第11章 MCS-51单片机与AD、DA接口

第第11章章 单片机与单片机与A/D、D/A接口接口11.1 MCS-51与与DAC的接口的接口11.2 MCS-51与与ADC的接口的接口11.3 MCS-51与与V/F的接口的接口1第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口第第11章单片机与章单片机与A/D、D/A转换器的接口转换器的接口主要内容：主要内容：A/D、D/A转换器及其接口技术。通过本章转换器及其接口技术。通过本章的学习，了解模拟输入的学习，了解模拟输入/输出通道设计的基本原输出通道设计的基本原理和方法，掌握常用理和方法，掌握常用A/D、D/A芯片及其与芯片及其与MCS-51单片机的接口电路与程序设计。单片机的接口电路与程序设计。重点和难点重点和难点:不同方式的不同方式的A/D、D/A芯片与芯片与MCS-51的接的接口及其程序设计。口及其程序设计。2第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口11.1 MCS-51与与D/A转换器的接口转换器的接口数/模转换就是将数字量转换成与它成正比的模拟量。例如：对于05V的直流电压，计算机用8位数字量描述述 最小值（最小值（00000000）B=0对应对应0V，最大值（最大值（11111111）B=255 对应对应 5V，中间值（中间值（01111111）B=127 对应对应2.5V 等等。等等。D/A的任务是接收到一个数字量后，给出一个相应的电压。的任务是接收到一个数字量后，给出一个相应的电压。比如收到（比如收到（00111111）B，应给出幅度为应给出幅度为1.25V 的电压。的电压。3第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口D/A转换原理转换原理权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器：转换器：电路由解码网络、模拟开关、求和放大器和基准电源组成。电路由解码网络、模拟开关、求和放大器和基准电源组成。权电阻解码网络求和集成运算 放 大 器基准参考电压双向模拟开关D1时接运放D0时接地4第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口D/A转换原理转换原理5第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口D/A转换原理转换原理设RF=R/26第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口 对于对于n n位的权电阻网络位的权电阻网络D/AD/A转换器，当反馈电阻取为转换器，当反馈电阻取为R/2R/2时，时，输出电压的计算公式可写成输出电压的计算公式可写成:输出的模拟电压正比于输入的数字量输出的模拟电压正比于输入的数字量D，从而实现了从数字从而实现了从数字量到模拟量的转换。量到模拟量的转换。7第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口D/A转换器性能指标转换器性能指标（1）分辨率：指D/A转换器能分辨的最小输出模拟增量，即相邻两个二进制码对应的输出电压之差称为D/A转换器的分辨率。（2）精度：指D/A转换器的实际输出与理论值之间的误差，它以满量程的百分数或最低有效位的分数形式表示。（3）转换时间：从D/A转换器输入的数字量发生变化开始，到其输出模拟量达到相应的稳定值所需要的时间。8第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口并行输入并行输入D/A芯片及接口技术芯片及接口技术并行输入D/A转换芯片DAC0832DAC0832是NS公司生产的DAC0830系列产品中的一种8位CMOS数模转换芯片，其特点如下：8位并行D/A转换；片内二级数据锁存，提供数据输入双缓冲、单缓冲、直通三种工作方式；电流输出型芯片(需外接运放),电流稳定时间为1s,只需在满量程下调整其线性度；单电源（+5V+15V，典型值+5V）供电；具有双缓冲控制输出；参考电压为-10+10V9第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口DAC0832结构结构10第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口DAC0832的输出电路的输出电路DAC0832的输出量是电流，而实际应用中常常需要的是模拟电压。在这种情况下，芯片的输出还需要有将电流转换为电压的电路。Vout(D/2n)VREF11第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口DAC0832的输出电路的输出电路12第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口DAC0832的输出电路的输出电路R1（R）R3（2R）R2（2R）RfbIout2Iout1AGNDDIVREFVout1+_A1Vout2+_A2I1I2I1I2013第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口DAC0832的输出电路的输出电路取R2R32R1得Vout2(2Vout1VREF)因Vout1(D/28)VREF故Vout2(D27)/27VREF设 VREF5VnDFFH255时，最大输出电压：Vmax（255128）/1285V4.96VnD00H时，最小输出电压：Vmin（0128）/1285V5VnD80H128时，一个最低有效位电压：VLSB（128128/1285V0.00V14第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口DAC0832与与89C51接口接口DAC0832可以有三种工作形式：直通、单缓冲、双缓冲。可以有三种工作形式：直通、单缓冲、双缓冲。15第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口1）单缓冲工作方式应用）单缓冲工作方式应用wDAC0832内部的两个数据缓冲器有一个处于直内部的两个数据缓冲器有一个处于直通方式，另一个处于受控的锁存方式。通方式，另一个处于受控的锁存方式。16第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口 产生锯齿波的程序产生锯齿波的程序MOVR0，#0FEHMOVA，#00HLOOP:MOVXR0，AINC ANOPNOPSJMPLOOP；1/282/283/28254/28255/28017第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口 产生方波的程序产生方波的程序MOV R0，#0FEHLOOP:MOVA，#DATA1MOVXR0，AACALLDELAY1MOV A，#DATA2MOVXR0，AACALLDELAY2AJMPLOOP18第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口2）双缓冲工作方式应用双缓冲工作方式应用 在多路D/A转换的情况下，若要求同步转换输出，必须采用双缓冲方式。DAC0832采用双缓冲方式时，数字量的输入锁存和D/A转换输出是分两步进行的。第一，CPU分时向各路D/A转换器输入要转换的数字量并锁存在各自的输入寄存器中。第二，CPU对所有的D/A转换器发出控制信号，使各路输入寄存器中的数据进入DAC寄存器，实现同步转换输出。19第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口2）双缓冲工作方式应用）双缓冲工作方式应用20第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口2）双缓冲工作方式应用）双缓冲工作方式应用MOVDPTR，#0DFFFHMOVA，#data1MOVXDPTR，AMOVDPTR，#7FFFHMOVA，#data2MOVXDPTR，AMOVDPTR，#0BFFFHMOVXDPTR，A21第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口11.2 A/D转换器及接口技术转换器及接口技术 计算机只能储存和处理二进制形式的数字量，凡遇到有模拟量的地方，就要进行模拟量向数字量转换，这就是模/数转换问题。将模拟量转换成数字量的过程称为A/D转换，与之有关的接口技术称为前向通道接口技术。因为在单片机应用系统中，常需要将检测到的连续变化的模拟量如温度、压力、流量、速度等转换成数字信号，才能输入到单片机中进行处理，然后再将处理结果的数字量转换成模拟量输出，实现对被控对象的控制。22第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口23第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口A/D转换原理转换原理逐次逼近型A/D转换器，在精度、速度和价格上都适中，是最常用的转换器件。24第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口A/D转换原理转换原理双积分A/D转换器，具有精度高、抗干扰性好、价格低廉等优点，但转换速度低。25第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口26第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口A/DA/D转换器的性能指标转换器的性能指标(1)(1)转换时间和转换速率转换时间和转换速率 A/DA/D完成一次转换所需要的时间。转换时间完成一次转换所需要的时间。转换时间的倒数为转换速率。的倒数为转换速率。并行式并行式转换时间最短约为转换时间最短约为1 110ns10ns，速率为速率为1001001000M1000M次次/s/s（1M=101M=106 6）；）；逐次比较式逐次比较式转换时转换时间约为间约为0.40.4 s s，速率为速率为2.5M2.5M次次/s/s。27第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口A/DA/D转换器的性能指标转换器的性能指标(2)(2)分辨率分辨率 习惯用输出二进制位数或习惯用输出二进制位数或BCDBCD码位数表示。码位数表示。例如例如AD574 A/DAD574 A/D转换器，输出二进制转换器，输出二进制1212位，即用位，即用2 21212个数进行量化，其分辨率为个数进行量化，其分辨率为1LSB1LSB，用百分数表用百分数表示示1/21/21212=0.24=0.24。又如又如双积分式输出双积分式输出BCD BCD 码的码的A/DA/D转换器转换器MC14433,MC14433,其分辨率为三位半。若满字位为其分辨率为三位半。若满字位为19991999，用百分数表示其分辨率为用百分数表示其分辨率为1/1999100%=0.05%1/1999100%=0.05%。28第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口A/DA/D转换器的性能指标转换器的性能指标（3 3）转换精度）转换精度 定义为一个实际定义为一个实际ADCADC与一个理想与一个理想ADCADC在量化值上的在量化值上的差值。可用绝对误差或相对误差表示。差值。可用绝对误差或相对误差表示。29第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口A/D转换器的选择转换器的选择（1 1）A/DA/D转换器位数的确定转换器位数的确定 系统总精度涉及的环节较多系统总精度涉及的环节较多：传感器变换精度、传感器变换精度、信号预处理电路精度和信号预处理电路精度和A/DA/D转换器及输出电路、控转换器及输出电路、控制机构精度，还包括软件控制算法。制机构精度，还包括软件控制算法。A/DA/D转换器的位数至少要比系统总精度要求的转换器的位数至少要比系统总精度要求的最低分辨率高最低分辨率高1 1位，位，位数应与其他环节所能达到的位数应与其他环节所能达到的精度相适应。只要不低于它们就行，太高无意义，精度相适应。只要不低于它们就行，太高无意义，且价高。且价高。30第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口A/D转换器的选择转换器的选择（2 2）A/DA/D转换器转换速率的确定转换器转换速率的确定 从启动转换到转换结束，输出稳定的数字量，需要一从启动转换到转换结束，输出稳定的数字量，需要一定的时间，这就是定的时间，这就是A/DA/D转换器的转换时间转换器的转换时间。低速：低速：转换时间从几转换时间从几msms到几十到几十m ms s。中速：中速：逐次比较型的逐次比较型的A/DA/D转换器的转换时间可从几转换器的转换时间可从几 s s 100100 s s左右。左右。高速：高速：转换时间仅转换时间仅1 110ns10ns。适用于雷达、数字通讯、适用于雷达、数字通讯、实时光谱分析、实时瞬态纪录、视频数字转换实时光谱分析、实时瞬态纪录、视频数字转换 系统等。系统等。31第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口A/D转换器的选择转换器的选择（2 2）A/DA/D转换器转换速率的确定转换器转换速率的确定 如用转换时间为如用转换时间为100100 s s的集成的集成A/DA/D转换器，其转换速转换器，其转换速率为率为1010千次千次/秒。根据采样定理和实际需要，一个周期的秒。根据采样定理和实际需要，一个周期的波形需采波形需采1010个点，最高也只能处理个点，最高也只能处理1kHz1kHz的信号。把转换时的信号。把转换时间减小到间减小到1010 s s，信号频率可提高到信号频率可提高到10kHz10kHz。（3 3）是否加采样保持器）是否加采样保持器 直流和变化非常缓慢的信号可不用采样保持器。其他直流和变化非常缓慢的信号可不用采样保持器。其他情况都要加采样保持器。情况都要加采样保持器。32第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口A/D转换器的选择转换器的选择（4 4）工作电压和基准电压）工作电压和基准电压 选择使用单一选择使用单一+5V+5V工作电压的芯片，与单片机工作电压的芯片，与单片机系统共用一个电源就比较方便。系统共用一个电源就比较方便。33第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口逐次逼近式A/D转换器ADC0809ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道、8位逐次逼近式A/D转换器。34第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口ADC0809 A/D转换器芯片转换器芯片35第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口ADC0809与与MCS-51单片机接口单片机接口 ADC0809ADC0809与与MCS-51MCS-51连接可采用查询方式，也可采连接可采用查询方式，也可采用中断方式。用中断方式。首先用指令选择首先用指令选择08090809的一个模拟输入通道，当执的一个模拟输入通道，当执行行MOVX DPTRMOVX DPTR，A A时，单片机的时，单片机的WRWR*信号有效，产生一信号有效，产生一个启动信号给个启动信号给08090809的的 STARTSTART脚，对选中通道转换。脚，对选中通道转换。转换结束后，转换结束后，08090809发出转换结束发出转换结束EOCEOC信号，该信号信号，该信号可供查询，也可作为向单片机发出的中断请求信号可供查询，也可作为向单片机发出的中断请求信号;当当执行指令：执行指令：MOVX AMOVX A，DPTRDPTR，单片机发出单片机发出RDRD*信号信号,加到加到OEOE端高电平，把转换完毕的数字量读到端高电平，把转换完毕的数字量读到A A中。中。36第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口ADC0809与与MCS-51单片机接口单片机接口37第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口MAIN:MOV R1，#data ;置数据区首地址置数据区首地址 MOV DPTR，#7FF8H ;指向通道指向通道IN0MOV R7，#08H;置转换的通道个数置转换的通道个数LOOP:MOVX DPTR，A ;启动启动A/D转换转换MOV R6，#0AH;软件延时，等待转换结束软件延时，等待转换结束DELAY:NOPNOPNOPDJNZ R6，DELAYMOVXA，DPTR;读取转换结果读取转换结果MOV R1，A;存储转换结果存储转换结果INCDPTR;指向下一个通道指向下一个通道INCR1;修改数据区指针修改数据区指针DJNZ R7，LOOP;8个通道全采样完否？未完则继续个通道全采样完否？未完则继续38第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口8路巡回检测系统路巡回检测系统【例】某粮库或某冷冻厂需对8点(8个冷冻室或8个粮仓)进行温度巡回检测。要求设计一个单片机巡回检测系统，使其能对各冷冻室或各粮仓的温度巡回检测并加以处理。设被测温度范围为-30+50，温度检测精度要求误差不大于1。将读数依次存放在片外数据存储器30H37H单元。其采集程序和中断服务程序如下：39第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口8路巡回检测系统路巡回检测系统ORG0000HLJMPMAINORG0003HLJMPINT0FORG0100HMAIN：MOVR0,#30H；数据暂存区首址SETBIT0；脉冲触发方式SETBEA；开中断SETBEX0MOVDPTR，#7FF8H；指向0809首地址MOVXDPTR，A；启动A/D转换HERE：SJMPHERE；等待中断40第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口8路巡回检测系统路巡回检测系统中断服务程序：INT0F:MOVXA，DPTR；读数MOVXR0，A；存数INC DPTR；更新通道INC R0；更新暂存单元CJNER0，#38H，NEXTMOVR0，#30H；数据暂存区首址MOVDPTR，#7FF8H；指向0809首地址RETINEXT:MOVXDPTR，ARETIEND41第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口串行输出A/D转换器 串行输出的A/D芯片由于节省单片机的I/O口线，越来越多地被采用。如具有SPI三线接口的TLC1549、TLC1543、TLC2543、MAX187等，具有I2C接口PCF8591（4路8位A/D，还含1路8位D/A)等。42第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口串行串行A/D MAX187/189MAX187/189是MAXIM公司生产的具有SPI（SerialPeripheralInterface）总线接口的12位逐次逼近式（SAR）A/D转换芯片。特点如下：12位逐次逼近式（SAR）串行A/D转换芯片；转换速度为75kHz，转换时间为8.5s；输入模拟电压：05V；单一+5V供电；DIP8引脚封装，外接元件简单，使用方便。MAX187与MAX189的区别在于：MAX187具有内部基准，无需外部提供基准电压，MAX189则需外接电压基准。43第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口串行串行A/D MAX187/18944第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口MAX187/189与单片机接口 当CS输入低电平时，启动A/D转换，此时DOUT引脚输出低电平，当DOUT输出变高电平时，说明转换结束（在转换期间，SCLK不允许送入脉冲）。从SCLK引脚输入读出脉冲，SCLK每输入一个脉冲，DOUT引脚上输出一位数据，数据输出的顺序为先高位后低位，在SCLK信号的下降沿，数据改变，在SCLK的上升沿，数据稳定。SCLK信号为高电平期间从DOUT引脚上读数据。45第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口MAX187/189与单片机接口工作流程：工作流程：清P1.7，启动MAX187开始A/D转换；读P1.5，等待转换结束；当P1.5变高，转换结束；从P1.6引脚发串行脉冲，从P1.5引脚逐位读取数据。注意：注意：由于由于MCS-51单片机外接晶振最大不超过12MHz，即便是执行一条单周期指令也需1s，所以发送SCLK时无需延时。46第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口MAX187/189与单片机接口 HIGHEQU31HLOWEQU30HORG1000HSTART:MOVHIGH,#00MOVLOW,#00;将转换结果单元清除CLRP1.6CLRP1.7;启动A/D转换JNBP1.5,$;等待转换结束例题例题 如图上页图所示的MAX187与MCS-51连接的电路图，将MAX187转换结果存入31H、30H单元，右对齐，31H存高位（高4位补0）。47第第11章章 MCS-51单片机与单片机与AD、DA转换器接口转换器接口SETBP1.6;SCLK上升沿MOVR7,#12;置循环初值12LP:CPLP1.6;发SCLK脉冲JNBP1.6,LP;等待SCLK变高MOVC,P1.5;将数据取到CMOVA,LOWRLCAMOVLOW,AMOVA,HIGHRLCAMOVHIGH,A;取到的数据位移入结果保存单元DJNZR7,LPSETBP1.7;结束RETEND48