十五、Pic单片机的A/D转换

在电子技术中，传感器是一种很重要的器件，传感器的种类也有多种，如温度传感器、光敏传感器、压力传感器……，其特点是能把非电量，如温度、光度、压力等转换成相关的电量（电流或电压）。这些电量都是模拟量，可用Pic 单片机的A/D 转换，将上述的模拟量转换成数字量，再将数字量进行各种处理，如LED、LCD 显示。

Pic16F87X 系列单片机， 具有A/D 转换的功能。Pic16F876/873 芯片为28 引脚， 有5 个模拟输入端的10 位A/D 转换（5 通道）；Pic16F877为40 引脚，有8 个模拟输入端的10位A/D 转换（8 通道）。Pic16F876/873 芯片的模拟输入端为AN0~AN3，其引脚是② ~ ⑤脚和⑦脚AN4，几乎占用了Pic16F876/873 所有的A 口。由于Pic 单片机的端口具有复用功能，所以上述的模拟输入口不会影响I/O 端口的通用特性。

上述芯片的A/D 转换，都已模块化，具有10 位（二进制的）分辨率，所以完全可以满足大多数测量精度的要求，此外，还可利用Pic 单片机睡眠状态下进行A/D 转换（利用内部自带的RC 振荡作时钟），因在睡眠模式下，部分数字电路的开关噪声已停止，所以可获得更高的A/D 转换精度。

Pic 单片机的A/D 转换功能的操作，远比本连载1~13 中介绍的各种功能的C 程序要复杂些，学会编写A/D 转换的C 程序，也是进一步学习Pic 单片机C 程序设计的重要内容之一。因为在编辑A/D 转换的C 程序时，会用到芯片内部多个专用寄存器（控制模块），学会相关模块的使用方法，可为编辑其它复杂功能的C 程序建立良好的思维方法。

1.Pic16F87X 的 A/D 转换必备知识

⑴ A/D 转换控制寄存器ADCON1

ADCON1 是8 位的可读写的寄存器，如图59 所示，其功能是A/D 转换时，选择芯片引脚输入信号的类型（模拟量A 或数字量D），以及A/D 转换结果存放的格式（见下文）。

图59

ADCON1 的第6、5、4 位，在A/D 转换中未派上用场，读作“0”。 ADCON1 的第3、2、1、0 位（Bit3、Bit2、Bit1 和Bit0）， 是管理Pic16F87X 引脚功能（A 或D）的选择（可参看相关书藉的A/D 转换引脚功能选择表，因该表占用版面多，这里略去），例如在下文C 程序中，设ADCON1=0x8a 时， 选择Pic16F873A的AN0（RA0）、AN1（RA1）RA4（AN4）、RA5（AN5）为模拟量输入、（AN6、AN7 为数字量输入），AN3、AN2 参考电压设置端（十、一）。

⑵ A/D 转换结果寄存器ADRESH、ADRESL。因Pic16F87X 的A/D 转换值是10 位的二进制数（代码），而A/D 转换的结果是存放在指定的结果寄存器中，因结果寄存器是8 位的，所以A/D 转换结果的10 位数， 利用ADRESH存放A/D 的高字节；利用ADRESL 存放A/D的低字节。存放方法是利用前述的ADCON1（ 图59） 的第7 位（bit）ADFM 进行选择， 当令ADFM=1 时，A/D 转换结果的低8 位存放在ADREL 中；高两位存放在ADRESH 中；当令ADFM=0 时，A/D 转换结果的低两位存放在ADRESL 中，余下的高8 位存放在ADRESH 中，这由C 语言设计者自由选择。若对A/D 转换代码的分辨率要求不高（如实验程序），可取A/D转换的高8 位而舍去低2 位，以使C 程序简化。

⑶ A/D 转换控制寄存器ADCON0

ADCON0 的功能是用于控制A/D 转换的操作，其相关位的功能如图60 所示。

图60

图中ADCONO 的第0 位（Bit0），ADON是A/D 转换允许位（俗称打开A/D 转换），当令ADON=1 时，打开的A/D 转换；AD0N=0 时，关闭A/D 转换。ADCON0 的第1 位， 未使用读作0。

ADCON0 的第2 位也是重要的功能位：在ADON=1 时，若令=1，启动A/D 转换；若令=0，A/D 转换完成。

ADCONO 的5~3 位（Bit5、Bit4 和Bit3）CHS2、CHS1、CHS0 是A/D 转换模拟通道的选择，对Pic16F873A 芯片，有下述关系：

ADCONO 的第7、6 位即ADCS1和ADCS0，是A/D 转换时钟选择位，有以下关系：

此外，在A/D 转换时，还会用到外围接口中断标志寄存器PIR1 的标志位ADIF（Bit6）和外围接口中断使能寄存器PIE1 的使能位ADIE。

当令ADIF=1 时， 代表A/D 转换已完成；ADIF=0 时，A/D 转换未完成。

当令ADIE=1 时， 打开A/D 转换中断；ADIE=0 时，关闭A/D 转换中断。

2.Pic16F873A 的A/D 转换电路

图61 是一种利用Pic16F873A（28 引脚）和LCD（液晶显示模块1602）组成的A/D 转换液晶显示的主要电路。该电路的功能是先对柔性薄膜压力传感器的模拟信号进行A/D 转换，然后按所需功能进行处理，最后由LCD 显示其物理量的功能。当然，所述过程都是由C 语言程序完成的。

LCD 按其显示方式，可分为段位式（又称笔段式）、字符式和点阵式等。段位式LCD 类似于数码管LED 的功能，只能显示0~9 的数字和简单的字符。字符式LCD 不仅可显示数字而且可显示多种字符（字符库）。点阵式LCD 不仅可以显示字符、数字，还可显示多种图形、曲线及汉字，实现屏幕的动画。图61 中的LCD 是字符型的，常用的型号是1602， 即16 字x2 行的。读者在电子市场购买1602 模块时，定向商家索取该模块的详细使用说明书。

图61

柔性薄膜压力传感器是一种超薄性（ 仅0.1mm 厚）压力传感器，常用于医学上，该传感器受压时，其输出的模拟信号很小，所以都应加运算放大器进行放大处理后，才能送到单片机的A/D 转换输入端，如图61 中的RA0/AN1 或RA1/AN2 端。

图61 的Pic16F873A 的硬件电路， 是一种常规的A/D 转换和LCD 显示电路， 其中Pic16F873A 的①脚外接常规的Pic 单片机复位电路；⑼、⑽脚外接晶振XT 和C1、C2 的单片机时钟电路；Pic16F873A 的B 口，其位RB4、RB3 和RB2 分别与1602LCD 的E、EW 和RS的控制端相连，以便Pic 单片机控制1602LCD的基本操作。

Pic16F873A 的C 口， 其位RC0~RC7 与1602LCD 的数据引脚D0~D7 分别相连，以便Pic 单片机控制1602LCD 的指令和数据的读写操作。LCD（1602）的③脚VL 为LCD 对比度调整端，接正电源时，对比度最低，接地时对比度最高，使用时通过外接10KΩ电位器，调整所需的对比度。

该电路是笔者为某医院烧伤科设计的治疗仪部分主要电路， 在这里取其A/D 转换的C程序部分， 以说明Pic 单片机的专用寄存器：

ADCON1、ADRESH、ADRESL、ADCON0、PIR1 和PIE1 等，在A/D 转换时的使用方法和操作步骤。这里没有给出治疗仪的全部C 程序。

以下是Pic16F873A 的A/D 转换的操作步骤和相关的程序。

A/D 转换的初始化，如图62 所示。

图62

对于A/D 转换程序的初始化一般要经过图62 的几个步骤。

A/D 转换初始化函数代码如下：

void adcsh（）

{

TRISA=0X07;// 设定I/O 口为输入

ADCON1=0X8a;

//RA0~RA5 设为模拟口，RA3 接参考电压。

ADCON0=0X81;

// 通道0，选择系统时钟focs/32.

ADRESH=0;

ADRESL=0; // 清空转换结果寄存器

GIE=1; // 打开总中断

PEIE=1; // 打开第一外围中断屏蔽

ADIE=1; // 打开A/D 中断

ADIF=0; // 清除A/D 中断标志位。

}

以上流程图和代码是采用中断服务程序来读取A/D 转换数值的，虽然通过查询标志位方式也可以达到同样的效果，但是在实际应用中，中断服务方式因方便、可靠、节省芯片运行时间而成为常用的编程结构。对于中断服务程序，越简单越好，因PIC 单片机特殊的堆栈结构，不宜在中断服务程序内作数据运算和太多调用函数的操作，原则是取出值后立即退出中断，以保证其它的任务能及时被响应。图63 是中断服务流程图。

图63

AD 中断C 语言的基本写法：

void interrupt AD（void）

// 必须用interrupt 关键词，编译器才会判定是中断服务程序

{

unsigned int ad_1=0;

if（ADIF==1）

// 判断A/D 转换中断标志位是否为1 ；

{

ADIF=0;// 清零中断标志位

ad_1=（ADRESH&0X03）*256+ ADRESL;

// 读取A/D 转换结果，并将低字 节和高字节进行整合。

}

｝

从以上的代码看出，C 语言比汇编要简单得多，进入中断后，标志位清零是必须的，返回指令可以不写，这是最基本的中断服务程序。

以下提供在实际应用中的代码：

AD 初始化函数：

void adcsh（）

{

OPTION=OPTION|0x80;// 关闭弱上拉

TRISC=0X00;

TRISB=0X03;

PORTC=0X00;

ADCON1=0X8a;

// 转换结果右对齐，RA0~RA5 设为模拟口，

RA3 可接参考电压。

TRISA=0X07;

ADCON0=0X81;// 打开通道0 作数据采样

PORTA=0XFF;

ADRESH=0;

ADRESL=0;// 转换结果寄存器清零

INTCON=0x00;// 关闭所有中断

GIE=1;// 打开总中断

PEIE=1;// 打开第一外围中断

ADIE=1;// 打开AD 中断

ADIF=0;// 清除AD 中断标志位

}

以下是中断服务函数：

void interrupt AD（void）

{

unsigned int ad_1=0;

// 定义一个ad 转换结果寄存器

if（k<16）

{

ADIF=0; // 清楚AD 标志位

ad_1=（ADRESH&0X03）*256+ ADRESL;

// 读取AD 转换结果

ad_sum=ad_sum+ad_1;

k++;

if（k<16）

ADGO=1; // 启动AD

}

if（k==16）

{

ad_1=ad_sum/16;

if（ b>16）

{

if（ad_1>ad_temp）

ad_1=ad_1-ad_temp;

else if（ad_1<ad_temp）

ad_1=ad_temp-ad_1;

else if（ad_1==ad_temp）

ad_1=0;

AD_

value=（float）（ad_1）；

}

d=1;

ad_sum=0;

k=0;

if（b<32）

{

b++;

ADGO=1;

}

if（b==15）

ad_temp=ad_1;

}

}

上述A/D 转换的C 程序，初学时有些难度，但结合A/D 转换相关的专用寄存器功能，也不难理解的，待下次连载15，笔者对A/D 转换方法，还有一些说明的，读者可以关注。