学51单片机-基于PCF8591的AD采样和DA输出

Terran · 发表于 2022-10-10 10:18

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首先思考一个问题，我们的世界是数字的还是模拟的？

当然是模拟的了，所有的量都是在一定范围内连续变化的。我们为了能够更加方便的描述这些量，对它们进行了数字化。而数字量就不一样了，它是分立的的几个值。

举个例子，我们形容一个人的身高，模拟的说法是一米七到一米七五之间，数字的说法就是一米七三。

接下来说AD转换器，它的出现也是为了让我们能更方便、更直接的描述电压的高低。AD转换器，英文全称为Analog-to-Digital Converter，是模拟量到数字量的一个转换过程，主要用于电压的采集。它的出现就如同有了一把尺子，很容易就能量出电压的高低。

在电子设备中，经常要检测各种模拟量：温度、压力、速度、流量、重力加速度等等，这些模拟量都被相应的传感器转换为电压信号，我们只需要测量电压的高低，就能得到相应参数。

AD的主要参数有哪些？

1、AD的位数：表明这个AD共有2^n个刻度，8位AD，输出的刻度是0~255.

2、分辨率：就是AD能够分辨的最小的模拟量变化，假设5.10V的系统用8位的AD采样，那么它能分辨的最小电压就是5.10/255=0.02V。

3、INL：Interger NONliner 积分非线性度，表示了ADC器件在所有的数值点上对应的模拟值，和真实值之间误差最大的那一点的误差值。也就是，输出数值偏离线性最大的距离。单位是LSB（即最低位所表示的量）。比如12位ADC：TLC2543，INL值为1LSB。那么，如果基准4.095V，测某电压得的转换结果是1000，那么，真实电压值可能分布在0.999~1.001V之间。

4、DNL：Differencial NonLiner-差分非线性度，理论上说，模数器件相邻量个数据之间，模拟量的差值都是一样的。就相一把疏密均匀的尺子。但实际并不如此。一把分辨率1毫米的尺子，相邻两刻度之间也不可能都是1毫米整。那么，ADC相邻两刻度之间最大的差异就叫差分非线性值（Differencial NonLiner）。DNL值如果大于1，那么这个ADC甚至不能保证是单调的，输入电压增大，在某个点数值反而会减小。这种现象在SAR（逐位比较）型ADC中很常见。

5、基准源：有内部基准源、外部基准源等等。

6、转换速率：也就是转换周期的倒数，转换周期就是完成一次AD转换所需的时间。

今天要用到的器件是PCF8591，为什么选它？太多的开发板上用它做演示了，而且还是IIC总线通信的。既学习了AD采样，又学习了IIC总线。

先上应用电路：

如上图所示，PCF8591的9脚和10脚，一个是数据线SDA，一个是时钟线SCL。分别接到单片机的P2.0 , P2.1上面。

为什么选这两个引脚？因为51单片机上没有IIC总线接口，需要用普通的IO模拟，所以它随便选了两个IO接上就行。

VREF是什么？基准电压，也是它能测量的最大电压。

如何控制？今天先不说IIC总线，只说控制流程。

看器件手册可以知道：

分四步：

1、发送地址字节，选择该器件。

2、发送控制字节，选择相应通道。 //

3、重新发送地址字节，选择该器件。

4、接收目标通道的数据。

这次的程序流程是：AD采样，串口发送，循环执行。

下面是AD采样源代码：

/**********************51单片机学习例程************************
* 平台:Keil U4 + STC89C52
* 名称：AD采样+串口发送
* 编写：eda365
* 晶体:11.0592MHZ
******************************************************************/
#include <reg52.h>
#include <intrins.h>
typedef unsigned char uint8;
typedef unsigned int uint16;
#define SLAVEADDR 0x90 //定义器件地址
#define nops() do{_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();} while(0) //定义空指令
sbit SCL = P2^1; //I2C 时钟
sbit SDA = P2^0; //I2C 数据
void delay(uint16 n)
{
while (n--);
}
/**
* 函数: i2c_start()
* 功能: 启动i2c 起始信号
*/
void i2c_start()
{
SCL = 1;
nops();
SDA = 1;
nops();
SDA = 0;
nops();
SCL = 0;
}
/**
* 函数: i2c_stop()
* 功能: 停止i2c
*/
void i2c_stop()
{
SCL = 0;
nops();
SDA = 0;
nops();
SCL = 1;
nops();
SDA = 1;
nops();
}
/**
* 函数: i2c_ACK(bit ck)
* 功能: ck为1时发送应答信号ACK,
* ck为0时不发送ACK
*/
void i2c_ACK(bit ck)
{
if (ck)
SDA = 0;
else
SDA = 1;
nops();
SCL = 1;
nops();
SCL = 0;
nops();
SDA = 1;
nops();
}
/**
* 函数: i2c_waitACK()
* 功能: 返回为0时收到ACK
* 返回为1时没收到ACK
*/
bit i2c_waitACK()
{
SDA = 1;
nops();
SCL = 1;
nops();
if (SDA)
{
SCL = 0;
i2c_stop();
return 1;
}
else
{
SCL = 0;
return 0;
}
}
/**
* 函数: i2c_sendbyte(uint8 bt)
* 功能: 将输入的一字节数据bt发送
*/
void i2c_sendbyte(uint8 bt)
{
uint8 i;
for(i=0; i<8; i++)
{
if (bt & 0x80)
SDA = 1;
else
SDA = 0;
nops();
SCL = 1;
bt <<= 1;
nops();
SCL = 0;
}
}
/**
* 函数: i2c_recbyte( )
* 功能: 从总线上接收1字节数据
*/
uint8 i2c_recbyte()
{
uint8 dee, i;
for (i=0; i<8; i++)
{
SCL = 1;
nops();
dee <<= 1;
if (SDA)
dee = dee | 0x01;
SCL = 0;
nops();
}
return dee;
}
/**
* 函数: i2c_readbyte
* 输入: addr
* 功能: 读出一字节数据
* 返回值: 0->成功 1->失败
*/
bit i2c_readbyte(uint8 com, uint8 *dat)
{
i2c_start();
i2c_sendbyte(SLAVEADDR); //地址
if (i2c_waitACK())
return 1;
i2c_sendbyte(com); //控制字节
if (i2c_waitACK())
return 1;
i2c_start();
i2c_sendbyte(SLAVEADDR+1); //地址
if (i2c_waitACK())
return 1;
*dat = i2c_recbyte(); //读数据
i2c_ACK(0); //因为只读一字节数据，不发送ACK信号
i2c_stop();
return 0;
}
/**
* UART初始化
* 波特率：9600
*/
void uart_init(void)
{
ET1=0;
TMOD = 0x21; // 定时器1工作在方式2（自动重装）
SCON = 0x50; // 10位uart，允许串行接受
TH1 = 0xFD;
TL1 = 0xFD;
TR1 = 1;
}
/**
* UART 发送一字节
*/
void UART_Send_Byte(uint8 dat)
{
SBUF = dat;
while (TI == 0);
TI = 0;
}
main()
{
uint8 ans;
uart_init();
while(1)
{
i2c_readbyte(0x43, &ans);
UART_Send_Byte(ans);
delay(50000);
}
}
; a/ L& V( Q: `. P* t

-------------------------------------------------------------------------------------

下面介绍PCF8591的DA输出：

忽然发现，已经写到AD/DA这里来了。严格来说，已经不是51单片机的内容了，而是周边应用电路的一些东西。这些东西涉及的知识面比较广，什么都有可能提到。

关于AD/DA，或者其它设备，我的学习思路是先模仿，再深究。

因为无论是课本也好，器件手册也好，大部分讲的都是原理或者寄存器，起到的是一个工具书的作用，类似于语文课上用的字典。但是这就出现了一个问题，很多人想通过看课本或者看器件手册的方式来掌握这些设备。

这个思路有问题吗？没有问题吗？

还记得我刚才说的话么，它们就类似于语文课上用的字典，但是，有谁是通过看字典学会说话的！！！

我们都是通过模仿别人学会说话的，遇到不认识的字才去查字典！但是很多人或者很多学校都把这两件事的顺序搞反了。

记得之前我在英飞凌官网进行芯片选型，网页都翻烂了，找不到合适的。因为英飞凌不是我家开的，我不能保证每次都能顺利的找到我想要的东西。

但是，我同事参加了一次电子展，在展会上遇到了英飞凌的展台，然后问他们，他们一听我们的需求，马上找出一堆能满足我们要求的芯片。

这就是思路的问题！

扯远了，说回到DA控制。

DA转换（Digital to Analog），是将数字量变成模拟量的一个过程。AD与DA刚好是相反的两个过程，AD是把模拟信号变成单片机可识别的数字信号；DA是把单片机可识别的数字信号变成连续变化的模拟量。这两种功能的应用范围都非常广泛！

主要参数如下，具体什么意思就不讲了，大家可以百度一下。（因为我编不出来了...）

1）分辩率(Resolution)

2）转换速率(Conversion Rate)

3）量化误差 (Quantizing Error)

4）偏移误差(Offset Error)

5）满刻度误差(Full Scale Error)

6）线性度(Linearity)

其他指标还有：绝对精度(Absolute Accuracy) ，相对精度(Relative Accuracy)，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真（Total HARMonic Distotortion缩写THD）和积分非线性。

看到这么多参数，是不是很晕？

搞了这些年电子，感触最深的有一点是：无论做什么，先求有，再求好！

不要总想一口吃个胖子，没那么多天才。参数是很多，但是没要求你一下子全都记住，甚至你可以只记一两个。先把大致的应用流程跑一遍，跑下来，你才对这个设备有一个整体的概念，然后针对你的要求，比对相应的参数，进行修改、调试。

哪怕是在工作中，也不一定会考虑全部的参数。例如转换时间，我到现在也没认真看PIC内部的AD采样转换时间有多久，因为有些设备对实时性要求很低，速度慢一些也没事。

然后是控制流程，认真看器件手册的，或者看了昨天日志的，都知道是怎样一个流程：

第一步：写器件地址；

第二步：写控制位。

第三步：写入数据。

好了，上程序。通过DA输出渐变电压控制LED，形成呼吸灯的效果。里面有个警告：

*** WARNING L16: UNCALLED SEGMENT, IGNORED FOR OVERLAY PROCESS

大家可以研究下，如何消除警告。

程序源码如下：

/**********************51单片机学习例程************************
* 平台： Keil U34 + STC89C52RD
* 名称：IIC协议 PCF8591ADDA转换，此程序通过IIC协议对DAAD芯片操作, 并输出模拟量，用LED亮度渐变指示
* 编写：eda365
* 晶振:11.0592MHZ
******************************************************************/
#include<reg52.h> //包含头文件，一般情况不需要改动，头文件包含特殊功能寄存器的定义
#include <intrins.h> //包含NOP空指令函数_nop_();
#define AddWr 0x90 //写数据地址
#define AddRd 0x91 //读数据地址
sbit RST=P2^4; //关掉时钟芯片输出
sbit Sda=P2^0; //定义总线连接端口
sbit Scl=P2^1;
sbit Fm=P2^3; //FM
sbit dula=P2^6;
sbit wela=P2^7;
// bit ADFlag; //定义AD采样标志位
unsigned char code Datatab[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//7段数共阴码管段码表
data unsigned char Display[8];//定义临时存放数码管数值
/*------------------------------------------------
延时程序
------------------------------------------------*/
void mDelay(unsigned char j)
{
unsigned int i;
for(;j>0;j--)
{
for(i=0;i<125;i++)
{;}
}
}
/*------------------------------------------------
初始化定时器1
------------------------------------------------*/
void Init_Timer1(void)
{
TMOD |= 0x10;
TH1=0xff; /* Init value */
TL1=0x00;
//PT1=1; /* 优先级 */
EA=1; /* interupt enable */
ET1=1; /* enable timer1 interrupt */
TR1=1;
}
/*------------------------------------------------
启动IIC总线
------------------------------------------------*/
void Start(void)
{
Sda=1;
_nop_();
Scl=1;
_nop_();
Sda=0;
_nop_();
Scl=0;
}
/*------------------------------------------------
停止IIC总线
------------------------------------------------*/
void Stop(void)
{
Sda=0;
_nop_();
Scl=1;
_nop_();
Sda=1;
_nop_();
Scl=0;
}
/*------------------------------------------------
应答IIC总线
------------------------------------------------*/
void Ack(void)
{
Sda=0;
_nop_();
Scl=1;
_nop_();
Scl=0;
_nop_();
}
/*------------------------------------------------
发送一个字节
------------------------------------------------*/
void Send(unsigned char Data)
{
unsigned char BitCounter=8;
unsigned char temp;
do
{
temp=Data;
Scl=0;
_nop_();
if((temp&0x80)==0x80)
Sda=1;
else
Sda=0;
Scl=1;
temp=Data<<1;
Data=temp;
BitCounter--;
}
while(BitCounter);
Scl=0;
}
/*------------------------------------------------
写入DA数模转换值
------------------------------------------------*/
void DAC(unsigned char Data)
{
Start();
Send(AddWr); //写入芯片地址
Ack();
Send(0x40); //写入控制位，使能DAC输出
Ack();
Send(Data); //写数据
Ack();
Stop();
}
void fmg(void)//fm关
{
Fm=1; // 关 fm
}
void cmg(void)//数码管锁存函数关时钟DS1302
{
dula=1;
P0=0x00;
dula=0;
wela=1;
P0=0x00;
wela=0;
RST=0; // 关时钟DS1302
}
/*------------------------------------------------
主程序
------------------------------------------------*/
void main()
{
unsigned char num; //DA数模输出变量
Init_Timer1();
cmg();//数码管锁存
fmg();
while(1)
{
DAC(num); //DA输出，可以用LED模拟电压变化
num++; //累加，到256后溢出变为0，往复循环。显示在LED上亮度逐渐变化
mDelay(20); //延时用于清晰看出变化
}
}
+ J3 w& r! Y& W' q+ Q