单片机很好玩9，ADC介绍，使用电脑测量电压值

在第 7 节，我们讨论了借助于单片机和传感器，电脑也能获取环境参数，例如室内的温度和湿度等信息。

不过不知道大家注意到没有，环境的温湿度应该是无时无刻都在变化的，而我们使用单片机采集的温湿度值却是离散的（大约1秒个温度值），这其实就是将模拟信息数字化的过程。

ADC 的全称是 Analog-to-Digital Converter，即“模拟到数字转换器”，它可以将连续不断变化的模拟信号转换为离散的数字信号，供计算机进一步处理。

将模拟信号数字化之后，才能使用计算机处理之，因为计算机本身就是数字电路组成的运算机器。

其实说将模拟信号“转换”为离散信号并不合适，更恰当的说法应该是 ADC 从模拟信号中取出“一部分”信息，请看下面右图的黑点即为 ADC 采集的数字信号。

这么看来，ADC的重要参数有两个：采样频率和精度。采样频率决定了 ADC 从模拟信号中取数据的“密集”程度，一般来说肯定越密集越好，因为这样更能还原信号的特性。精度则决定了取数据的时的精确性。

以我的 51 单片机为例，它有 8 路 10 位的 ADC，采样频率为 250K/s。所以它能从每秒的模拟信号中取出 25 万个数字信号，也就相当于在坐标系中用 25 万个点描绘出 1 秒的信号。

精度为 10 位，也就是说它利用 1~1024(2的十次方)的数字表示信号，我的 51 单片机 ADC 的参考电压信号为 5V，所以它能够表示的最小电压为 5V/1024 约为 5mV。

C语言编程单片机，实现ADC采样

现在知道了什么是 ADC，怎么使用它呢？请继续往下看。我使用的这款 51 单片机自带的 ADC 模块结构如下图所示：

sfr     ADC_CONTR  = 0xbc;
sfr     ADC_RES    = 0xbd;      // 高 8 位结果
sfr     ADC_LOW2   = 0xbe;      // 低 2 位结果
sfr     P1ASF      = 0x9d;      // 

我的这款 51 单片机的 ADC 转换通道与 P1 口复用，上电复位后 P1 口为弱上拉型 IO 口，我们可以通过 C语言编程设置这 8 路的任意一路做 ADC 转换。

void adc_init()
{
    P1ASF = 0xff;       // 8 个通道都开
    ADC_RES = 0;
    ADC_CONTR = ADC_POWER|ADC_SPEEDLL;
    delay_about_100ms(2);
}

上面的C语言代码中，我们将 P1ASF 赋值为 0xff，表示 P1 的 8 个 IO 口都可以作为 ADC 采样口。然后延时一段时间，等待 ADC 模块初始化。

因为我使用的这款 51 单片机是一个 8 位单片机，传送 10 位的 ADC 值需要两次，当 AUXR1.1/ADRJ = 0 时，ADC 转换结果寄存器格式如下：

// 获取高 8 位的 adc 值
BYTE get_adc_h8bit(BYTE ch)
{
    ADC_CONTR = ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ADC_START|ch;
    _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();        // 等待转换完成

    while(!(ADC_CONTR & ADC_FLAG));
    ADC_CONTR &= ~ADC_FLAG;

    return ADC_RES;
}

然后将之与余下 2 位 ADC 值组合一下，就得到了一次完整的ADC采样值：

// 获取 10 位 adc
WORD get_adc_res(BYTE ch)
{
    WORD res = 0;
    res = get_adc_h8bit(ch);
    res <<= 2;
    res |= ADC_LOW2;

    return res;
}

使用电脑测量电压值

上面一小部分介绍了单片机的 ADC 模块使用方法，结合之前介绍的单片机的串口 printf，我们已经能够把外界的电压值转换为 1~1024 之间的数值并传送到电脑了，但是如何将之转换为电压值呢？

其实很简单，我的这款单片机 ADC 模块的参考电压为 5V，假设 ADC 采集的数值为 n，那么对应的电压值为：

U = n*5V / 1024

如此一来，C语言控制程序可以如下写：

void main()
{
    init_uart(9600);
    adc_init();

    while(1){
        delay_about_100ms(2);
        printf("adc: %0.2f\r\n", 5.0*((float)get_adc_res(0))/1024.0);
    }
}

使用电脑测量电压