我們生活在一個(gè)模擬世界中，其中大多數(shù)物理變量都是模擬信號(hào)。但是，微控制器只能處理數(shù)字格式的可用數(shù)據(jù)。正是由于這個(gè)原因，模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）在與模擬環(huán)境交互的嵌入式系統(tǒng)中是如此重要。在本教程中，我們將討論chipKIT UNO32板的ADC功能，并說(shuō)明如何從其ADC通道讀取模擬輸入信號(hào)。

模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換

理論

許多嵌入式應(yīng)用程序處理諸如運(yùn)動(dòng)，溫度，壓力，相對(duì)濕度，光強(qiáng)度和聲音。微控制器無(wú)法直接處理這些實(shí)體，因?yàn)閕）它們是非電信號(hào)，ii）它們是模擬量，這意味著與數(shù)字信號(hào)的離散值相比，它們?cè)诮o定范圍內(nèi)具有一組連續(xù)的值。為了使微控制器能夠處理這些數(shù)量，必須以某種方式將它們表示為數(shù)字信號(hào)。此過(guò)程的第一步是將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這需要使用換能器。

換能器是一種將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的機(jī)電系統(tǒng)，反之亦然。換能器的最簡(jiǎn)單示例是光敏電阻或LDR，可用于測(cè)量環(huán)境光的強(qiáng)度。 LDR是一種特殊的電阻器，其電阻會(huì)隨著落在其表面上的光強(qiáng)度而變化。 LDR的電阻隨著光強(qiáng)度的升高而降低。下圖顯示了在兩種不同強(qiáng)度的光照射下LDR的電阻的測(cè)量結(jié)果。

在較高的光強(qiáng)度下，LDR的電阻較低（1.31 K？）

當(dāng)落在其上的光被阻擋時(shí)，LDR電阻會(huì)升高（6.30 K？）

與固定值電阻器串聯(lián)的電阻可用于構(gòu)建將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓的機(jī)制。稍后將對(duì)此進(jìn)行更詳細(xì)的討論。換能器的另一個(gè)示例是電動(dòng)機(jī)，它將電壓轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)。

現(xiàn)在，物理信號(hào)已轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，但由于其模擬性質(zhì)，尚未準(zhǔn)備好進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理。因此，下一步需要模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用連續(xù)變化的電壓輸入并返回適合微控制器使用的二進(jìn)制數(shù)字表示形式。

如今，許多微控制器都配備了模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。 chipKIT UNO32板上的PIC32MX320F128H微控制器具有一個(gè)內(nèi)置ADC，具有16個(gè)ADC輸入通道。在Uno32板上，只有12個(gè)可通過(guò)排針A0至A11進(jìn)行訪問(wèn)。 ADC的分辨率為10位，這意味著對(duì)于給定范圍的模擬信號(hào)，可以進(jìn)行1024（2 10 ）個(gè)離散二進(jìn)制表示形式（0至1023）。 ADC的可接受范圍通過(guò)參考電壓（VREF）設(shè)置。 chipKIT UNO32板上PIC32MX320F128H微控制器的默認(rèn)設(shè)置參考電壓是其電源電壓（Vcc = 3.3 V）。這也是可以在chipKIT UNO32板上的任何ADC通道上施加的模擬電壓的最大值。假設(shè)，如果將ADC的范圍設(shè)置為0-3.3V（VREF = 3.3 V），則ADC分辨率也可以用電壓表示為3.3/1024？ 3.2毫伏。這是片上模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器可檢測(cè)到的模擬輸入電壓的最小變化。因此，0到3.2 mV之間的任何值都將由十進(jìn)制0表示，十進(jìn)制1則介于3.2 mV和6.4 mV之間，十進(jìn)制2代表6.4 mV和9.6 mV之間，…，最后是1023介于3.2968 V和3.3 V之間。可以看到，采用這種配置，模擬電壓的數(shù)字表示形式中的最大誤差可能為3.2 mV。這也稱(chēng)為量化誤差。

有時(shí)，模擬輸入電壓的范圍與3.3V相比過(guò)小，并且變化很小。例如，房間內(nèi)的空氣溫度變化不大。在這種情況下，您可以提高A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率（從而減少量化誤差）以更精確地跟蹤溫度。假設(shè)如果您知道溫度感測(cè)傳感器的輸出電壓不能超過(guò)1V，則將VREF設(shè)置為1V可以提高分辨率為1/1024？ 1毫伏?，F(xiàn)在，A/D轉(zhuǎn)換器能夠檢測(cè)到輸入信號(hào)中很小的變化。外部ADC參考電壓可以通過(guò)其AREF引腳（在連接器J5上標(biāo)記為A）提供給chipKIT UNO32板上的微控制器?？梢允┘拥皆撘_的最大電壓為3.3V。

電路設(shè)置

在本教程中，一個(gè)2.2K電阻與LDR以構(gòu)建分壓網(wǎng)絡(luò)，如下所示。通過(guò)Uno32板的ADC通道A0測(cè)量電阻兩端的電壓。當(dāng)光線落在LDR上時(shí)，其電阻減小，因此2.2K電阻兩端的電壓升高。如果光線被阻止落到LDR上，則會(huì)發(fā)生相反的情況。因此，10位ADC輸出與落在LDR上的光強(qiáng)度成正比。評(píng)估板已連接到PC，ADC輸出將通過(guò)串行端口發(fā)送并顯示在串行監(jiān)視器窗口中。

傳感模擬世界

面包板上的LDR電路設(shè)置

書(shū)寫(xiě)草圖

ADC輸出通過(guò)串行線路發(fā)送，必須在設(shè)置功能中初始化串行端口和波特率。 analogRead（）函數(shù)用于從括號(hào)內(nèi)指定的模擬引腳讀取模擬輸入信號(hào)。默認(rèn)情況下，3.3V的電源電壓用作A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓，這意味著0到3.3伏之間的輸入電壓映射為0到1023之間的整數(shù)值。為了使用施加到A引腳的外部參考電壓，請(qǐng)?jiān)诓輬D中使用 analogReference（External）函數(shù)。這是完整的chipKIT草圖，可讀取A0 ADC通道上的輸入值并將ADC輸出打印到串行監(jiān)視器。

/*

Tutorial 4： Analog to digital conversion

Description： Reads an analog signal input to A0 pin and send the

10-bit ADC output to PC to display on the serial monitor.

Board： chipKIT UNO32

*/

int ADC_OUTPUT;

void setup（） {

Serial.begin（9600）;

}

void loop（） {

ADC_OUTPUT = analogRead（A0）;

Serial.print（“LDR sensor output = ”）;

Serial.println（ADC_OUTPUT， DEC）;

delay（1000）;

}

下載草圖文件

輸出

將以上草圖上傳到Uno32板上，然后從MPIDE打開(kāi)串行終端窗口。 ADC樣本（整數(shù)ADC輸出）以1秒的間隔打印在窗口上。您可以觀察這些數(shù)字如何隨著LDR上光線的變化而變化。如果您將手指放在LDR上并阻擋掉落在LDR上的光，則ADC輸出將突然下降。

chipKIT Uno32板通過(guò)串行將ADC輸出發(fā)送到PC界面

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