单片机与模拟输入输出（ADC/DAC）：传感器读取

引言

单片机与模拟输入输出（ADC/DAC）是在嵌入式系统中常用到的技术，它们使得单片机能够读取传感器信号，并控制外部设备。本文将介绍单片机中模拟输入输出的基本原理，以及如何使用ADC（模数转换器）和DAC（数模转换器）读取和输出模拟电信号。

单片机模拟输入输出原理

单片机在数字电路上工作，但与外部世界的交互需要使用模拟电信号。模拟输入指的是将来自外部传感器的连续变化的模拟电信号转换为数字形式，供单片机处理。模拟输出则是将单片机处理后的数字信号转换为模拟电信号，用于控制外部设备。

单片机中的模拟输入输出通常通过ADC和DAC来实现。

ADC（模数转换器）

ADC用于将模拟电压或电流信号转换为数字信号，供单片机处理。常见的ADC类型有逐次逼近转换器（SAR）和Σ-Δ调制器（Delta Sigma）。

通常，ADC的工作原理如下：

ADC测量外部模拟信号的电压或电流值；
ADC将测量到的模拟信号转换为数字形式，可以是二进制或其他格式；
单片机通过读取ADC的输出值，获取模拟输入信号的数字表示。

DAC（数模转换器）

DAC是将数字信号转换为模拟电信号的装置。它将单片机处理后的数字信号恢复为连续的模拟信号，用于驱动外部设备。

DAC的工作原理如下：

单片机产生数字信号，表示要输出的模拟电信号的数值；
DAC将数字信号转换为模拟电信号；
模拟电信号用于控制外部设备或传输到其他电路。

使用ADC读取传感器信号

现在我们来看一个简单的例子，演示如何使用ADC读取传感器信号。

步骤1： 连接传感器和单片机，确保传感器的输出与ADC的输入相连。

步骤2： 配置单片机的ADC模块，设置采样率、精度和其他参数。

步骤3： 在代码中使用ADC模块读取传感器信号。

以下是一个C语言的例子，使用STM32单片机的HAL库读取ADC输入：

#include "stm32f1xx_hal.h"

ADC_HandleTypeDef hadc;

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_ADC_Init(void);

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_ADC_Init();

  // 读取ADC输入
  uint16_t adc_value;
  HAL_ADC_Start(&hadc);
  if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc, 1000) == HAL_OK)
  {
    adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc);
  }
  HAL_ADC_Stop(&hadc);

  // 处理ADC输入
  // ...

  while (1)
  {
  }
}

void MX_ADC_Init(void)
{
  ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};

  // 初始化ADC外设
  hadc.Instance = ADC1;
  hadc.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE;
  hadc.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;
  hadc.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
  hadc.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
  hadc.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
  hadc.Init.NbrOfConversion = 1;
  if (HAL_ADC_Init(&hadc) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  // 配置ADC通道
  sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0;
  sConfig.Rank = 1;
  sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_3CYCLES;
  if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc, &sConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

在上述代码中，我们首先初始化ADC外设并配置ADC通道。然后，我们使用HAL_ADC_Start函数启动ADC转换，并通过HAL_ADC_PollForConversion函数等待转换完成。最后，我们使用HAL_ADC_GetValue函数获取ADC的测量值。

使用DAC输出模拟信号

接下来，我们将展示如何使用DAC输出模拟信号。

步骤1： 连接DAC和外部设备，确保DAC的输出与外部设备输入相连。

步骤2： 配置DAC模块，设置输出的范围和精度。

步骤3： 在代码中使用DAC模块输出模拟信号。

以下是使用STM32单片机的HAL库输出模拟信号的C语言例子：

#include "stm32f1xx_hal.h"

DAC_HandleTypeDef hdac;

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_DAC_Init(void);

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_DAC_Init();

  // 输出一个模拟信号
  uint16_t dac_value = 2048; // 设置DAC输出值，范围为0-4095
  HAL_DAC_SetValue(&hdac, DAC_CHANNEL_1, DAC_ALIGN_12B_R, dac_value);
  HAL_DAC_Start(&hdac, DAC_CHANNEL_1);

  while (1)
  {
  }
}

void MX_DAC_Init(void)
{
  DAC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};

  // 初始化DAC外设
  hdac.Instance = DAC1;
  if (HAL_DAC_Init(&hdac) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  // 配置DAC通道
  sConfig.DAC_Trigger = DAC_TRIGGER_NONE;
  sConfig.DAC_OutputBuffer = DAC_OUTPUTBUFFER_ENABLE;
  if (HAL_DAC_ConfigChannel(&hdac, &sConfig, DAC_CHANNEL_1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

在上述代码中，我们首先初始化DAC外设并配置DAC通道。然后，我们使用HAL_DAC_SetValue函数设置DAC输出的电压值，范围为0-4095。最后，我们使用HAL_DAC_Start函数启动DAC输出。

结论

通过使用ADC和DAC，我们可以在单片机中实现模拟输入输出功能，读取传感器信号和控制外部设备。这种技术在嵌入式系统中广泛使用，为我们提供了对外部世界的高精度和灵活的控制能力。

希望本文对你理解单片机与模拟输入输出有所帮助。谢谢阅读！

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