单片技术实践 10

工作模块9：A/D与D/A转换器使用在一些监测系统中，需要通过各种传感器采集信号，包括温度信号、电压信号、电流信号、水压信号等连续信号，即模拟信号。如图所示的监测系统主要通过5种类型的温度传感器感应温度，在这样的系统中，模拟信号和数字信号之间的转换是必须的。工作情境导入图

监测系统框架工作模块9：内容图谱任务实施

任务描述执行思路

实施过程

程序解读

任务小结扩展任务任务9电压监测仪的设计与实现任务实施任务描述

某电子科技有限公司要开发一套电力设备监测系统，系统框图如图所示。其中一个模块用于电压监测，请设计该电压监测模块，使其能够实时采集0～5V连续可变的模拟电压信号，在检测仪上通过数码管实时显示该值，并完成电路原理图的设计，编写程序并仿真功能。电压值保留两位小数，待测电压通过调节电位器来模拟。初级能力：实现单片机对模拟信号的采集。高级能力：对采集的信号进行A/D转换分析。任务实施执行思路电压信号是模拟信号，通过调节电位器来模拟0～5V连续可变的电压，使用一款A/D芯片采集电压信号并转换成数字信号，单片机读取数字信号并在数码管上显示。

单片机MCU数码管显示模块时钟电路复位电路电源电路待测电压A/D转换模块

任务9

A/D与D/A转换器使用任务实施

实施过程任务9A/D与D/A转换器使用

电压检测仪的电路原理图：任务9A/D与D/A转换器使用

电压检测仪的电路原理图：序号元器件名称元器件型号元器件参数1排阻Respack-810kΩ2数码管7SEG-MPX8-CC-BLUE共阴极数码管3A/D芯片PCF8591

4锁存器74HC573仿真电路元器件明细知识链接

9.1

模数/数模转换器（AD/DA）简介

9.2PCF8591转换器的电路设计9.3I2C总线通信原理及时序9.4PCF8591的I2C编程实现任务9A/D与D/A转换器使用

LCD1602主要技术参数DDRAM地址设置

在单片机测控系统中，被测量的温度、压力、流量、速度等非电物理量，须先经传感器转换模拟电信号，再转换成数字量后才能在单片机中用软件进行相关处理。模拟量转换成数字量的器件为A/D转换器（ADC）。单片机处理完毕的数字量，有时需转换为模拟信号输出。该器件称为D/A转换器（DAC）。9.1

模数/数模转换器（AD/DA）简介9.1

模数/数模转换器（AD/DA）简介（二）A/D转换器的主要性能指标（1）分辨率。在A/D转换器中，分辨率是指可分辨的最小输入模拟电压，为满量程输入电压与2n的比值（n为A/D输出的二进制位数）。例1：12位A/D转换器AD1674，满量程输入电压为5V，分辨率为12位，能分辨出输入电压为5V/2^12=1.22mV的变化；

例2：8位A/D转换器ADC0809，满量程输入电压为5V，分辨率为8位，能分辨出输入电压为5V/2^8=19.53mV的变化。（2）转换时间和转换速率。转换时间是指A/D转换器完成一次转换所需要的时间。转换时间的倒数为转换速率。根据奈奎斯特采样定理，当采样频率大于所采样模拟信号最高频率的两倍时，信号才不会发生混叠失真。实际使用时，为了更加逼真地恢复原始模拟信号，建议A/D采样频率为信号最高频率的5～10倍。9.1

模数/数模转换器（AD/DA）简介（3）转换精度。A/D转换器的转换精度为一个实际A/D转换器与一个理想A/D转换器在量化值上的差值，可用绝对误差或相对误差表示。绝对误差指A/D转换器在任何数值对应的实际电压与理想电压值之差的最大值。相对误差是绝对误差与满刻度电压值之比。9.1

模数/数模转换器（AD/DA）简介（4）线性度。A/D转换器实际的转换数值与理想直线的最大误差。在测控系统中，传感器和A/D转换器的线性度共同决定整个系统的线性度。A/D转换器的线性度如图所示。9.1

模数/数模转换器（AD/DA）简介（三）A/D转换器的主要分类A/D转换器的种类有很多，分类方法多样。（1）按照转换原理划分，主要有逐次比较型转换器、∑-Δ型转换器、双积分型转换器、并行/串行比较型转换器以及压频变换型转换器等，其中，逐次比较型转换器较为常用。（2）按照输出数字量的有效位数划分，主要有8位、10位、12位、14位、16位并行输出等，表示A/D转换器的分辨率。

9.1

模数/数模转换器（AD/DA）简介（三）A/D转换器的主要分类（3）按照转化速度划分，主要有超高速转换器（转换速度≤1ns）、高速转换器（转换速度≤20us）、中速转换器（转换速度≤1ms）、低速转换器（转换速度≤1s）等。

除并行输出的A/D转换器外，随着单片机串行扩展技术的发展，串行接口的A/D转换器的应用越来越广泛，较为典型的有基于SPI串行接口的ADS7950、ADS1118、ADS7952、TLC1549（10位）以及I2C串行接口的PCF8591等。PCF8591的采样速率取决于I2C总线的采样速率，本任务即通过PCF8591来实现数据采集。

9.1模数/数模转换器（AD/DA）简介（一）PCF8591概述及引脚PCF8591是具有I2C总线接口的8位AD/DA转换器，9.2PCF8591转换器的电路设计

单电源、低功耗的8位CMOS数据获取器件，具有4路A/D输入AIN0-AIN3，一个D/A模拟输出AOUT和一个串行I2C总线接口。

PCF8591的器件地址、控制信号和数据等信息均通过两条I2C总线SCL、SDA实现传输。9.2PCF8591转换器的电路设计PCF8591的引脚说明引脚标识引脚标号说明AIN01模拟信号输入端，用于模拟信号向数字信号的转换模式AIN12AIN23AIN34A05硬件地址A16A27VSS8电源负SDA9I2C总线的数据输入/输出引脚SCL10I2C总线的输入时钟引脚OSC11外部时钟输入和内部时钟输出端，不用时可以悬空EXT12内部、外部时钟选择线，使用内部时钟时EXT接地AGND13模拟信号地VREF14参考电压输入端AOUT15模拟输出。用于D/A转换VDD16电源正，范围为2.5～6V（二）PCF8591内部结构及转换原理9.2PCF8591转换器的电路设计PCF8591逻辑框图本次任务中

PCF8591是逐次逼近型转换器，主要由比较器、逐次逼近型寄存器SAR和D/A转换器组成。（二）PCF8591内部结构及转换原理9.2PCF8591转换器的电路设计逐次逼近型A/D转换器结构示意图

模数转换过程是从高位到低位逐位比较，首先将逐次逼近型寄存器各位清零；

转换开始后，先将寄存器最高位置1，把值送入D/A转换器，经D/A转换后的模拟量送入比较器，称为Vo，与比较器的待转换的模拟量Vi比较，若Vo<Vi，该位被保留，否则被清零；

然后置寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的Vo再与Vi比较，若Vo<Vi，该位被保留，否则被清零。（三）PCF8591与单片机的接口电路设计9.2PCF8591转换器的电路设计

PCF8591与单片机的接口电路

输入A/D模拟通道AIN0（AIN1-AIN3备用）；器件地址A0～A3接地，用于设置器件地址。

SCL、SDA是器件时钟信号线和数据信号线，接单片机的P17和P12引脚（可以接单片机任意并行I/O口），但必须外接上拉电阻；

OSC引脚悬空，EXT接地，选用内部时钟；VREF和VDD接电源5V。（一）I2C总线通信简介三、I2C总线通信原理及时序I2C总线是一种二线制串行总线，由SDA数据线和SCL时钟线构成，主要用于电路板内部器件之间的信息传送。I2C总线的优点如下三、I2C总线通信原理及时序

（1）I2C总线接口线少，只有2跟线；I2C器件引脚数少，器件封装形式小；总线系统结构简单。

（2）传输速率较高：标准模式传输速率100kbit/s，快速模式400kbit/s；高速模式3.4Mbit/s。

（3）支持主从和多主两种工作方式，且可靠性和抗干扰性能较好。任务9-1中采用的是主从工作方式的通信系统，即系统中只有一个主机（即单片机）。（二）I2C总线通信时序三、I2C总线通信原理及时序

1.I2C总线整体通信时序

所有数据的传输都是以起始信号START开始，终止信号STOP结束；开始信号之后以字节为传输单位，每次传输字节数没有限制，但每字节必须是8位长度。在字节传输过程中，先传最高位，最后传最低位，而且在每字节最低位后面都要跟随一位应答信号ACK，即第9位数据。2.起始信号时序三、I2C总线通信原理及时序

在I2C通信协议中，规定当时钟线SCL高电平时，数据线SDA从高电平向低电平切换，定义为起始信号；而且SDA高电平期间至少要维持4.7μs以上；SDA降低后，也要维持4μs以上的低电平，SCL时钟信号才能降低。3.终止信号时序三、I2C总线通信原理及时序

在I2C通信协议中，规定当时钟线SCL在高电平时，数据线SDA由低电平向高电平切换，定义为终止信号。同样，SDA至少要维持4μs以上低电平才能变高；变高后，SDA也要维持4.7μs以上高电平才能降低。4.数据位传输时序三、I2C总线通信原理及时序

I2C总线在传输数据时是一位一位传输的，每位数据必须有一个时钟脉冲，如图所示。数据传输时，SDA上的数据必须在时钟信号的高电平保持稳定，允许在时钟信号的低电平改变。5.应答和非应答时序三、I2C总线通信原理及时序

发送器时序非应答主机时钟信号应答起始位接收器时序应答期间时钟信号

相关的应答时钟脉冲（即第9个时钟脉冲）由主机产生。在应答时钟脉冲期间，发送器首先释放SDA线（即高电平），接着接收器将SDA线拉低，且在时钟脉冲的高电平期间保持稳定的低电平，从而产生应答信号。当从机接收器不能响应从机地址（例如它正在执行实时函数，不能接收或发送）或者从机接收器响应了从机地址但是在传输了一段时间后不能接收更多数据字节时，从机必须使数据线在第9个时钟脉冲高电平期间保持高电平，如图所示为非应答信号。5.应答和非应答时序三、I2C总线通信原理及时序

应答信号和非应答信号的时序如图所示。在应答时钟脉冲SCL的高电平期间，数据线SDA保持稳定的低电平，至少4μs以上为应答信号；若在应答时钟脉冲SCL的高电平期间，数据线SDA保持稳定的高电平不变，也至少保持4μs以上，即为非应答信号。四、PCF8591的I2C编程实现（二）PCF8591控制寄存器

D6：用于设置允许模拟输出，在D/A转换时使用。A/D转换时，模拟输出允许设为0。D5、D4：用于设置模拟量输入方式，可以设为单端输入或差分输入。D2：自动增量标志位，如果设置1，则每次A/D转换后通道号将自动加1。D1、D0：用于模拟输入通道的选择。例如：00为选择通道0。D3和D7系统自己保留使用，必须设置为0。四、PCF8591的I2C编程实现（二）PCF8591器件总地址PCF8591器件地址的高4位D7～D4为固定部分（1001），这是在生产时规定的；低3位D3～D1为可编程部分，由引脚A0、A1、A2设置，这里设为000；地址字节的最低位D0用来设置数据传输方向的读/写位，写为0，读为1。四、PCF8591的I2C编程实现（三）PCF8591软件编写流程PCF8591读取采集数据的具体步骤如下：（1）主机发出开始信号。（2）主机发送器件写地址，选择该器件。（3）发送控制字节，选择相应输入方式及输入通道等信息。（4）重新发送器件地址字节（此时为读地址），并选择该器件。（5）接收目标通道的采集数据。（6）不发送应答信号，发送停止信号，结束数据传输。任务9电压监测仪的设计与实现参考程序任务9电压监测仪的设计与实现参考程序任务9电压监测仪的设计与实现参考程序任务9电压监测仪的设计与实现参考程序任务9电压监测仪的设计与实现参考程序任务9电压监测仪的设计与实现参考程序任务9电压监测仪的设计与实现参考程序任务9电压监测仪的设计与实现参考程序任务实施

程序解读（1）P0=table[ch1]+0x80;要在数字后面显示小数点，小数点dp位对应的是字节的最高位，即10000000对应的十六进制数是0x80。（2）voltage100=(data_ad*5.0/256)*100;

PCF8591是8位A/D转换器，8位的权是256，分辨率是5V/256（5V是电位器的量程），乘以data_ad的结果是对应的电压值，电压值范围是0～5V。为了转化成3位数码管显示的数值，将结果乘以100（放大100倍），转化成整数。

任务实施

程序解读（3）volt1=voltage100/100; volt2=voltage100/10%10; volt3=voltage100%10;这3条语句用于数码管拆位显示。任务实施

任务小结通过学习本任务，应理解PCF8591中AD/DA转换的原理；能够编写PCF8591的I2C时序程序，包括起始信号、停止信号、应答信号、写字节、读字节等应用函数；能够编写拆分数字的程序，适应数码管显示。内容梳理与总结通过对本工作模块的学习和动手实践，同学们应能够完成电压监测模块的设计，需要掌握的知识点如下：（1）A/D与D/A转换的工作原理。（2）PCF8591与单片机连接的硬件电路设计。（3）PCF8591采集程序的编写。思考与练习一、填空题1.A/D转换器的作用是将______转为_______，D/A转换器的作用是将____转为______。2.A/D与D/A转换器的重要指标是_______、______、___________、____________。3.若8位D/A转换器的输出满刻度电压为+5V，则该D/A转换器能分辨的最小电压