第09章模擬量輸入與輸出

第09章單片機應用系統(tǒng)中的模擬量輸入與輸出9.1A/D轉換 9.1.1并行A/D轉換 9.1.2串行A/D轉換 9.2D/A轉換 9.3直流電機控制 9.4全自動洗衣機水量控制Proteus仿真具有模/數(shù)轉換器和數(shù)/模轉換器的單片機應用系統(tǒng)。

概述被測控的對象單片機應用系統(tǒng)傳感器采樣保持A/D開關控制部件模擬執(zhí)行部件D/A非電信號模擬電信號模擬信號：在時間上和數(shù)值上連續(xù)的信號。數(shù)字信號：在時間上和數(shù)值上不連續(xù)的（即離散的）信號。uu模擬信號波形數(shù)字信號波形ttA/D轉換器的基本原理1、模擬信號和數(shù)字信號A/D變換模數(shù)轉換則是將模擬電量轉換為數(shù)字量，使輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。實現(xiàn)這種轉換功能的電路稱為模數(shù)轉換器（ADC）。2、模數(shù)轉換概述典型數(shù)字控制系統(tǒng)框圖A/D轉換器的基本原理

模擬電子開關S在采樣脈沖CLKS的控制下重復接通、斷開的過程。S接通時，ui(t)對C充電，為采樣過程；S斷開時，C上的電壓保持不變，為保持過程。在保持過程中，采樣的模擬電壓經(jīng)數(shù)字化編碼電路轉換成一組n位的二進制數(shù)輸出。3、A/D轉換器的基本原理顯然，模數(shù)轉換一般要分采樣、保持、量化和編碼四個步驟進行。A/D轉換器的基本原理s(t)t

采樣是對模擬信號進行周期性地抽取樣值的過程，就是把隨時間連續(xù)變化的信號轉換成在時間上斷續(xù)、在幅度上等于采樣時間內(nèi)模擬信號大小的一串脈沖。1)采樣、保持utts(t)ttstws(t)t采樣電路示意圖采樣信號采樣

脈沖輸入模擬信號采樣保持信號

采樣脈沖的頻率fs(1/Ts)越高，采樣越密，采樣值就越多，其取樣信號vs的包絡線就越接近于輸入模擬信號的波形。

采樣定理：為了能不失真地恢復原模擬信號，采樣頻率應不小于輸人模擬信號頻譜中最高頻率的兩倍，即fs≥2fimax。A/D轉換器的基本原理2）采樣-保持電路：

由于A/D轉換需要一定的時間，所以在每次采樣結束后，應保持采樣電壓值在一段時間內(nèi)不變，直到下一次采樣開始。這就要在采樣后加上保持電路，實際采樣-保持是做成一個電路。

量化、編碼電路也要由取樣脈沖S(t)控制，使它分別在

t1-t5時刻開始對Vo轉換，也就是在保持時間內(nèi)(Ts-tw)內(nèi)完成量化和編碼。A/D轉換器的基本原理

經(jīng)過采樣和保持而抽取的電壓值仍然屬模擬量的范疇，由于任何一個數(shù)字量的大小只能是某個最小數(shù)量單位(1LSB)的整數(shù)倍，因此用數(shù)字量表示取樣電壓值時，先要把其采樣電壓化為最小單位的整數(shù)倍。3）量化和編碼量化：

所取得的最小單位，用△表示，△＝1LSB。量化單位

把量化后的電壓值再轉化成對應的代碼，如二進制、十進制碼等的過程。編碼：量化編碼A/D轉換器的基本原理電路組成二、逐次逼近型模數(shù)轉換器DAC：數(shù)模轉換器，作用是按照不同的輸入數(shù)碼產(chǎn)生一組相應的比較電壓UR:

電壓比較器：將輸入的電壓信號UI與UR進行比較，當UI≥UR時，輸出C0＝1(C0’=0)；當UI<UR時，輸出C0＝0(C0’=1)；C0和C0’

分別連接各個邊沿JK觸發(fā)器的J、K端。4位脈沖發(fā)生器：用它來產(chǎn)生4各的負向節(jié)拍脈沖CLK0-CLK3’；用這4個節(jié)拍脈沖來控制其他電路完成逐次比較。該發(fā)生器通常由4位環(huán)形計數(shù)器構成。JK觸發(fā)器：作用是在4個的負向節(jié)拍脈沖CP0-CP3’=0的推動下，記憶每次比較的結果，并向DAC提供輸入數(shù)碼。3D存儲器：作用是在節(jié)拍脈沖的觸發(fā)下，記憶最后的比較結果，并行輸出二進制代碼。d2d0d1A/D轉換器的基本原理工作原理DAC輸出的比較電壓d2d0d1A/D轉換器的基本原理逐次逼近型ADCA/D轉換器的基本原理

相對精度是指A/D轉換器實際輸出數(shù)字量與理論輸出數(shù)字量之間的最大差值。通常用最低有效位LSB的倍數(shù)來表示。如相對精度不大于(1/2)LSB，就說明實際輸出數(shù)字量與理論輸出數(shù)字量的最大誤差不超過(1/2)LSB。三、A/D轉換器的主要技術指標1、分辨率A/D轉換器的分辨率用輸出二進制數(shù)的位數(shù)表示，位數(shù)越多，誤差越小，轉換精度越高。例如，輸入模擬電壓的變化范圍為0～5V，輸出8位二進制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V×(2－8-1)＝20mV；而輸出12位二進制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V×2－12≈1.22mV。2、相對精度A/D轉換器的基本原理

轉換速度是指A/D轉換器完成一次轉換所需的時間。轉換時間是指從接到轉換控制信號開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出信號所經(jīng)過的這段時間。3、轉換速度A/D轉換器的基本原理A/D轉換器的主要類型（1）雙積分型A/D轉換器特點：電路簡單、抗干擾能力強、精度高、速度慢。（2）逐次逼近型A/D轉換器特點：轉換速度快、分辨率高、抗干擾能力差。A/D轉換器的基本原理CLOCK:10～1280KHz9.1A/D轉換原理與接口1．ADC0809芯片簡介28只引腳ADC0809——逐次比較型模數(shù)轉換芯片分辨率為８位轉換時間１00μS

工作量程為0～＋5V功耗為15mＷ工作電壓為+5V具有鎖存控制的8路模擬開關輸出與TTL電平兼容8路模擬輸入信號——用三根地址線A,B,C選通IN0～IN7；引腳——START啟動AD轉換，CLK轉換節(jié)拍，VR參考電壓，EOC結束標志，OE輸出使能，ALE地址鎖存使能ADC0809結構:模擬開關/地址譯碼器/ADC/輸出鎖存器第8章單片機接口技術工作時序控制邏輯ALE產(chǎn)生正脈沖，鎖存ADDA、ADDB、ADDC通道選通端數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部地址譯碼，選通對應通道START端口輸入正脈沖信號，信號的上升沿清除內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)，下降沿啟動AD轉換；AD轉換啟動后，EOC從高電平變成低電平，在AD轉換過程中，EOC保持低電平，轉換結束，EOC從低變成高電平。

向OE引腳輸入正脈沖，打開三態(tài)輸出鎖存器，內(nèi)部數(shù)據(jù)輸出到D0—D7數(shù)據(jù)總線；第8章單片機接口技術實例5：用查詢法實現(xiàn)0通道信號采集，結果以16進制顯示A、B、C三個地址線均接地選通0通道ST（ALE）、EOC、OE分別接IO端口CLOCK接虛擬信號發(fā)生器（5KHz）第8章單片機接口技術2、ADC0832

ADC0832是8引腳雙列直插式雙通道A/D轉換器。5V電源供電，輸入電壓在0~5V之間，工作頻率為250KHZ，轉換時間為32μS，一般功耗僅為15mW圖8-3ADC0832引腳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（復用）。DI端使用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進行單通道轉換。當DI依次輸入為1、1時，只對CH1進行單通道轉換。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，轉換后的值VAL=0x00；而當Vi=5V時，轉換后的值VAL=0Xff,即十進制數(shù)的255。所以轉換后的輸出值（數(shù)字量D）為:

×V

式中，D為轉換后的數(shù)字量；V為輸入的模擬電壓。9.1.2ADC0809與單片機的接口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)，把采樣轉換所得的數(shù)字量按序存于片內(nèi)RAM的30H~37H單元中。采樣完一遍后停止采集。

匯編參考程序：ORG0000H;上電后程序從00000H開始LJMPSTART;轉移到主程序ORG000BH;定時器T0的中斷入口地址LJMPINTT0;轉到中斷子程序ORG0100H;主程序從0100H開始START:MOVR0,#30H;設立數(shù)據(jù)存儲區(qū)指針

MOVR2,#08H;設置8路采樣計數(shù)值

SETBIT0;設置外部中斷0為邊沿觸發(fā)方式

SETBEA;CPU開放中斷

SETBEX0;允許外部中斷0中斷

MOVDPTR,#0FEF8H;送入口地址并指向IN0LOOP:MOVX@DPTR,A;啟動A/D轉換，A的值無意義HERE:SJMPHERE;等待中斷中斷服務程序：

INTT0:MOVXA,@DPTR;讀取轉換后的數(shù)字量

MOV@R0,A;存入片內(nèi)RAM單元

INCDPTR;指向下一模擬通道

INCR0;指向下一個數(shù)據(jù)存儲單元

DJNZR2,INT;8路未轉換完，則繼續(xù)

CLREA;已轉換完，則關中斷

CLREX0;禁止外部中斷0中斷

RETI;中斷返回INT:MOVX@DPTR,A;再次啟動A/D轉換

RETI;中斷返回END用查詢方式實現(xiàn)轉換，參考程序如下：

ORG0000H;主程序入口地址

LJMPMAIN;跳轉主程序

ORG1000HMAIN:MOVR0,#30HMOVR2,#08HMOVDPTR,#0FEF8HMOVA,#00HL0:MOVX@DPTR,AL1:JBP3.3,L1;查詢/INT1是否為0MOVXA,@DPTR;/INT1為0，則轉換結束,讀出數(shù)據(jù)

MOV@R0,AINCR0INCDPTR

DJNZR2,L0SJMP$9.1.3ADC0832與單片機的接口ADC0832的讀時序

地址時鐘時序第1個CLK下降沿，DI=1，開始第2、3個CLK下降沿，DI輸入通道選擇編號第4--11個CLK下降沿，DO輸出轉換數(shù)據(jù)[例2]設圖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轉換電路（ADC0832）轉換成數(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。匯編語言數(shù)據(jù)采集串行A/D轉換參考程序：ORG0000HAJMPMAINORG0100HMAIN：MOVR7,#0AHMOVR1,#30HL1:LCALLA_D;調(diào)用將模擬信號轉換成數(shù)字信號子程序A_D

MOV@R1,AINCR1DJNZR7,L1SJMP$ENDA_D:MOVR7,#8;設循環(huán)次數(shù)SETBP3.4;置CS=1，一個轉換周期開始

CLRP1.0;為第一個脈沖作準備

CLRP3.4;CS置0，片選有效

SETBP1.1;P1.1置1，規(guī)定的起始信號

SETBP1.0;第一個脈沖

CLRP1.0;第一個脈沖的下降沿，此前P1.1必須是高電平

SETBP1.1;P1.1置1，通道選擇信號

SETBP1.0;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CH0CLRP1.0;第二個脈沖下降沿

CLRP1.1;DI置0，選擇通道0SETBP1.0;第三個脈沖

CLRP1.0;第三個脈沖下降沿SETBP1.1;第三個脈沖下降沿之后，輸入端DIO失去作用，應置1RR:SETBP1.0;第四個脈沖

CLRP1.0;第四個脈沖下降沿MOVC,P1.1;將DI輸入數(shù)據(jù)送位累加器C,高位在前RLCA；累加器A帶進位左移一位，循環(huán)8次，將轉換好的數(shù)據(jù)存在A中。DJNZR7,RRSETBP3.4;片選無效

RET;子程序返回1、DAC0832的引腳及功能DI0～DI7：8位數(shù)據(jù)輸入端。ILE：輸入數(shù)據(jù)允許鎖存，高電平有效。/CS：片選端，低電平有效。/WR1：輸入寄存器寫選通，低電平有效。/WR2：DAC寄存器寫選通，低電平有效。/XFER：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9.2D/A轉換器接口2．DAC0832邏輯結構注：/LE：1輸出跟隨輸入，0數(shù)據(jù)鎖存3、DAC0832工作方式用軟件指令控制這5個控制端：ILE、/CS、/WR1、/WR2、/XFER，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轉換；單緩沖工作方式：5個控制端一次選通，即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：5個控制端分二次選通。即兩個鎖存器都處于受控狀態(tài)。4、DAC0832單緩沖方式用DAC產(chǎn)生鋸齒波

參考電壓+5V,第一級運放輸出-5V-0V，第二級輸出0V-5V假定輸入寄存器地址為7FFFH，產(chǎn)生鋸齒波的源程序清單如下：

ORG0200HDASAW:MOVDPTR,#7FFFH;輸入寄存器地址，假定P2.7接

MOVA,#00H;轉換初值WW:MOVX@DPTR,A;D/A轉換

INCA;A中的植加1NOP;延時

NOPNOPAJMPWW;循環(huán)矩形波參考程序：BEGIN:MOVDPTR,#7FFFHLP:MOVA,#DATAH;矩形波上限

MOVX@DPTR,ALCALLDELAYH;高電平延時時間MOVA,#DATAL;矩形波下限

MOVX@DPTR,ALCALLDELAYL;低電平延時時間

SJMPLP產(chǎn)生階梯波的程序如下，階梯波如圖9-28所示。START:MOVA,#00HMOVDPTR,#7FFFH;0832的地址送DPTRMOVR1,#0AH;臺階數(shù)為10LP:MOVX@DPTR,A;送數(shù)據(jù)至0832CALLDELAY;1ms延時

DJNZR1,NEXT;不到10臺階轉移

SJMPSTART;產(chǎn)生下一個周期NEXT:ADDA,#10;臺階增幅

SJMPLP;產(chǎn)生下一臺階DELAY:MOV20H,#249;1ms延時程序AGAIN:NOPNOPDJNZ20H,AGAIN

DAC0832雙緩沖方式產(chǎn)生階梯波5．DAC0832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X軸和Y軸偏轉放大器輸入端，實現(xiàn)同步輸出，則可更新圖形顯示器的光點位置。設已知X軸信號和Y軸信號已分別存于30H、31H中。參考程序如下：DOUT:MOVDPTR,#0DFFFH;置DAC0832(1)輸入寄存器地址

MOVA,30H;取X軸信號

MOVX@DPTR,A;X軸信號→0832(1)輸入寄存器

MOVDPTR,#0BFFFH;置DAC0832(2)輸入寄存器地址

MOVA,31H;取Y軸信號

MOVX@DPTR,A;Y軸信號→0832(2)輸入寄存器

MOVDPTR,#7FFFH;置0832(1)、(2)DAC寄存器地址

MOVX@DPTR,A;同步D/A,輸出X、Y軸信號

RET9.3直流電機控制直流電動機控制匯編語言參考程序如下（設經(jīng)A/D轉換后的數(shù)據(jù)存放在tmp單元中）TMPEQU30H;偽指令定義用TMP代表30HPWMBITP3.7;偽指令定義用PWM代表P3.7DBITP3.2;偽指令定義用D代表P3.2ORG0000H;上電后程序從00000H開始，在0000H單元存放轉移指令LJMPMAIN;轉移到主程序ORG0100H;主程序從0100H開始MAIN:SETBD;方向控制端為輸入端

JBD,POS；判開關狀態(tài)，開關位為1，則正轉

AJMPNEG；開關位為0，則反轉POS:SETBPWM；正轉，PWM=1MOVA,TMP；時間常數(shù)為TMPLCALLDELAY；調(diào)用延時子程序

CLRPWM；PWM=0MOVA,#255；時間常數(shù)為255-TMPSUBBA,TMPLCALLDELAY；調(diào)用延時子程序

SJMPMAIN；無條件轉MAIN，循環(huán)NEG:CLRPWM；反轉，PWM=0MOVA,TMP；時間常數(shù)為TMPLCALLDELAY；調(diào)用延時子程序

SETBPWM；PWM=1MOVA,#255；時間常數(shù)為255-TMPSUBBA,TMPLCALLDELAY；調(diào)用延時子程序

SJMPMAIN；無條件轉MAIN，循環(huán)；延時子程序(根據(jù)A/D轉換的結果，確定延時的時間)DELAY:MOVR6,#5;設循環(huán)次數(shù)D1:DJNZR6,D1;循環(huán)等待

DJNZACC,D1;循環(huán)等待

RET;子程序返回

END9.5全自動洗衣機水量控制原理及PROTUES仿真

圖9-16電路只模擬進水控制的一小段。當按鍵S按下，啟動洗衣機工作，開始進水，D2亮。調(diào)節(jié)電位器的中間抽頭，可改變模/數(shù)轉換器ADC0832輸入電壓的大小，以此來表示進水量的多少。變化的電壓經(jīng)ADC0832轉換成相應的二進制數(shù)送給單片機，單片機對數(shù)據(jù)進行比較后，判斷是否要停止進水。如轉換的數(shù)據(jù)（或變化的電壓）超過了預設進水量的標準，則在單片機控制下停止進水（D2燈滅），并啟動電機工作（D1燈亮），電機的速度調(diào)整，參考上一節(jié)內(nèi)容，其它工序此處不再討論。讀者自己思考。

圖8-15洗衣機簡易進水控制模擬仿真電路匯編語言參考程序：ORG0000H;在0000H存放轉移指令AJMPMAIN ;轉移到主程序ORG0100H ;主程序從0100H開始MAIN：CLRP1.6;先關進水信號，D2燈滅

CLRP1.7;關電機啟動信號，D1燈滅

MOVA,#00H;累加器A清0，準備移位接收數(shù)據(jù)L1:JBP2.7,L1;判按鍵S是否按下，沒按下循環(huán)等待

LCALLdelay10ms;若按鍵S按下，調(diào)延時子程序去抖動

JBP2.7,L1;再判按鍵S是否按下，沒按下循環(huán)等待，按下順序執(zhí)行

SETBP1.6;表示開始進水，D2燈亮L2:LCALLA_D;調(diào)用將模擬信號轉換成數(shù)字信號子程序A_DCJNER0,#128,L3;判轉換的數(shù)據(jù)是否到了預設值L3:JCL2;沒到，繼續(xù)進水

CLRP1.6;到了，停止進水SETBP1.7;啟動電機開始工作

SJMPL2；A/D轉換子程序功能：將模擬信號轉換成數(shù)字信號A_D:MOVR7,#8;設循環(huán)次數(shù)SEBTP3.4;置CS=1，一個轉換周期開始

CLRP1.