīng)有4條線，分別是、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效，并與單片機的接口是雙向的，所以電路設(shè)計時可以將DO和DI并聯(lián)在一根線上使用。當ADC0832不工作時，其輸入端應(yīng)為高電平，此時芯片禁用，CLK和DO/DI的電平可任意。當要進行A/D轉(zhuǎn)換時，須先將置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。

第13頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五

此時芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時由單片機向芯片時鐘輸入端CLK輸入時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端選擇的輸入通道。在第1個時鐘脈沖的下降沿之前DI端必須是高電平，表示啟動信號。在第2、3個脈沖的下降沿之前DI端應(yīng)輸入2位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能。當DI依次輸入為1、0時，只對CH0進行單通道轉(zhuǎn)換。當DI依次輸入為1、1時，只對CH1進行單通道轉(zhuǎn)換。當DI依次輸入為0、0時，將CH0作為正輸入端IN+，CH1作為負輸入端IN-進行輸入。當DI依次輸入為0、1時，將CH0作為負輸入端IN-，CH1作為正輸入端IN+進行輸入。

作為單通道模擬信號輸入時，ADC0832的輸入電壓Vi的范圍是0~5V。當輸入電壓Vi=0時，轉(zhuǎn)換后的值VAL=0x00；而當Vi=5V時，轉(zhuǎn)換后的值VAL=0Xff,即十進制數(shù)的255。所以轉(zhuǎn)換后的輸出值（數(shù)字量D）為:×V

式中，D為轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量；V為輸入的模擬電壓。第14頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五2)ADC0832與單片機的接口圖8-6是ADC0832與AT89C51單片機的接口連接圖。正常情況下ADC0832與單片機的接口應(yīng)有4條線，分別是、CLK、DO、DI。但由于DO端（數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制）與DI端（數(shù)據(jù)信號輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出）在通信時并未同時有效，并與單片機的接口是雙向的，所以電路設(shè)計時可以將DO和DI并聯(lián)在一根線上使用。ADC0832有2個模擬輸入通道，CH0為模擬輸入通道0，CH1為模擬輸入通道1，由DI端選擇輸入通道。當要進行A/D轉(zhuǎn)換時，片選信號必須置為低電平，并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。同時由單片機向芯片時鐘輸入端CLK輸入時鐘脈沖。圖8-6ADC0832與單片機接口

第15頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五[例2]設(shè)圖8-6接口電路用于一個模擬量輸入的檢測系統(tǒng)。Ui為待轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓，要求對Ui連續(xù)采樣10次，每次采樣值經(jīng)串行A/D轉(zhuǎn)換電路（ADC0832）轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并按順序依次存于片內(nèi)RAM的30H~39H單元中。采樣完10次后停止。第16頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五C語言數(shù)據(jù)采集串行A/D轉(zhuǎn)換參考程序：#include<reg51.h>//包含單片機特殊功能寄存器的頭文件#defineucharunsignedchar//定義uchar為無符號字符數(shù)據(jù)類型staticuchardatax[10];//定義10個單元的數(shù)組，存放結(jié)果sbitCS=P3^4;//將CS位定義為P3.4引腳sbitCLK=P1^0;//將CLK位定義為P1.0引腳sbitDIO=P1^1;//將DIO位定義為P1.1引腳unsignedcharA_D()//A_D轉(zhuǎn)換函數(shù)。功能：將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號{unsignedchari,dat;//設(shè)i和det為無符號字符變量

CS=1;//一個轉(zhuǎn)換周期開始

CLK=0;//為第一個脈沖作準備

CS=0;//CS置0，片選有效

DIO=1;//DIO置1，規(guī)定的起始信號

CLK=1;//第一個脈沖

CLK=0;//第一個脈沖的下降沿，此前DIO必須是高電平

DIO=1;//DIO置1，通道選擇信號

第17頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五CLK=1;//第二個脈沖，第2、3個脈沖下降之前，DI必須分別輸入兩位數(shù)據(jù)用于選擇//通道，這里選通道CH0CLK=0;//第二個脈沖下降沿

DIO=0;//DI置0，選擇通道0CLK=1;//第三個脈沖

CLK=0;//第三個脈沖下降沿

DIO=1;//第三個脈沖下降沿之后，輸入端DIO失去作用，應(yīng)置1CLK=1;//第四個脈沖

for(i=0;i<8;i++)//高位在前

{CLK=1;//第四個脈沖

CLK=0;//第四個脈沖下降沿

dat<<=1;//將下面儲存的低位數(shù)據(jù)向右移dat|=(unsignedchar)DIO;//將輸出數(shù)據(jù)DIO通過或運算儲存在dat最低位

}CS=1;//片選無效

returndat;//將讀出的數(shù)據(jù)返回

}第18頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五ADC0832時序圖第19頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五main(void)//主函數(shù){unsignedcharj,g=0;//設(shè)j,g為無符號字符變量,j用于及循環(huán)次數(shù),g用于數(shù)組。unsignedintAD_val;//儲存A/D轉(zhuǎn)換后的值for(j=0,j<10,j++)//

{AD_val=A_D();//

x[g]=AD_val //

g++;}}第20頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五8.2D/A轉(zhuǎn)換器接口1、DAC轉(zhuǎn)換芯片介紹

D/A轉(zhuǎn)換器是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的模擬量的器件，也有很多種類。以DAC0832為例介紹D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和使用方法。

DAC0832的引腳及功能

DAC0832是一個8位D/A轉(zhuǎn)換器。單電源供電，從+5V～+15V均可正常工作?；鶞孰妷旱姆秶鸀椤?0V；電流建立時間為1μs；CMOS工藝，低功耗20mW。DAC0832為20引腳，雙列直插式封裝，其引腳排列如圖8-7所示。第21頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五DI0～DI7：8位數(shù)據(jù)輸入端。ILE：輸入數(shù)據(jù)允許鎖存信號，高電平有效。：片選端，低電平有效。：輸入寄存器寫選通信號，低電平有效。：DAC寄存器寫選通信號，低電平有效。：數(shù)據(jù)傳送信號，低電平有效。IOUT1、IOUT2：電流輸出端。RFB：反饋電流輸入端。UREF：基準電壓輸入端。Vcc：正電源端；AGND：模擬地；DGND：數(shù)字地。圖8-7DAC0832引腳第22頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五2、DAC0832工作方式用軟件指令控制這5個控制端：ILE、、、、，可實現(xiàn)三種工作方式：直通工作方式：5個控制端均有效，直接D/A轉(zhuǎn)換；單緩沖工作方式：兩個輸入寄存器中任意一個處于直通方式，另一個工作于受控方式。雙緩沖工作方式：兩個鎖存器都處于受控狀態(tài)。第23頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五1）DAC0832單緩沖方式

在實際應(yīng)用中，如果只有一路模擬量輸出，或雖有幾路模擬量但并不要求同步輸出時，可采用單緩沖方式。單緩沖方式的兩種連接方法如圖8-9和圖8-10所示。

第24頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五圖8-9DAC0832單緩沖方式圖8-10用DAC產(chǎn)生鋸齒波第25頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五圖8-9中，兩級寄存器作一級寄存器使用。圖8-10中,=0和=0，因此DAC寄存器處于接通方式。而輸入寄存器處于受控鎖存方式，接8051的，ILE接高電平，此外還應(yīng)把接高位地址或譯碼輸出，以便為輸入寄存器確定地址。

單緩沖方式應(yīng)用十分廣泛，如需要有一個線性增長的電壓來控制移動記錄筆或移動電子束等。此時可通過在DAC0832的輸出端接運算放大器，由運算放大器產(chǎn)生鋸齒波來實現(xiàn)，電路連接如圖8-10所示。圖中若DAC0832的輸出端只接一級反向輸入的運算放大器，則輸出的鋸齒波為負向增長得倒鋸齒波，圖8-10中接2級運算放大器是為了輸出正向的鋸齒波。第26頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五

對鋸齒波的產(chǎn)生作如下幾點說明：程序每循環(huán)一次，A加1，因此實際上鋸齒波的上升沿是由256個小階梯構(gòu)成的，但由于階梯很小，所以從宏觀上看就是線性增長的鋸齒波。

可通過循環(huán)程序段的機器周期數(shù)計算出鋸齒波的周期，并可根據(jù)需要，通過延時的辦法來改變波形周期。當延遲時間較短時，可用NOP指令來實現(xiàn)；當需要延遲的時間較長時，可以使用一個延時子程序。延遲時間不同，波形周期不同，鋸齒波的斜率就不同。通過A加1，可得到正向的鋸齒波；如要得到負向的鋸齒波，改為減1指令即可實現(xiàn)。程序中A的變化范圍是0～255，因此得到的鋸齒波是滿幅度的。如要求得到非滿幅度鋸齒波，可通過計算求得數(shù)字量的初值和終值，然后在程序中通過置初值判終值的辦法實現(xiàn)。第27頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五鋸齒波C語言參考程序：#include<reg51.h>//包含特殊功能寄存器庫#include<absacc.h>//該文件用于定義存儲器空間的絕對地址#defineucharunsignedchar//定義uchar為無符號字符數(shù)據(jù)類型#defineDAC0832XBYTE[0x7FFF]//定義DAC0832表示片外地址0x7FFFvoidmain()//主函數(shù){uchari;//變量i為無符號字符數(shù)據(jù)類型while(1)//無限循環(huán)體{for(i=0;i<0xff;i++)//循環(huán)256次{DAC0832=i;}//將每次加1變化后的i值送D/A轉(zhuǎn)換}}第28頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五矩形波C語言參考程序如下：#include<reg51.h>//包含特殊功能寄存器庫#include<absacc.h>//該文件用于定義存儲器空間的絕對地址#defineucharunsignedchar//定義uchar為無符號字符數(shù)據(jù)類型#defineDAC0832XBYTE[0x7FFF]//定義DAC0832表示片外地址0x7FFFvoiddelay()//延時函數(shù){uchari;//變量i為無符號字符數(shù)據(jù)類型for(i=0;i<0xff;i++){;}//循環(huán)延時}voidmain()//主函數(shù){uchari;//變量i為無符號字符數(shù)據(jù)類型while(1)//無限循環(huán)體{DAC0832=0;//輸出低電平delay();//延時DAC0832=0xff;//輸出高電平delay();//延時}}用D/A轉(zhuǎn)換還可以產(chǎn)生多種波形。產(chǎn)生矩形波的匯編語言參考程序如下：第29頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五2．DAC0832雙緩沖方式圖8-12是一個兩路同步輸出的D/A轉(zhuǎn)換器的接口電路及邏輯框圖。P2.5和P2.6分別選擇兩路D/A轉(zhuǎn)換器的輸入寄存器，控制輸入鎖存；P2.7連到兩路D/A轉(zhuǎn)換器的端控制同步轉(zhuǎn)換輸出；端與所有的、端相連，在執(zhí)行MOVX輸出指令時，單片機自動輸出控制信號。圖8-12DAC0832雙緩沖方式如果將DAC0832⑴和⑵的輸出端接運放后，分別接圖形顯示器的X軸和Y軸偏轉(zhuǎn)放大器輸入端，實現(xiàn)同步輸出，則可更新圖形顯示器的光點位置，從而實現(xiàn)繪圖功能。第30頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五同步輸出C語言參考程序如下(設(shè)X軸信號和Y軸信號已分別存于變量i和j中)：#include<reg51.h>//包含特殊功能寄存器庫#include<absacc.h>//該文件用于定義存儲器空間的絕對地址#defineucharunsignedchar//定義uchar為無符號字符數(shù)據(jù)類型#defineDAC0832_1XBYTE[0xDFFF]//定義DAC0832_1輸入寄存器地址#defineDAC0832_2XBYTE[0xBFFF]//定義DAC0832_2輸入寄存器地址#defineDACXBYTE[0x7FFF]//定義0832(1)、(2)DAC寄存器地址voidmain()//主函數(shù){uchari,j;DAC0832_1=i;//X軸信號送0832(1)輸入寄存器

DAC0832_2=j;//Y軸信號送0832(2)輸入寄存器DAC=j;//同步D/A,輸出X、Y軸信號

}第31頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五3、直流電機控制圖8-14是一個單片機控制直流電動機的簡單接口電路示意圖。圖中設(shè)單片機的P3.2口、P3.7口分別接到電動機控制電路的D端和PWM端，通過單片機控制電動機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。P1口輸入的是經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器0809轉(zhuǎn)換的數(shù)字量TMP。首先，單片機的PWM端（P3.7）輸出轉(zhuǎn)動電平，延時一段時間，延時的常數(shù)定為TMP；接著再輸出停轉(zhuǎn)電平，延時的常數(shù)為255-TMP。這樣，就可通過改變模擬輸入電壓的大?。崔D(zhuǎn)換得到的數(shù)字量TMP的大?。﹣砀淖儐纹瑱CPWM輸出的占空比，從而達到調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的目的。

第32頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五圖8-15為直流電動機控制程序流程圖。

圖8-14單片機控制直流電機接口電路示意圖

圖8-15直流電動機控制程序流程圖

第33頁，共37頁，2022年，5月20日，4點1分，星期五直流電動機控制C語言參考程序#include<reg51.h>//包含特殊功能寄存器庫#defineucharunsignedchar//定義uchar為無符號字符數(shù)據(jù)類型sbitPWM=P3^7;