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【STM32 实战】ADC 全解析：从模拟信号采集到数据处理的完整指南_stm32 adc采集电路

网友: 技术文档 2025-08-08 09:19:53

一、ADC 是什么？为什么需要它？

在嵌入式系统中，我们常遇到需要处理模拟信号的场景：

  • 光敏电阻随光线变化的电压值
  • 电位器旋转时的电阻变化量
  • 温度传感器输出的电流信号
    这些连续变化的模拟量无法直接被 STM32 的数字电路处理，而 **ADC（模数转换器）** 就是搭建 “模拟世界” 与 “数字世界” 的桥梁。
    STM32 的 ADC 模块能将 0~3.3V 的模拟电压转换为 12 位数字值（0~4095），精度高、速度快，是传感器数据采集的核心组件。

二、STM32 ADC 核心特性（以 F103 系列为例）

1. 关键参数

  • 分辨率：12 位（可识别 3.3V/4096≈0.8mV 的电压变化）。
  • 转换速度：最大 1MHz 时钟下，转换时间约 1μs（适合高频采样）。
  • 通道数量：最多 16 个外部通道 + 2 个内部通道（温度传感器、参考电压）。
  • 工作模式：
    • 单次转换：转换一次后停止（适合按键检测等偶发场景）。
    • 连续转换：循环采样（适合实时数据监测）。
    • 扫描模式：依次转换多个通道（如同时采集温湿度、光照强度）。

2. 硬件连接要点

  • 输入范围：0~VREF+（通常接 3.3V，由 VDDA 供电）。
  • 抗干扰：模拟信号引脚需接去耦电容（如 100nF），减少高频噪声。
  • 引脚复用：如 PA0~PA7 可作为 ADC 通道 0~7，需在 CubeMX 中配置为 “模拟输入” 模式。

三、实战一：单通道电压采集（电位器调节 LED 亮度）

需求分析

  • 目标：通过电位器调节输入电压，ADC 采集后转换为数字值，控制 LED 亮度（PWM 实现）。
  • 硬件：STM32F103C8T6 开发板、电位器、LED。
  • 电路连接：
    • 电位器中间引脚接 PA0（ADC 通道 0），两端分别接 3.3V 和 GND。
    • LED 接 PC13（PWM 控制，参考前序定时器教程）。

实现步骤（CubeMX + HAL 库）

1. 在 CubeMX 中配置 ADC

① 新建工程：选择 STM32F103C8，启用 ADC1 通道 0（PA0）。
② 配置 ADC1：

  • 模式：单次转换，非扫描模式。
  • 分辨率：12 位。
  • 采样时间：55.5 周期。
  • 使能通道 0：在 “Channels” 中勾选 ADC1_IN0。

③ 生成代码：确保勾选 “Generate ADC initialization”。

2. 编写 ADC 采集与 PWM 控制代码

① 在 main.c 中定义变量：

uint16_t adcValue = 0; // 存储ADC转换结果uint16_t pwmValue = 0; // PWM占空比（0~999）

② 初始化 ADC 并启动转换

int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); MX_GPIO_Init(); MX_ADC1_Init(); MX_TIM3_Init(); // 预配置TIM3用于PWM输出 HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1); // 启动PWM while (1) { HAL_ADC_Start(&hadc1); // 启动ADC转换 HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100); // 等待转换完成（超时100ms） adcValue = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); // 获取转换结果 // 将ADC值（0~4095）映射为PWM占空比（0~999） pwmValue = (uint16_t)(adcValue / 4.096); __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, pwmValue); // 更新PWM占空比 HAL_Delay(50); // 控制采样频率 }}

关键公式

  • 电压计算：Voltage = adcValue × 3.3V / 4096
  • PWM 映射：将 0~4095 的 ADC 值压缩到 0~999，实现亮度线性调节。

四、实战二：多通道同步采集（温湿度 + 光照强度）

需求分析

  • 目标：同时采集 3 路模拟信号（温度、湿度、光照），用 DMA 实现非阻塞传输。
  • 硬件：STM32F103C8T6、DHT11（单总线，需 ADC 采集电压）、光敏电阻、热敏电阻。

实现步骤（DMA + 扫描模式）

1. CubeMX 配置

① 启用 ADC1 多通道：勾选 ADC1_IN0（光照）、ADC1_IN1（温度）、ADC1_IN2（湿度）。
② 配置扫描模式：

  • 勾选 “Scan Conversion Mode”（扫描模式）。
  • 设置通道转换顺序：IN0→IN1→IN2，循环扫描。
    ③ 启用 DMA：
  • 选择 DMA 通道 1（ADC1 专用），传输方向：外设到存储器。
  • 存储器地址：定义数组uint16_t adcBuffer[3]。
2. 代码逻辑（DMA 传输）
uint16_t adcBuffer[3]; // 存储3通道数据int main(void) { HAL_Init(); MX_ADC1_Init(); HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, adcBuffer, 3); // 启动DMA传输，采集3通道数据 while (1) { // 处理数据：adcBuffer[0]=光照，adcBuffer[1]=温度，adcBuffer[2]=湿度 // 例如：通过串口打印数据 printf(\"Light: %d, Temp: %d, Humidity: %d\\r\\n\", adcBuffer[0], adcBuffer[1], adcBuffer[2]); HAL_Delay(1000); }}

优势解析

  • DMA 非阻塞：CPU 无需等待 ADC 转换，可同时处理其他任务（如串口通信、按键检测）。
  • 扫描模式：自动按顺序采集多通道，避免软件轮询的延迟误差。

五、高级技巧：ADC 校准与抗干扰

1. 硬件校准

  • 原因：ADC 内部元件存在制造误差，校准可提高精度。
HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1); // 在初始化后调用校准函数

软件滤波（中值滤波）

  • 场景：抑制随机噪声（如电机启动时的电压波动）。
  • 代码示例：
uint16_t filterBuffer[10]; // 缓存10次采样值uint16_t getFilteredValue() { for (int i=0; i<9; i++) filterBuffer[i] = filterBuffer[i+1]; filterBuffer[9] = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); // 排序后取中值 for (int i=0; i<9; i++) { for (int j=i+1; j filterBuffer[j]) { uint16_t temp = filterBuffer[i]; filterBuffer[i] = filterBuffer[j]; filterBuffer[j] = temp; } } } return filterBuffer[5]; // 返回第5大的值}

六、常见问题与解决方案

1. 转换结果始终为 0 或 4095

  • 原因：
    • 引脚未正确连接（浮空或短路）。
    • ADC 时钟未使能（检查 CubeMX 的 RCC 配置）。
  • 解决：用万用表测量引脚电压，确保在 0~3.3V 范围内，并重新生成代码。

2. 多通道数据错乱

  • 原因：DMA 缓冲区大小与通道数不匹配。
  • 解决：DMA 传输数量需等于通道数，如 3 通道则HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, buffer, 3)。

3. 精度不足

  • 优化：
    • 增大采样时间（CubeMX 中设置为 239.5 周期，适合高精度场景）。
    • 启用过采样（通过 ADC_CR1 的 OVERSAMPLING_RATIO 配置）。

七、总结：ADC 的应用边界与扩展

通过本文，你已掌握：

  • 单通道采集：电位器、传感器等基础应用。
  • 多通道扫描 + DMA：高效处理多路模拟信号。
  • 抗干扰技巧：校准与滤波提升数据可靠性。

未来方向：

  • 结合 DMA 和定时器，实现周期性多通道采样（如工业数据监控）。
  • 搭配 DAC（数模转换器），构建闭环控制系统（如自动温控风扇）。

下一篇预告：《STM32 通信实战：USART 串口与物联网模块的互联互通》
（关注我，解锁设备联网技能～）

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