АЦП микроконтроллера AVR

АЦП (аналого-цифровой преобразователь) является наиболее широко используемым устройством во встроенных системах, разработанный специально для сбора данных с аналоговых датчиков. В AVR серии ATmega обычно 10-битный АЦП встроен в контроллер.

Давайте посмотрим, как использовать АЦП AVR на примере микроконтроллеров серии ATmega16 / ATmega32.

Микроконтроллеры ATmega16/32 поддерживают восемь каналов АЦП, это означает, что мы можем подключить восемь аналоговых датчиков одновременно. Каналы АЦП с 0 по 7 присутствуют на PORTA. т. е. контакты № 33–40.

Контроллер имеет 10-битный АЦП, это означает, что мы получим цифровой выход от 0 до 1023. Т. е. когда на входе 0В, на цифровом выходе будет значение 0, а когда на входе 5В (и Vref = 5 В), мы получим самое высокое цифровое значение, соответствующий 1023 шагам.

Исходя из выше описанного получается, что АЦП контроллера имеет 1023 шага. В зависимости от выбранного Vref меняется и количество мВ на один шаг:

Размер шага при Vref = 5В:

Размер шага при Vref = 2,56В:

Таким образом,  цифровое значение будет равняться:

АЦП в ATmega16/32

• Это 10-битный АЦП.
• Преобразованные выходные двоичные данные хранятся в двух специальных функциях 8-битного регистра ADCL (Low — младшие биты) и ADCH (High — старшие биты).
• АЦП выдает 10-битный код, поэтому (ADCH и ADCL) полезны только 10-бит из 16-ти.
• У нас есть варианты использовать эти 10 бит как старшие или младшие биты.
• В микроконтроллерах AVR предусмотрена возможность подключения Vref тремя различными вариантами.
  1. AVcc — подключение к напряжению питания (аналог Vcc)
  2. Внутренний Vref, который имеет напряжение 2.56 В.
  3. Внешний Aref. Подключается к выводу микроконтроллера.
• Общее время преобразования зависит от частоты кристалла и ADPS: содержит коэффициент деления частоты.
• Выбрав в качестве опорного напряжения  AVcc или Aref необходимо подключить конденсатор, данное действие позволит убрать часть шумов, сигнл будет более стабильным и повысится точность измерения. Конденсатор подключается между этим выводом  и GND.

Регистры АЦП в AVR

В AVR для настройки АЦП нам нужно знать четыре основных регистра:

• ADCH: содержит старший байт цифровых преобразованных данных.
• ADCL: Содержит младший байт цифровых преобразованных данных.
• ADMUX: регистр выбора мультиплексора АЦП.
• ADCSRA: регистр управления и состояния ADC.

Регистры ADCH:ADCL

Эти два регистра содержат данные цифрового преобразования, которые являются 10-битными.

Регистр ADMUX

Бит 7:6 – REFS1:0: настройка опорного напряжения для работы АЦП.

Соответствие вида опорного напряжения и битов REFS1:0 представлена на рисунке ниже.

Бит 5 — ADLAR: регулировка представления результата преобразования.

Результат преобразования принимает либо левосторонний формат либо правосторонний формат.  Настройка  применяется сразу после установки бита в 0 или 1.

Регистр ADCSRA

Биты 2:0 – ADPS2:0: Биты выбора предварительного делителя АЦП.

Установкой данных битов мы выбираем делитель частоты XTAL, чтобы настроить тактирование АЦП на необходимую частоту.

Мы можем выбрать любой делитель и установить частоту Fosc/2, Fosc/4 и т. д., но в микроконтроллерах AVR для корректной работы АЦП требуется чтобы тактовая частота не превышала 200 кГц.

Предположим, тактовая частота вашего микроконтроллера AVR составляет 8 МГц, тогда мы должны использовать делитель 64 или 128. Поскольку он дает 8 МГц/64 = 125 кГц, что меньше 200 кГц.

Пример электрической схемы использования АЦП в AVR

В данном примере LCD16x2 используется для отображения значений цифрового преобразования из канала 0.

Пошаговая инструкция использования АЦП в AVR

• Укажите входной канал АЦП.
• Установите бит включения ADEN в ADCSRA, выберите скорость преобразования с помощью ADPS2:0. В примере у нас будет делитель  128.
• Далее необходимо выбрать один из трех вариантов опорного напряжения, используя REFS1:REFS0 в регистре ADMUX. В данном примере мы будем использовать AVcc в качестве опорного напряжения.
• Выберите входной канал АЦП, используя MUX4:0 в ADMUX, например, мы будем использовать канал 0.
• Итак, наше значение в регистре ADCSRA = 0x87 и ADMUX = 0x40.
• Начните преобразование, установив бит ADSC в ADCSRA. Например, ADCSRA |= (1<<ADSC).
• Дождитесь завершения преобразования. Для этого необходимо опрашивать ADIF. Бит установиться в единицу после завершения преобразования. Данный бит содержится в регистре ADCSRA.
• После того, как бит ADIF станет равным единице, необходимо считать содержимое регистров ADCL и ADCH, чтобы получить цифровое значение преобразования.

Пример программы использования АЦП в AVR

Скачать ZIP-архив с проектом

#include <util/delay.h>
#include <stdlib.h>
#include "LCD_16x2_H.h"

void ADC_Init()
{
    DDRA = 0x0;               /* Порт АЦП как вход */
    ADCSRA = 0x87;            /* Включаем АЦП. делитель 128  */
    ADMUX = 0x40;             /* выбираем опорное напряжение и 0 канал */
}

int ADC_Read(char channel)
{
    int Ain, AinLow;
    
    ADMUX = ADMUX | (channel & 0x0f);    /* выбор канала для чтения*/

    ADCSRA |= (1 << ADSC);               /* начало преобразования */
    while((ADCSRA & (1 << ADIF)) == 0);  /* Ждем окончания преобразования */
    
    _delay_us(10);
    AinLow = (int) ADCL;                 /* Читаем младший байт*/
    Ain = (int) ADCH * 256;              /* читаем старший байт и соединяем в одно двух байтное число 
                    */
    Ain = Ain + AinLow;                
    return(Ain);                         /* Возвращаем цифровой код
}
 
int main()
{
    char String[5];
    int value;

    ADC_Init();
    LCD_Init();                 /* инизиализация  LCD */
    LCD_String("ADC value");    /* Запись первой строки LCD */

    while(1)
    {
        LCD_Command(0xc4);        /* LCD16x2 позиция курсора*/
        value = ADC_Read(0);      /* Чтение канала 0 АЦП */
        itoa(value, String,10);   /* переводим число в строку */ 
        LCD_String(String);                        
        LCD_String("  ");            
    }
    return 0;
}

Загрузки

• Даташит на Atmega16
• Даташит на Atmega32
• Даташит на дисплей WH1602
• ZIP-архив с проектом

Где купить

• ATMEGA16 DIP-40
• ATMEGA32 DIP-40
• LCD 1602
• Набор выводных резисторов
• Набор подстроечных резисторов
• Набор керамических конденсаторов (180 штук)
• Набор кнопок (10 видов)