STC15W408AS單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和相關(guān)寄存器

STC15系列單片機(jī)內(nèi)部集成了8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器。STC15系列單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口在P1口(P1.7-P1.0)，有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度到300KHz(30萬次/秒)。8路電壓輸入型A/D，可做溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等。

一、A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)

STC15系列單片機(jī)ADC由多路選擇開關(guān)、比較器、逐次比較寄存器、10位DAC、轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器(ADC_RES和ADC_RESL)以及ADC_CONTR構(gòu)成。

STC15系列單片機(jī)的ADC是逐次比較型ADC。逐次比較型ADC由一個(gè)比較器和D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，通過逐次比較邏輯，從最高位(MSB)開始，順序地對每一輸入電壓與內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)過多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量逐次逼近輸入模擬量對應(yīng)值。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器具有速度高，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

從上圖可以看出，通過模擬多路開關(guān)，將通過ADC0 ~ 7的模擬量輸入送給比較器。用數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)換的模擬量與輸入的模擬量通過比較器進(jìn)行比較，將比較結(jié)果保存到逐次比較寄存器，并通過逐次比較寄存器輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，最終的轉(zhuǎn)換結(jié)果保存到ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器ADC_RES和ADC_RESL，同時(shí)，置位ADC控制寄存器ADC_CONTR中的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位ADC_FLAG,以供程序查詢或發(fā)出中斷申請。模擬通道的選擇控制由ADC控制寄存器ADC_CONTR中的CHS2~CHS0確定。ADC的轉(zhuǎn)換速度由ADC控制寄存器中的SPEED1和SPEED0確定。在使用ADC之前，應(yīng)先給ADC上電，也就是置位ADC控制寄存器中的ADC_POWER位。

當(dāng)CLK_DIV.5(PCON2.5)/ADRJ = 0時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器格式如下：

當(dāng)ADRJ=0時(shí)，如果取10位結(jié)果，則按下面公式計(jì)算:

當(dāng)ADRJ=0時(shí)，如果取8位結(jié)果，按下面公式計(jì)算:

當(dāng)CLK_DIV.5(PCON2.5)/ADRJ = 1時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器格式如下：

當(dāng)ADRJ=1時(shí)，如果取10位結(jié)果，則按下面公式計(jì)算:

式中，Vin為模擬輸入通道輸入電壓，Vcc為單片機(jī)實(shí)際工作電壓，用單片機(jī)工作電壓作為模擬參考電壓。

二、與A/D轉(zhuǎn)換相關(guān)的寄存器

與STC15系列單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換相關(guān)的寄存器列于下表所示。

2.1 P1口模擬功能控制寄存器P1ASF

STC15系列單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口在P1口(P1.7-P1.0)，有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器速度可達(dá)到到300KHz(30萬次/秒)。8路電壓輸入型A/D，可做溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等。上電復(fù)位后P1口為弱上拉型I/O口，用戶可以通過軟件設(shè)置將8路中的任何一路設(shè)置為A/D轉(zhuǎn)換，不需作為A/D使用的P1口可繼續(xù)作為I/O口使用(建議只作為輸入)。需作為A/D使用的口需先將P1ASF特殊功能寄存器中的相應(yīng)位置為‘1’，將相應(yīng)的口設(shè)置為模擬功能。P1ASF存器的格式如下：

P1ASF : P1口模擬功能控制寄存器(該寄存器是只寫寄存器,讀無效)

2.2 ADC控制寄存器ADC_CONTR

ADC_CONTR寄存器的格式如下：

ADC_CONTR : ADC控制寄存器

對ADC_CONTR寄存器進(jìn)行操作，建議直接用MOV賦值語句，不要用‘與’和‘或’語句。

ADC_POWER: ADC 電源控制位。

0：關(guān)閉ADC 電源；

1：打開A/D轉(zhuǎn)換器電源.

建議進(jìn)入空閑模式和掉電模式前，將ADC電源關(guān)閉，即ADC_POWER =0，可降低功耗。

啟動A/D轉(zhuǎn)換前一定要確認(rèn)A/D電源已打開，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后關(guān)閉A/D電源可降低功耗，也可不關(guān)閉。初次打開內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換模擬電源，需適當(dāng)延時(shí)，等內(nèi)部模擬電源穩(wěn)定后，再啟動A/D轉(zhuǎn)換。

建議啟動A/D轉(zhuǎn)換后，在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束之前，不改變?nèi)魏蜪/O口的狀態(tài)，有利于高精度A/D轉(zhuǎn)換，如能將定時(shí)器/串行口/中斷系統(tǒng)關(guān)閉更好。

SPEED1，SPEED0：模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度控制位

ADC_FLAG: 模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位,當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完成后，ADC_FLAG = 1，要由軟件清0。不管是A/D 轉(zhuǎn)換完成后由該位申請產(chǎn)生中斷，還是由軟件查詢該標(biāo)志位A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束,當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完成后，ADC_FLAG = 1，一定要軟件清0。

ADC_START:模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換啟動控制位，設(shè)置為“1”時(shí)，開始轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換結(jié)束后為0。

CHS2/CHS1/CHS0：模擬輸入通道選擇，CHS2/CHS1/CHS0

2.3 ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果調(diào)整寄存器位——ADRJ

ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果調(diào)整寄存器位——ADRJ位于寄存器CLK_DIV/PCON中，用于控制ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果存放的位置。

ADRJ：ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果調(diào)整

0：ADC_RES[7:0]存放高8位ADC結(jié)果，ADC_RESL[1:0]存放低2位ADC結(jié)果

1：ADC_RES[1:0]存放高2位ADC結(jié)果，ADC_RESL[7:0]存放低8位ADC結(jié)果

2.4 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器ADC_RES、ADC_RESL

特殊功能寄存器ADC_RES和ADC_RESL寄存器用于保存A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，其格式如下：

CKKO_DIV寄存器的ADRJ位是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器(ADC_RES,ADC_RESL)的數(shù)據(jù)格式調(diào)整控制位。

當(dāng)ADRJ=0時(shí)，10位是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8位存放在在ADC_RES中，低2位存放在ADC_RESL的低2位中。

2.5 中斷允許寄存器IE

IE : 中斷允許寄存器 (可位尋址)

EA : CPU的中斷開放標(biāo)志

EA=1，CPU開放中斷，

EA=0，CPU屏蔽所有的中斷申請。

EA的作用是使中斷允許形成多級控制。即各中斷源首先受EA控制;其次還受各中斷源自己的中斷允許控制位控制。

EADC : A/D轉(zhuǎn)換中斷允許位

EADC=1，允許A/D轉(zhuǎn)換中斷，

EADC=0，禁止A/D轉(zhuǎn)換中斷。

2.6 A/D轉(zhuǎn)換典型應(yīng)用線路

三、測試程序

3.1 中斷方式

#include "stc15.h"
#include "intrins.h"
#include "delay.h"


#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int


#define FOSC 11059200L          //系統(tǒng)頻率
#define BAUD 9600               //串口波特率


void UatrInit();
void SendData(uchar dat);
void SendString(char *s);
void AdInit();




uchar num[10] = {'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9'};
uint adc_result = 0;


void main()
{
  P1M0 = 0x02;
  P1M1 = 0x00;
  UatrInit();
  AdInit();
  EA = 1;    // CPU開放中斷
  while (1);
}
// 初始化串口
void UatrInit()
{
  SCON = 0x50;                //8位可變波特率 串口工作模式1
  T2L = (65536 - (FOSC/4/BAUD));   //設(shè)置波特率重裝值
  T2H = (65536 - (FOSC/4/BAUD)) >?>8;
  AUXR = 0x14;                //T2為1T模式, 并啟動定時(shí)器2
  AUXR |= 0x01;               //選擇定時(shí)器2為串口1的波特率發(fā)生器
  ES = 1;                     //使能串口1中斷
}
// 初始化ADC
void AdInit()
{
  P1ASF = 0x01;  // P1.0作為模擬功能A/D使用
  ADC_RES = 0;
  ADC_RESL = 0;   // 結(jié)果寄存器清零
  ADC_CONTR = 0x88;  // 打開ADC的電源  540個(gè)周期轉(zhuǎn)換一次 選擇P1.0作為A/D輸入來用  
  delayus(20);
  EADC = 1;  // 允許A/D轉(zhuǎn)換中斷
}
// ADC中斷服務(wù)函數(shù)
void adc_isr() interrupt 5
{
  ADC_CONTR &= !0x10; // 清除ADC中斷標(biāo)志
  adc_result = ADC_RES*4 + ADC_RESL;    // 獲取ADC結(jié)果，高2位在前
  SendData(num[adc_result/1000]);       // 千
  SendData(num[adc_result%1000/100]);   // 百
  SendData(num[adc_result%100/10]);     // 十
  SendData(num[adc_result%10]);         // 個(gè)


//  SendData(ADC_RES);
//  SendData(ADC_RESL);


  SendString("\\r\\n");  // 換行
  ADC_CONTR = 0x88;    // 開始ADC 轉(zhuǎn)換
  delayms(2000);
}
// 發(fā)送串口數(shù)據(jù)
void SendData(uchar dat)
{
  SBUF = dat;
  while(TI == 0);
  TI = 0;
}
// 發(fā)送字符串
void SendString(char *s)
{
    while (*s)                  //檢測字符串結(jié)束標(biāo)志
    {
        SendData(*s++);         //發(fā)送當(dāng)前字符
    }
}
// 串口中斷
void Uart() interrupt 4
{  
  // 接收中斷標(biāo)志位
  if (RI)
  {
    RI = 0;                 //清除RI位
    //  P0 = SBUF;              //P0顯示串口數(shù)據(jù)
    SendString("HELLO\\r\\n");
  }
  // 發(fā)送中斷標(biāo)志位
  if (TI)
  {
    TI = 0;                 //清除TI位
    SendString("發(fā)送完成!\\r\\n");
   }
}

3.2 查詢方式

#include "stc15.h"
#include "intrins.h"
#include "delay.h"


#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int


#define FOSC 11059200L          //系統(tǒng)頻率
#define BAUD 9600               //串口波特率


void UatrInit();
void SendData(uchar dat);
void SendString(char *s);
void AdInit();
uint GetADCResult();


uchar num[10] = {'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9'};
uint adc_result = 0;


void main()
{
  P1M0 = 0x02;
  P1M1 = 0x00;
  UatrInit();
  AdInit();
  EA = 1;    // CPU開放中斷
  while (1)
  {
    adc_result = GetADCResult();
    SendData(num[adc_result/1000]);
    SendData(num[adc_result%1000/100]);
    SendData(num[adc_result%100/10]);
    SendData(num[adc_result%10]);
    SendString("\\r\\n");
    delayms(2000);
  }
}
// 初始化串口
void UatrInit()
{
  SCON = 0x50;                //8位可變波特率 串口工作模式1
  T2L = (65536 - (FOSC/4/BAUD));   //設(shè)置波特率重裝值
  T2H = (65536 - (FOSC/4/BAUD)) >?>8;
  AUXR = 0x14;                //T2為1T模式, 并啟動定時(shí)器2
  AUXR |= 0x01;               //選擇定時(shí)器2為串口1的波特率發(fā)生器
  ES = 1;                     //使能串口1中斷
}
// 初始化ADC
void AdInit()
{
  P1ASF = 0x01;  // P1.0作為模擬功能A/D使用
  ADC_RES = 0;
  ADC_RESL = 0;   // 結(jié)果寄存器清零
  ADC_CONTR = 0x88;  // 打開ADC的電源  540個(gè)周期轉(zhuǎn)換一次 選擇P1.0作為A/D輸入來用  
  delayus(20);
//   EADC = 1;  // 允許A/D轉(zhuǎn)換中斷
}
// 讀取ADC結(jié)果
uint GetADCResult()
{
  ADC_CONTR = 0x88;
  _nop_();                        //等待4個(gè)NOP
  _nop_();
  _nop_();
  _nop_();
  while (!(ADC_CONTR & 0x10));//等待ADC轉(zhuǎn)換完成
  ADC_CONTR &= ~0x10;         //Close ADC
  return ADC_RES*4 + ADC_RESL;                //返回ADC結(jié)果


}
// 發(fā)送串口數(shù)據(jù)
void SendData(uchar dat)
{
  SBUF = dat;
  while(TI == 0);
  TI = 0;
}
// 發(fā)送字符串
void SendString(char *s)
{
  while (*s)                  //檢測字符串結(jié)束標(biāo)志
  {
    SendData(*s++);         //發(fā)送當(dāng)前字符
  }
}
// 串門中斷
void Uart() interrupt 4
{  
  // 接收中斷標(biāo)志位
  if (RI)
  {
    RI = 0;                 //清除RI位
  }
  // 發(fā)送中斷標(biāo)志位
  if (TI)
  {
    TI = 0;                 //清除TI位
   }
}

四、利用新增的ADC第9通道測量內(nèi)部參考電壓的測試程序

ADC的第9通道是用來測試內(nèi)部BandGap參考電壓的，由于內(nèi)部BandGap參考電壓很穩(wěn)定，不會隨芯片的工作電壓的改變而變化，所以可以通過測量內(nèi)部BandGap參考電壓，然后通過ADC的值便可反推出VCC的電壓，從而用戶可以實(shí)現(xiàn)自己的低壓檢測功能。

ADC的第9通道的測量方法：首先將P1ASF初始化為0，即關(guān)閉所有P1口的模擬功能然后通過正常的ADC轉(zhuǎn)換的方法讀取第0通道的值，即可通過ADC的第9通道讀取當(dāng)前內(nèi)部BandGap參考電壓值。

用戶實(shí)現(xiàn)自己的低壓檢測功能的實(shí)現(xiàn)方法：首先用戶需要在VCC很精準(zhǔn)的情況下(比如5.0V)，測量出內(nèi)部BandGap參考電壓的ADC轉(zhuǎn)換值(比如為BGV5)，并將這個(gè)值保存到EEPROM中，然后在低壓檢測的代碼中，在實(shí)際VCC變化后，測量出的內(nèi)部BandGap參考電壓的ADC轉(zhuǎn)換值(比如為BGVx)，最后通過計(jì)算公式: 實(shí)際VCC = 5.0V * BGV5 / BGVx，即可計(jì)算出實(shí)際的VCC電壓值 ，需要注意的是,第一步的BGV5的基準(zhǔn)測量一定要精確。

測試程序：

#include "stc15.h"
#include "intrins.h"
#include "delay.h"


#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int


#define FOSC 11059200L          //系統(tǒng)頻率
#define BAUD 9600               //串口波特率


void UatrInit();
void SendData(uchar dat);
void SendString(char *s);
void AdInit();
uint GetADCResult();


uchar num[] = {'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9'};
uint adc_result = 0;


void main()
{
  P1M0 = 0x02;
  P1M1 = 0x00;
  UatrInit();
  AdInit();
  EA = 1;    // CPU開放中斷
  while (1)
  {
    adc_result = GetADCResult();
    SendData(num[adc_result/1000]);       
    SendData(num[adc_result%1000/100]);
    SendData(num[adc_result%100/10]);
    SendData(num[adc_result%10]);
        // 串口輸出的是0259
        // 實(shí)際內(nèi)部電壓  259÷1024*5 = 1.264V
        // 這個(gè)假設(shè)電源電壓是5V,和下載工具顯示的內(nèi)部電壓1245mV很接近了
    SendString("\\r\\n");
    delayms(2000);
  }
}
// 初始化串口
void UatrInit()
{
  SCON = 0x50;                //8位可變波特率 串口工作模式1
  T2L = (65536 - (FOSC/4/BAUD));   //設(shè)置波特率重裝值
  T2H = (65536 - (FOSC/4/BAUD)) >?>8;
  AUXR = 0x14;                //T2為1T模式, 并啟動定時(shí)器2
  AUXR |= 0x01;               //選擇定時(shí)器2為串口1的波特率發(fā)生器
  ES = 1;                     //使能串口1中斷
}
// 初始化ADC
void AdInit()
{
  P1ASF = 0x00;  // P1不作為模擬功能A/D使用
  ADC_RES = 0;
  ADC_RESL = 0;   // 結(jié)果寄存器清零
  ADC_CONTR = 0x88;  // 打開ADC的電源  540個(gè)周期轉(zhuǎn)換一次 選擇P1.0作為A/D輸入來用  
  delayus(20);
//   EADC = 1;  // 允許A/D轉(zhuǎn)換中斷
}
// 讀取ADC結(jié)果
uint GetADCResult()
{
  ADC_CONTR = 0x88;
  _nop_();                        //等待4個(gè)NOP
  _nop_();
  _nop_();
  _nop_();
  while (!(ADC_CONTR & 0x10));  //等待ADC轉(zhuǎn)換完成
  ADC_CONTR &= ~0x10;           //Close ADC
  return ADC_RES*4 + ADC_RESL;  //返回ADC結(jié)果
}
// 發(fā)送串口數(shù)據(jù)
void SendData(uchar dat)
{
  SBUF = dat;
  while(TI == 0);
  TI = 0;
}
// 發(fā)送字符串
void SendString(char *s)
{
  while (*s)                  //檢測字符串結(jié)束標(biāo)志
  {
    SendData(*s++);         //發(fā)送當(dāng)前字符
  }
}
// 串口中斷服務(wù)函數(shù)
void Uart() interrupt 4
{  
  // 接收中斷標(biāo)志位
  if (RI)
  {
    RI = 0;                 //清除RI位
    //  P0 = SBUF;              //P0顯示串口數(shù)據(jù)
    SendString("HELLO\\r\\n");
  }
  // 發(fā)送中斷標(biāo)志位
  if (TI)
  {
    TI = 0;                 //清除TI位
//    SendString("發(fā)送完成!\\r\\n");
   }
}

五、利用BandGap推算出電源電壓

在上面的例子中，我們通過A/D轉(zhuǎn)換的第九通道得到了電源電壓的AD值。由于內(nèi)部BandGap參考電壓很穩(wěn)定，不會隨芯片的工作電壓的改變而變化，所以可以通過兩次測量和一次計(jì)算便可得到外部的精確電壓。

計(jì)算公式：

電源電壓 = BandGap(電壓mV)÷BandGap(AD轉(zhuǎn)換值)×1024

獲取內(nèi)部BandGap電壓的程序

#include "stc15.h"
#include "intrins.h"
#include "delay.h"


#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int


#define FOSC 11059200L          //系統(tǒng)頻率
#define BAUD 9600               //串口波特率


#define ID_ADDR_RAM 0xef        //對于只有256字節(jié)RAM的MCU存放地址為0EFH


//注意:需要在下載代碼時(shí)選擇"在ID號前添加重要測試參數(shù)"選項(xiàng),才可在程序中獲取此參數(shù)
#define ID_ADDR_ROM 0x1ff7      //8K程序空間的MCU


void UatrInit();
void SendData(uchar dat);
void SendString(char *s);
void AdInit();
uint GetADCResult();


uchar num[] = {'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9'};
uint adc_result = 0;
uint BandGap = 0;
uint Vcc = 0;


void main()
{
  uchar idata *iptr;
  uchar code *cptr;
  UatrInit();
  AdInit();
  EA = 1;    // CPU開放中斷


  while (1)
  {  
    iptr = ID_ADDR_RAM;         //從RAM區(qū)讀取BandGap電壓值(單位:毫伏mV)  實(shí)際結(jié)果和STC-ISP軟件讀取的一樣  1245mV
    BandGap =  *iptr++ * 256 + *iptr++;  // 1245mV
    adc_result = GetADCResult();         // 結(jié)果為  259
    Vcc = (double)BandGap/adc_result * 1024; // 得到電源電壓 4.92V  實(shí)際使用萬用表測試的也是這個(gè)數(shù)值
    SendData(num[Vcc/1000]);
    SendData(num[Vcc%1000/100]);
    SendData(num[Vcc%100/10]);
    SendData(num[Vcc%10]);
    SendString("\\r\\n");    delayms(2000);
  }
}
// 初始化串口
void UatrInit()
{
  SCON = 0x50;                //8位可變波特率 串口工作模式1
  T2L = (65536 - (FOSC/4/BAUD));   //設(shè)置波特率重裝值
  T2H = (65536 - (FOSC/4/BAUD)) >?>8;
  AUXR = 0x14;                //T2為1T模式, 并啟動定時(shí)器2
  AUXR |= 0x01;               //選擇定時(shí)器2為串口1的波特率發(fā)生器
  ES = 1;                     //使能串口1中斷
}
// 初始化ADC
void AdInit()
{
  P1ASF = 0x00;  // P1不作為模擬功能A/D使用
  ADC_RES = 0;
  ADC_RESL = 0;   // 結(jié)果寄存器清零
  ADC_CONTR = 0x88;  // 打開ADC的電源  540個(gè)周期轉(zhuǎn)換一次 選擇P1.0作為A/D輸入來用  
  delayus(20);
//   EADC = 1;  // 允許A/D轉(zhuǎn)換中斷
}
// 讀取ADC結(jié)果 獲取內(nèi)部BandGap電壓的AD轉(zhuǎn)換值
uint GetADCResult()
{
  ADC_CONTR = 0x88;
  _nop_();                        //等待4個(gè)NOP
  _nop_();
  _nop_();
  _nop_();
  while (!(ADC_CONTR & 0x10));  //等待ADC轉(zhuǎn)換完成
  ADC_CONTR &= ~0x10;           //Close ADC
  return ADC_RES*4 + ADC_RESL;  //返回ADC結(jié)果
}
// 發(fā)送串口數(shù)據(jù)
void SendData(uchar dat)
{
    SBUF = dat;
  while(TI == 0);
  TI = 0;
}
// 發(fā)送字符串
void SendString(char *s)
{
  while (*s)                  //檢測字符串結(jié)束標(biāo)志
  {
    SendData(*s++);         //發(fā)送當(dāng)前字符
  }
}
// 串口服務(wù)函數(shù)
void Uart() interrupt 4
{  
  // 接收中斷標(biāo)志位
  if (RI)
  {
    RI = 0;                 //清除RI位
  }
  // 發(fā)送中斷標(biāo)志位
  if (TI)
  {
    TI = 0;                 //清除TI位
   }
}