STM32（七）：ADC电位检测 （标准库函数）

news2024/11/15 9:28:14

前言

上一篇文章已经介绍了如何用STM32单片机中的定时器的PWM波来实现LED的“呼吸”。这篇文章我们来介绍一下如何用STM32单片机中ADC进行电位检测，并发送到XCOM串口中显示。

一、实验原理

1.ADC模数转换的介绍

首先，我们先介绍一下AD模数模块（Analog-to-Digital Converter）。AD模数模块即模拟/数字转换器，主要功能是将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号。

由于单片机只能处理数字信号，因此，在对外部的模拟信号进行分析、处理的过程中，必须使用ADC模块将外部的模拟信号转换成单片机所能处理的数字信号。

A/D转换器的主要类型有以下几种：

  • 积分型
  • 逐次比较型
  • 并行比较型
  • \Sigma -\bigtriangleup调制型
  • 电容阵列逐次比较型
  • 压频变换型
A/D转换器的主要技术指标主要有以下几种：
  • 转换范围 ：A/D转换器能够转换的模拟电压范围。
  • 分辨率：输出二进制数的位数表示，位数越多，分辨率越高。
  • 绝对精度：对应一个给定数字量的理论模拟输入与实际输入之差。
  • 转换速度：A/D转换器完成一次转换所需的时间。转 换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的 数字输出信号所经过的这段时间。

典型ADC结构性能比较如下：

2.STM32中的ADC

STM32拥有1~3个ADC（STM32F101/102系列只有1个ADC，STM32F103系列最少都拥有2个ADC ），这些ADC可以独立使用，也可以使用双重模式（提高采样率）。

STM32的ADC是12位逐次逼近型的模拟数字转换器。它有18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源（温度传感器、内部参考电压）。ADC的输入时钟不得超过14MHz，其时钟频率由PCLK2分频产生。

ADC 特点
  • STM32单片机有2个独立的ADC控制器，有18个通道，可测量16个外部信号和2个内部信号源：内部温度传感器和内部参考电压(Bandgap voltage) 。
  • ADC 供电要求: 2.4V to 3.6 V 。
  • ADC 输入范围: VREF- ≤ VIN ≤ VREF+ (VREF+ and VREF- available only in LQFP100 package)
  • 精度：12位。结果可按左对齐或右对齐的方式存放在16位寄存器中。
  • A/D转换的过程：采用、保持、量化、编程。采样时间越长，转换结果越稳定。采样时间可设置为：1.5个/7.5个/13.5个/28.5个ADC时钟周期。
  • ADC转换时间 : 采用时间+转换时间（12.5个时钟周期）
  • DMA 功能 （ADC1）

要想搞清楚ADC的原理，那么首先还是先要学会看图，原理图如下图所示：

1.电压输入范围

ADC所能测量的电压范围就是VREF- ≤ VIN ≤ VREF+，把 VSSA 和 VREF-接地，把 VDDA和VREF+接 3.3V，得到ADC的输入电压范围为： 0~3.3V。

2.输入通道

STM32 的 16 个外部 ADC 通道可分为两组 : 规则的和注入的。
  • 每个组可以是这16个通道中的任意一些通道以任意顺序进行的组合。
  • 规则组最多有16个通道，通道和转换顺序在ADC规则系列寄存器x(ADC_JSQR)中选择。
  • 注入组最多有4个通道。通道和转换顺序在ADC注入系列寄存器(ADC_JSQR)中选择。

各通道的A/D 转换可以单次、连续、扫描或间断模 式执行， stm32f103zet6通道如下：

3.转换顺序

由于规则转换通道只有一个数据寄存器，使用多个通道进行转换需要考虑转换顺序。多个通道的使用顺序分为俩种情况：规则通道的转换顺序和注入通道的转换顺序。

可以看下参考博客，这边就不多加赘述。

4.触发源

触发有两种方式：配置寄存器和通过内部定时器或者外部IO触发转换。

  • 配置寄存器触发，通过配置控制寄存器CR2的ADON位，写1时开始转换，写0时停止转换。在程序运行过程中只要调用库函数，将CR2寄存器的ADON位置1就可以进行转换。
  • 通过内部定时器或者外部IO触发转换，也就是说可以利用内部时钟让ADC进行周期性的转换，也可以利用外部IO使ADC在需要时转换，具体的触发由控制寄存器CR2决定。

5.转换时间

转换时间由输入时钟和采样周期来决定。每个通道总的转换时间=TSampling+Tconversion Tsampling(采样时间)

转换时间=采样时间+12.5个周期

STM32的ADC最大的转换速率为1Mhz，也就是转换时间为1us（在ADCCLK=14M,采样周期为1.5个ADC时钟下得到）
• 不要让 ADC 的时钟超过 14M ，否则将导致结果准确度下降。

6.数据寄存器 

数据转换完成后的存放在2种数据寄存器中，分别是注入通道数据寄存器和规则通道数据寄存器。

注入通道数据寄存器

数据寄存器有4个，由于注入通道最多有4个，所以注入通道转换的数据都有固定的存放位置，不会跟规则寄存器那样产生数据覆盖的问题。

规则通道数据寄存器

负责存放规则通道转换的数据，通过32位寄存器ADC_DR来存放。

7.中断

规则和注入组转换结束时能产生中断，当模拟看门狗状态位被设置时也能产生中断。它们都有 独立的中断使能位。
数据转换完成之后可以产生中断，有三种情况，如下图所示：

二、实验步骤

1.配置NVIC

主要是配置ADC中断优先级，这边的对于优先级配置不懂的可以看之前的文章

STM32（三）：外部中断 （标准库函数）_stm32外部中断的库函数程序怎么写-CSDN博客

static void ADC_NVIC_Config(void)
{
  NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
   /* 配置中断优先级 */  
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = ADCx_IRQ;
	 /* 设置抢占式优先级为0 */
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
	 /* 设置子优先级为0 */
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
	 /* 使能外部中断通道 */
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	 /* 初始化配置嵌套向量中断控制器 */
  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

2.GPIO 初始化

主要是对ADC IO口引脚的配置，同时还要使能端口时钟

static void ADCx_GPIO_Config(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	
	/* 打开 ADC IO端口时钟 */
	ADC_APBxClock_FUN(ADC_GPIO_CLK, ENABLE );	
	/* 配置 ADC IO 引脚模式 */
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = ADC_PIN;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;	
	/* 初始化 ADC IO */
	GPIO_Init(ADC_PORT, &GPIO_InitStructure);				
}

3.配置工作模式

static void ADCx_Mode_Config(void)
{
	ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;	
	/* 打开ADC时钟 */
	ADC_APBxClock_FUN(ADC_CLK,ENABLE );	
	/* ADC 模式配置 */
	/* 只使用一个ADC，属于单模式 */
	ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;	
	/* 禁止扫描模式，多通道才要，单通道不需要 */
	ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE ; 
	/* 连续转换模式 */
	ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;
	/* 不用外部触发转换，软件开启即可 */
	ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
	/* 转换结果右对齐 */
	ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;	
	/* 转换通道1个 */
	ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;			
	/* 初始化ADC */
	ADC_Init(ADCx, &ADC_InitStructure);
	
	/* 配置ADC时钟为PCLK2的8分频，即9MHz */
	RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div8);
	
	/* 配置 ADC 通道转换顺序为1，第一个转换，采样时间为55.5个时钟周期 */
	ADC_RegularChannelConfig(ADCx, ADC_CHANNEL, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);
	
	/* ADC 转换结束产生中断，在中断服务程序中读取转换值 */
	ADC_ITConfig(ADCx, ADC_IT_EOC, ENABLE);
	
	/* 开启ADC ，并开始转换 */
	ADC_Cmd(ADCx, ENABLE);
	
	/* 初始化ADC 校准寄存器   */
	ADC_ResetCalibration(ADCx);
	/*等待校准寄存器初始化完成 */
	while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADCx));	
	/* ADC开始校准*/
	ADC_StartCalibration(ADCx);
	/*等待校准完成 */
	while(ADC_GetCalibrationStatus(ADCx));
	
	/* 由于没有采用外部触发，所以使用软件触发ADC转换  */
	ADC_SoftwareStartConvCmd(ADCx, ENABLE);
}

记得配置ADC初始化函数，将上述配置放在一个函数ADCx_Init()里

void ADCx_Init(void)
{
	ADCx_GPIO_Config();
  ADC_NVIC_Config();
	ADCx_Mode_Config();	
}

4.中断函数

但到这里我们的中断配置还没结束！！重点！！易踩坑！！

我们还需要在stm32f10x_it.c的文件里面加上新的中断服务函数 ADC_IRQHandler_FUN()，记得加上头文件，例如：

#include "bsp/adc/bsp_adc.h"

__IO uint16_t ADC_ConvertedValue;

void ADC_IRQHandler_FUN(void)
{
  if(ADC_GetITStatus(ADCx,ADC_IT_EOC)!=RESET)
  {
    ADC_ClearITPendingBit(ADCx,ADC_IT_EOC);
    /* 读取ADC的转换值 */
    ADC_ConvertedValue = ADC_GetConversionValue(ADCx);
    
  }
}

5.串口发送函数

主要是讲电压数据发送到XCOM串口助手中，运用到printf（）函数，这边可以看发过的这篇文章

STM32（九）：USART串口通信 （标准库函数）-CSDN博客

三、实操代码

程序分为3个文件：bsp_adc.c、bsp_adc.h、main.c

1.bsp_adc.c  

/* 包含头文件 ----------------------------------------------------------------*/
#include "bsp/adc/bsp_adc.h"

/**
  * 函数功能: ADC GPIO 初始化
  */
static void ADCx_GPIO_Config(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	
	/* 打开 ADC IO端口时钟 */
	ADC_APBxClock_FUN(ADC_GPIO_CLK, ENABLE );	
	/* 配置 ADC IO 引脚模式 */
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = ADC_PIN;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;	
	/* 初始化 ADC IO */
	GPIO_Init(ADC_PORT, &GPIO_InitStructure);				
}

/**
  * 函数功能: 配置ADC工作模式
  */
static void ADCx_Mode_Config(void)
{
	ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;	
	/* 打开ADC时钟 */
	ADC_APBxClock_FUN(ADC_CLK,ENABLE );	
	/* ADC 模式配置 */
	/* 只使用一个ADC，属于单模式 */
	ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;	
	/* 禁止扫描模式，多通道才要，单通道不需要 */
	ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE ; 
	/* 连续转换模式 */
	ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;
	/* 不用外部触发转换，软件开启即可 */
	ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
	/* 转换结果右对齐 */
	ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;	
	/* 转换通道1个 */
	ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;			
	/* 初始化ADC */
	ADC_Init(ADCx, &ADC_InitStructure);
	
	/* 配置ADC时钟为PCLK2的8分频，即9MHz */
	RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div8);
	
	/* 配置 ADC 通道转换顺序为1，第一个转换，采样时间为55.5个时钟周期 */
	ADC_RegularChannelConfig(ADCx, ADC_CHANNEL, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);
	
	/* ADC 转换结束产生中断，在中断服务程序中读取转换值 */
	ADC_ITConfig(ADCx, ADC_IT_EOC, ENABLE);
	
	/* 开启ADC ，并开始转换 */
	ADC_Cmd(ADCx, ENABLE);
	
	/* 初始化ADC 校准寄存器   */
	ADC_ResetCalibration(ADCx);
	/*等待校准寄存器初始化完成 */
	while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADCx));	
	/* ADC开始校准*/
	ADC_StartCalibration(ADCx);
	/*等待校准完成 */
	while(ADC_GetCalibrationStatus(ADCx));
	
	/* 由于没有采用外部触发，所以使用软件触发ADC转换  */
	ADC_SoftwareStartConvCmd(ADCx, ENABLE);
}

/**
  * 函数功能: NVIC配置：ADC中断优先级配置
  */
static void ADC_NVIC_Config(void)
{
  NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
   /* 配置中断优先级 */  
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = ADCx_IRQ;
	 /* 设置抢占式优先级为0 */
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
	 /* 设置子优先级为0 */
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
	 /* 使能外部中断通道 */
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	 /* 初始化配置嵌套向量中断控制器 */
  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

/**
  * 函数功能: ADC初始化
  */
void ADCx_Init(void)
{
	ADCx_GPIO_Config();
  ADC_NVIC_Config();
	ADCx_Mode_Config();	
}

2.bsp_adc.h 

#ifndef __ADC_H__
#define	__ADC_H__

/* 包含头文件 ----------------------------------------------------------------*/
#include <stm32f10x.h>


// 注意：用作ADC采集的IO必须没有复用，否则采集电压会有影响

/********************ADC输入通道（引脚）配置**************************/
#define    ADC_APBxClock_FUN             RCC_APB2PeriphClockCmd

#define    ADCx                          ADC3
#define    ADC_CLK                       RCC_APB2Periph_ADC3
#define    ADCx_IRQ                      ADC3_IRQn
#define    ADC_IRQHandler_FUN            ADC3_IRQHandler

#define    ADC_GPIO_CLK                  RCC_APB2Periph_GPIOC  
#define    ADC_PORT                      GPIOC

#define    ADC_PIN                       GPIO_Pin_0        // 连接至板载精密可调电阻(需加跳帽)
#define    ADC_CHANNEL                   ADC_Channel_10    // 连接至板载精密可调电阻(需加跳帽)
//#define    ADC_PIN                       GPIO_Pin_1        // 连接至板载光敏电阻(需加跳帽)
//#define    ADC_CHANNEL                   ADC_Channel_11    // 连接至板载光敏电阻(需加跳帽)
                                      
/* 扩展变量 ------------------------------------------------------------------*/
/* 函数声明 ------------------------------------------------------------------*/
void ADCx_Init(void);

#endif /* __ADC_H__ */

3.main.c 

/* 包含头文件 ----------------------------------------------------------------*/
#include "stm32f10x.h"

#include "stm32f10x.h"
#include "bsp/led/bsp_led.h"
#include "bsp/key/bsp_key.h"
#include "bsp/delay/delay.h"
#include "bsp/systick/bsp_SysTick.h"
#include "bsp/GeneralTIM/bsp_GeneralTIM.h" 
#include "bsp/adc/bsp_adc.h"


/* 用于保存转换计算后的电压值 */	 
float ADC_ConvertedValueLocal;   

/* 扩展变量 ------------------------------------------------------------------*/
extern __IO uint16_t ADC_ConvertedValue;
/* 私有函数原形 --------------------------------------------------------------*/
static void Delay(uint32_t time);


/**
  * 函数功能: 主函数.
  */
int main(void)
{  
  /* 调试串口初始化配置，115200-N-8-1.使能串口发送和接受 */
  USARTx_Init(); 
  
  /* ADC 初始化 */
	ADCx_Init();
  
  /* 调用格式化输出函数打印输出数据 */
  printf("----这是一个ADC单通道电压采集实验-----\n"); 
  
  /* 无限循环 */
  while (1)
  { 
    ADC_ConvertedValueLocal =(float)ADC_ConvertedValue*3.3/4096; 
	
		printf("AD转换原始值 = 0x%04X \r\n", ADC_ConvertedValue); 
		printf("计算得出电压值 = %f V \r\n",ADC_ConvertedValueLocal); 
    
    Delay(1000);
  }
}

四、实验效果

ADC电压检测

参考博客：

STM32—ADC详解_stm32最好可设置几个模拟通道-CSDN博客

结束语

本文以STM32VET6为例讲解了如何用STM32单片机中ADC进行电位检测，并发送到XCOM串口中显示，并指出其中的易坑点。希望对大家有所帮助！如果还有什么问题，欢迎评论区留言，谢谢！

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