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逐次逼近式AD转换器

这是一个基本原理图

首先，内部产生一个参考电压Vref，然后与要进行测量的电压Vin进行比较，如果Vref<=Vin，就产生一个“1”信号（否则产生“0”信号），并存储到N位寄存器的最高位，然重新生成参考电压信号Vref = Vref+0.5Vref，（如果前面产生的是“0”信号，则新的参考电压Vref = 0.5Vref），再与Vin比较，将比较结果（“0”或“1”存到寄存器的下一位），循环往复，直到N位寄存器全部存满数据，最后通过锁存器输出转化后的数字信号。

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比如：Vin = 3.75V, Vref = 2.5V

  1. Vref=2.5 < 3.75，因此寄存器最高位存储数据1，然后重新生成Vref = 2.5+0.5*2.5 = 3.75
  2. 此时Vref=3.75 == Vin, 返回比较结果1， 存储下来， 然后重新生成Vref = 3.75+3.75*0.5 = 5.6
  3. 此时Vref=5.6 > Vin，返回比较结果0，存储下来。。。。。
  4. 最后结果是：1100 0000

PCF8591模块

简介

PCF8591 是单电源，低功耗8 位CMOS 数据采集器件，具有4 个模拟输入、一个输出和一个串行 I2C 总线接口；

3个地址引脚A0、A1 和 A2 用于编程硬件地址，允许将最多8个器件连接至I2C总线而不需要额外硬件；

PCF8591由于其使用的简单方便和集成度高，在单片机应用系统中得到了广泛的应用。

特点：

  1. 单电源供电

  2. 工作电压：2.5 V ~ 6 V

  3. I2C总线串行输入/输出

  4. 通过3个硬件地址引脚编址

  5. 采样速率取决于 I2C 总线传输速率决定

  6. 4个模拟输入可编程为单端或差分输入

  7. 自动增量通道选择

  8. 8位逐次比较型 A/D 转换

管脚定义：

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  1. AIN0~AIN3：模拟量输入通道
  2. AOUT：模拟输出通道
  3. A0~A2：硬件设备地址
  4. VDD：电源正极
  5. VSS：电源负极
  6. VREF：参考电压输入。
  7. EXT：振荡器输入时，内部/外部的切换开关。
  8. OSC：振荡器输入/输出。
  9. SCL：I2C BUS时钟输入。
  10. SDA：I2C BUS 数据输入/输出。
  11. AGND：模拟地，模拟信号和基准电源的参考地

开发板中的PCF8591接线：

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PCF8591地址

I2C 总线系统中的每一片PCF8591 通过发送有效地址到该器件来激活。该地址包括固定部分和可编程部分

可编程部分必须根据地址引脚A0、A1 和 A2 来设置，因此I2C系统中最多可接8个PCF8591

在I2C 总线协议中地址必须是起始条件后作为第一个字节发送。

地址字节的最后一位是用于设置以后数据传输方向的读/写位（1为读操作，0为写操作）

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PCF8591控制字节

发送到 PCF8591 的第二个字节将被存储在控制寄存器，用于控制器件功能。

控制寄存器的高半字节用于允许模拟输出，以及可以将模拟输入编程为单端或差分输入。

低半字节选择一个由高半字节定义的模拟输入通道。如果自动增量（auto-increment）标志置1，每次A/D 转换后通道号将自动增加。

例子

(一)

利用I2C通信，PCF8591模数/数模转换，读取通道2电位器模拟量，通过数码管显示

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/*********************************************************************************
* 【作    者】：	清翔电子:向量
* 【版    本】：	V1.0
* 【网    站】：	http://www.qxmcu.com/ 
* 【淘宝店铺】：	http://qxmcu.taobao.com/
* 【实验平台】：	清翔 QX-MCS51 单片机开发板
* 【外部晶振】： 	11.0592mhz	
* 【主控芯片】： 	STC89C52
* 【编译环境】： 	Keil μVisio4	
* 【程序功能】： 	I2C通信，PCF8591模数/数模转换，读取通道2电位器模拟量，数码管
					显示。		   			            			    
* 【使用说明】： 	用手转动AD旁边的电位器头，数码管数值会随之变化。
**********************************************************************************/
#include <reg52.h>
#include <intrins.h>

#define PCF8591ADDR 0X90  //PCF8591地址
#define	I2cRead 1		  //I2C读方向位
#define	I2cWrite 0		  //I2C写方向位
#define	CH0 0			  //AD通道0
#define	CH1	1			  //AD通道1
#define	CH2	2			  //AD通道2
#define	CH3	3			  //AD通道3
#define	DAout	0x40	  //DA输出命令

#define MAIN_Fosc		11059200UL	//宏定义主时钟HZ
/*====================================
使用typedef给已有数据类型取别名
====================================*/
typedef unsigned char INT8U;
typedef unsigned char uchar;
typedef unsigned char u8;

typedef unsigned int INT16U;
typedef unsigned int uint;
typedef unsigned int u16;


sbit DU = P2^6;//数码管段选
sbit WE = P2^7;//数码管段选
sbit SCL = P2^1; //I2C时钟总线
sbit SDA = P2^0; //I2C数据总线
uint num;//数码管显示的值
bit AckFlag;//应答标志位

//共阴数码管段选表0-9
uchar code SMGduan[]= {0x3F, 0x06, 0x5B, 0x4F, 0x66, 0x6D, 0x7D, 0x07, 0x7F, 0x6F,};

//数码管位选码      //第1位	2位	  3位	 4位   5位	6位	  7位	8位 
uchar code SMGwei[] = {0xfe, 0xfd, 0xfb, 0xf7, 0xef, 0xdf, 0xbf, 0x7f};//数码管位码

/*====================================
函数名	：void delay(INT16U ms)
参数	：ms，毫秒延时形参
返回值	：无
描述	：12T 51单片机自适应主时钟毫秒级延时函数
====================================*/
void delay(INT16U ms)
{
     INT16U i;
	 do{
	      i = MAIN_Fosc / 96000; 
		  while(--i);   //96T per loop
     }while(--ms);
}
/*====================================
函数	：void delay5us()
参数	：无
返回值	：无
描述	：12T 51单片机5微秒延时函数自适应时钟
====================================*/
void delay5us()
{
	#if MAIN_Fosc == 11059200
		_nop_();
	#elif MAIN_Fosc == 12000000
		_nop_();
	#elif MAIN_Fosc == 22118400
		_nop_(); _nop_(); _nop_();
	#endif
}

/*====================================
函数	：display(uchar i)
参数	：i 显示变量取值0-65535 
返回值	：无
描述	：数码管动态显示函数第一位显示小数点
====================================*/
//void display(uint i)
//{
//	static uchar wei;
//	 		
//	P0 = 0XFF;//清除断码
//	WE = 1;//打开位选锁存器
//	P0 = SMGwei[wei];
//	WE = 0;//锁存位选数据
//
//	switch(wei)
//	{
//		case 0: DU = 1; P0 = SMGduan[i / 1000] | 0x80; 	DU = 0; break;//千位显示小数点
//		case 1: DU = 1; P0 = SMGduan[i % 1000 / 100]; 	DU = 0; break;//显示百位
//		case 2: DU = 1; P0 = SMGduan[i % 100 / 10]; 	DU = 0; break;//显示十位	
//		case 3: DU = 1; P0 = SMGduan[i % 10]; 			DU = 0; break;//显示个位		
//	}
//	wei++;
//	if(wei == 4)
//		wei = 0;
//}

/*====================================
函数：display(INT16U Value)
参数：Value,显示值 取值0-65535
描述：共阴极数码管显示函数可显示一个字节的数
====================================*/
void display(INT16U Value)			//注意由于需要显示的数大于一个字节所有形参需为int型
{	
//------------------------------
	DU = 0;							//关闭段选
	P0 = SMGduan[Value/1000]|0x80;	//数码管显示千位
	DU = 1;							//打开段选
	DU = 0;							//关闭段选

	WE = 0;						//关闭位选
	P0 = SMGwei[0];				   //第一位数码管
	WE = 1;						//打开位选
	WE = 0;						//关闭位选
	delay(3);
//-------------------------------
	DU = 0;
	P0 = SMGduan[Value%1000/100]; //显示百位
	DU = 1;
	DU = 0;

	WE = 0;
	P0 = SMGwei[1];			  //第二位数码管
	WE = 1;
	WE = 0;
	delay(3);
//-------------------------------
	DU = 0;
	P0 = SMGduan[Value%100/10];		//显示十位
	DU = 1;
	DU = 0;

	WE = 0;
	P0 = SMGwei[2];				//第三位数码管
	WE = 1;
	WE = 0;
	delay(3);
//-------------------------------
	DU = 0;
	P0 = SMGduan[Value%10];		//显示个位
	DU = 1;
	DU = 0;

	WE = 0;
	P0 = SMGwei[3];				//第四位数码管
	WE = 1;
	WE = 0;
	delay(3);
}

/****************************************************
IIC通信代码
****************************************************/

/*====================================
函数	：I2cStart()
参数	：无
返回值	：无
描述	：I2C总线起始信号
====================================*/
void I2cStart()
{
//时钟总线为高电平期间数据总线又高变低产生起始型号
	SCL = 1; 
	SDA = 1;
	delay5us();//状态保持5us
	SDA = 0;
	delay5us();//状态保持5us 
}

/*====================================
函数	：I2cStop()
参数	：无
返回值	：无
描述	：I2C总线停止信号
====================================*/
void I2cStop()
{
//时钟总线为高电平期间，数据总线从高变低产生终止信号
	SCL = 0;
	SDA = 0;
	SCL = 1;
	delay5us();//状态保持5us
	SDA = 1;
	delay5us();//状态保持5us	
}

/*====================================
函数	：ReadACK()
参数	：无
返回值	：1非应答，0应答
描述	：I2C总线读从机应答信号
====================================*/
bit ReadACK()
{
	SCL = 0;//拉低时钟总线，允许从机控制SDA
	SCL = 1;//拉高，读SDA
	delay5us();
	if(SDA)//NOACK
	{
		SCL = 0;
		return(1);//返回1
	}
	else//ACK
	{
		SCL = 0;
		return(0);//返回0
	}
}

/*====================================
函数	：SendACK(bit i)
参数	：1主机发送非应答，0发送应答
返回值	：无
描述	：主机发送应答信号
====================================*/
void SendACK(bit i)
{
	SCL = 0;//拉低时钟总线，允许主机控制SDA
	if(i)	//发非应答
		SDA = 1;
	else	//发应答
		SDA = 0;
	SCL = 1;  //拉高总线，让从机读SDA
	delay5us();//保持5us
	SCL = 0; //拉低时钟总线，允许SDA释放
	SDA = 1;//释放数据总线
}

/*====================================
函数	：I2cSendByte(uchar DAT)
参数	：DAT需要发送的数据
返回值	：无
描述	：I2C发送一个字节数据
====================================*/
void I2cSendByte(uchar DAT)
{
	uchar i; 
	for(i=0; i<8; i++) //分别写8次，每次写1位
	{
		SCL = 0;//拉低时钟总线，允许SDA变化
		if(DAT & 0x80)//先写数据最高位
			SDA = 1;  //写1
		else
			SDA = 0;  //写0
		SCL = 1;	  //拉高时钟，让从机读SDA
		DAT <<= 1;	  //为发送下一位左移1位
	}
	SCL = 0; //拉低时钟总线，允许SDA释放
	SDA = 1;//释放数据总线
}

/*====================================
函数	：Pcf8591DA(uchar Ctrl, DAT)
参数	：Ctrl 8591控制字节，DAT 要写入的数据
返回值	：无
描述	：PCF8591数字量转模拟量输出
====================================*/
//void Pcf8591DA(uchar Ctrl, DAT)
//{
//	I2cStart();//I2C起始信号
//	I2cSendByte(PCF8591ADDR + I2cWrite);//发送器件地址加读写方向位
//	if(ReadACK()) //读从机应答
//		AckFlag = 1;	//NOACK
//	else
//		AckFlag = 0;	//ACK
//	I2cSendByte(Ctrl);//发送控制字节
//	if(ReadACK())//读从机应答
//		AckFlag = 1;	//NOACK
//	else
//		AckFlag = 0;	//ACK
//	I2cSendByte(DAT);//发送一字节数据
//	if(ReadACK())//读从机应答
//		AckFlag = 1;	//NOACK
//	else
//		AckFlag = 0;	//ACK
//	I2cStop();	//I2C停止信号
//}


/*====================================
函数	：I2cReadByte()
参数	：无
返回值	：返回读出的一字节数据
描述	：I2C总线读一字节数据
====================================*/
uchar I2cReadByte()
{
	uchar i, DAT;
	for(i=0; i<8; i++)//分别读8次，每次读一位
	{
		DAT <<= 1; //数据左移1位，准备接收一位
		SCL = 0;   //拉低时钟总线，允许从机控制SDA变化
		SCL = 1;   //拉高时钟总线，读取SDA上的数据
		if(SDA)
			DAT |= 0X01;//为1则写1，否则不行执行写1，通过左移补0
	}
	return(DAT); //返回读出的数据
}

/*====================================
函数	：PCF8591Read(uchar Ctrl)
参数	：Ctrl 8591控制字节
返回值	：AD转出的数字量
描述	：读指定通道的输入的模拟量专为数字量
====================================*/
uchar PCF8591Read(uchar Ctrl)
{
	uchar DAT;
	I2cStart();//I2C起始信号
	I2cSendByte(PCF8591ADDR + I2cWrite);//发送器件地址加读写方向位
	if(ReadACK())//读从机应答
		AckFlag = 1;	//NOACK
	else
		AckFlag = 0;	//ACK
	I2cSendByte(Ctrl);//发送控制字节
	ReadACK();//读从机应答
	I2cStart();//再次产生I2C起始信号
	I2cSendByte(PCF8591ADDR + I2cRead);//发送器件地址加读写方向位 读
	if(ReadACK())//读从机应答
		AckFlag = 1;	//NOACK
	else
		AckFlag = 0;	//ACK
	DAT = I2cReadByte();//读一字节
	SendACK(1);//主机发送非应答
	I2cStop(); //I2C停止信号
	return(DAT);//返回读出数据
			
}

void main()//main函数自身会循环
{	
	while(1)
	{
		num = (PCF8591Read(CH2) * 19.53 + 0.5);//读AD通道2，电位器值
		//  5000mv/256约等于等于19.53 ，加0.5是小数四舍五入接近实际转换精度
		display(num); //数码管显示函数
		delay(5);
	}
}

(二)

使用I2C通信，PCF8591模数/数模转换，读取通道0光敏模拟量，输出模拟量控制LED10亮度变化

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/*********************************************************************************
* 【作    者】：	清翔电子:向量
* 【版    本】：	V1.0
* 【网    站】：	http://www.qxmcu.com/ 
* 【淘宝店铺】：	http://qxmcu.taobao.com/
* 【实验平台】：	清翔 QX-MCS51 单片机开发板
* 【外部晶振】： 	11.0592mhz	
* 【主控芯片】： 	STC89C52
* 【编译环境】： 	Keil μVisio4	
* 【程序功能】： 	I2C通信，PCF8591模数/数模转换，读取通道0光敏模拟量，输出模拟量控制LED10		   			            			    
* 【使用说明】： 	随着环境光线的变强LED10亮度增加，环境光变弱LED10亮度变暗
				 需要用跳线帽把DEN和DOUT短接（默认已短接）
**********************************************************************************/
#include <reg52.h>
#include <intrins.h>

#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
#define PCF8591ADDR 0X90 //PCF8591硬件地址
#define	I2cRead 1		 //I2C读方向位
#define	I2cWrite 0		 //I2C写方向位
#define	CH0 0			 //AD通道0
#define	CH1	1			 //AD通道1
#define	CH2	2			 //AD通道2
#define	CH3	3			 //AD通道3
#define	DAout	0x40	 //DA输出命令

sbit DU = P2^6;//数码管段选
sbit WE = P2^7;//数码管段选
sbit SCL = P2^1; //I2C时钟总线
sbit SDA = P2^0; //I2C数据总线
uchar num;//数码管显示的值
bit AckFlag;//应答标志位

//共阴数码管段选表0-9
uchar code SMGduan[]= {0x3F, 0x06, 0x5B, 0x4F, 0x66, 0x6D, 0x7D, 0x07, 0x7F, 0x6F,};
//数码管位选码
uchar code SMGwei[] = {0xfe, 0xfd, 0xfb};

/*====================================
函数	： delay(uint z)
参数	：z 延时毫秒设定，取值范围0-65535
返回值	：无
描述	：12T/Fosc11.0592M毫秒级延时
====================================*/
void delay(uint z)
{
	uint x,y;
	for(x = z; x > 0; x--)
		for(y = 114; y > 0 ; y--); 		
} 

/*====================================
函数	：display(uchar i)
参数	：i 显示数值，取值范围0-255
返回值	：无
描述	：三位共阴数码管动态显示
====================================*/
void display(uchar i)
{
	static uchar wei; 		
	P0 = 0XFF;//清除断码
	WE = 1;//打开位选锁存器
	P0 = SMGwei[wei];
	WE = 0;//锁存位选数据
	switch(wei)
	{
		case 0: DU = 1; P0 = SMGduan[i / 100]; DU = 0; break;
		case 1: DU = 1; P0 = SMGduan[i % 100 / 10]; DU = 0; break;	
		case 2: DU = 1; P0 = SMGduan[i % 10]; DU = 0; break;		
	}
	wei++;
	if(wei == 3)
		wei = 0;
}
//定时器0初始化
void timer0Init()
{
	EA = 1;	//打开总中断
	ET0 = 1;//打开定时器0中断
	TR0 = 1;	 //启动定时器0
	TMOD |= 0X01; //定时器工作模式1，16位定时模式
	TH0 = 0xED;
	TL0 = 0xFF; //定时5ms
}
/****************************************************
IIC通信代码
****************************************************/

/*====================================
函数	：delay5us()
参数	：无
返回值	：无
描述	：5us延时函数
====================================*/
void delay5us()
{
	_nop_();
}

/*====================================
函数	：I2cStart()
参数	：无
返回值	：无
描述	：I2C总线起始信号
====================================*/
void I2cStart()
{
//时钟总线为高电平期间数据总线又高变低产生起始型号
	SCL = 1; 
	SDA = 1;
	delay5us();//状态保持5us
	SDA = 0;
	delay5us();//状态保持5us 
}

/*====================================
函数	：I2cStop()
参数	：无
返回值	：无
描述	：I2C总线停止信号
====================================*/
void I2cStop()
{
//时钟总线为高电平期间，数据总线从高变低产生终止信号
	SCL = 0;
	SDA = 0;
	SCL = 1;
	delay5us();//状态保持5us
	SDA = 1;
	delay5us();//状态保持5us	
}

/*====================================
函数	：ReadACK()
参数	：无
返回值	：1非应答，0应答
描述	：I2C总线读从机应答信号
====================================*/
bit ReadACK()
{
	SCL = 0;//拉低时钟总线，允许从机控制SDA
	SCL = 1;//拉高，读SDA
	delay5us();
	if(SDA)//NOACK
	{
		SCL = 0;
		return(1);//返回1
	}
	else//ACK
	{
		SCL = 0;
		return(0);//返回0
	}
}

/*====================================
函数	：SendACK(bit i)
参数	：1主机发送非应答，0发送应答
返回值	：无
描述	：主机发送应答信号
====================================*/
void SendACK(bit i)
{
	SCL = 0;//拉低时钟总线，允许主机控制SDA
	if(i)	//发非应答
		SDA = 1;
	else	//发应答
		SDA = 0;
	SCL = 1;  //拉高总线，让从机读SDA
	delay5us();//保持5us
	SCL = 0; //拉低时钟总线，允许SDA释放
	SDA = 1;//释放数据总线
}

/*====================================
函数	：I2cSendByte(uchar DAT)
参数	：DAT需要发送的数据
返回值	：无
描述	：I2C发送一个字节数据
====================================*/
void I2cSendByte(uchar DAT)
{
	uchar i; 
	for(i=0; i<8; i++) //分别写8次，每次写1位
	{
		SCL = 0;//拉低时钟总线，允许SDA变化
		if(DAT & 0x80)//先写数据最高位
			SDA = 1;  //写1
		else
			SDA = 0;  //写0
		SCL = 1;	  //拉高时钟，让从机读SDA
		DAT <<= 1;	  //为发送下一位左移1位
	}
	SCL = 0; //拉低时钟总线，允许SDA释放
	SDA = 1;//释放数据总线
}

/*====================================
函数	：Pcf8591DA(uchar Ctrl, DAT)
参数	：Ctrl 8591控制字节，DAT 要写入的数据
返回值	：无
描述	：PCF8591数字量转模拟量输出
====================================*/
void Pcf8591DA(uchar Ctrl, DAT)
{
	I2cStart();//I2C起始信号
	I2cSendByte(PCF8591ADDR + I2cWrite);//发送器件地址加读写方向位
	if(ReadACK()) //读从机应答
		AckFlag = 1;	//NOACK
	else
		AckFlag = 0;	//ACK
	I2cSendByte(Ctrl);//发送控制字节
	if(ReadACK())//读从机应答
		AckFlag = 1;	//NOACK
	else
		AckFlag = 0;	//ACK
	I2cSendByte(DAT);//发送一字节数据
	if(ReadACK())//读从机应答
		AckFlag = 1;	//NOACK
	else
		AckFlag = 0;	//ACK
	I2cStop();	//I2C停止信号
}


/*====================================
函数	：I2cReadByte()
参数	：无
返回值	：返回读出的一字节数据
描述	：I2C总线读一字节数据
====================================*/
uchar I2cReadByte()
{
	uchar i, DAT;
	for(i=0; i<8; i++)//分别读8次，每次读一位
	{
		DAT <<= 1; //数据左移1位，准备接收一位
		SCL = 0;   //拉低时钟总线，允许从机控制SDA变化
		SCL = 1;   //拉高时钟总线，读取SDA上的数据
		if(SDA)
			DAT |= 0X01;//为1则写1，否则不行执行写1，通过左移补0
	}
	return(DAT); //返回读出的数据
}

/*====================================
函数	：PCF8591Read(uchar Ctrl)
参数	：Ctrl 8591控制字节
返回值	：AD转出的数字量
描述	：读指定通道的输入的模拟量专为数字量
====================================*/
uchar PCF8591Read(uchar Ctrl)
{
	uchar DAT;
	I2cStart();//I2C起始信号
	I2cSendByte(PCF8591ADDR + I2cWrite);//发送器件地址加读写方向位
	if(ReadACK())//读从机应答
		AckFlag = 1;	//NOACK
	else
		AckFlag = 0;	//ACK
	I2cSendByte(Ctrl);//发送控制字节
	ReadACK();//读从机应答
	I2cStart();//再次产生I2C起始信号
	I2cSendByte(PCF8591ADDR + I2cRead);//发送器件地址加读写方向位 读
	if(ReadACK())//读从机应答
		AckFlag = 1;	//NOACK
	else
		AckFlag = 0;	//ACK
	DAT = I2cReadByte();//读一字节
	SendACK(1);//主机发送非应答
	I2cStop(); //I2C停止信号
	return(DAT);//返回读出数据
			
}

void main()//main函数自身会循环
{	
	timer0Init();//定时器0初始化
	while(1)
	{
		EA = 0;//屏蔽中断
		num = PCF8591Read(CH0);//读AD通道0，光敏值
		Pcf8591DA(DAout, ~num);//把光敏转出的数字量取反，输出模拟量控制LED10
		EA = 1;//开中断
		delay(5);
	}
} 

//定时器0中断函数
void timer0() interrupt 1
{
	TH0 = 0xED;
	TL0 = 0xFF; //定时5ms
	display(num); //数码管显示函数	
}

更新于：2024年9月22日

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