ADC采样电池电压

ADC的基本了解

ADC，即模数转换器

在单片机中的传输信号为数字信号，通过离散的高低电平表示数字逻辑1和0，但是日常生活中我们常见的信号为模拟信号，即连续变化的信号，

但是我们可以把这些信号转换为电信号，再通过ADC将模拟信号转化为数字信号进行处理

ADC原理

一般工作流程为：采样，比较，转换

采样：指采集某一时刻的模拟电压

比较：指将采样的电压在比较电路中进行比较

转换：指将比较电路中结果转换成数字量

STM32F4采用12位逐次逼近型ADC（SAR-ADC）

首先会对模拟信号进行采样，采样值为Vin

然后进行比较该3位ADC有3种比较过程，如下图

该图表示，对不同位数赋予不同的权值

与1/2Vref进行比较，Vin大于1/2Vref时，将第一位赋值为1

与3/4Vref进行比较，Vin小于3/4Vref时，将第二位赋值为0

与5/8Vref进行比较，Vin小于5/8Vref时，将第三位赋值为0

然后将各值按照1/2，1/4，1/8按权进行计算，例如以上比较后输出结果为100，则转换结果为1 * 1/2+0 * 1/4+0 * 1/8=1/2，则最终转换结果为1/2Vref.

STM32最高支持12位ADC，一般ADC的位数越多则转换精度越高，但与此同时转换的速度也会变慢

STM32内部有一个校准电压VREFINT，电压为1.2V，当供电电压不为3.3V时可以使用内部的vrefint通道采集1.2V电压作为Vref，以提高精度（STM32的校准电压Vrefint在ADC1中）。

逐次型ADC转换原理

整个电路由比较器，D/A转换器，缓冲寄存器和若干控制逻辑电路构成

比较器：用于输入电压值与D/A转换器输出电压进行比较，当输入电压大于该转换器电压时输出1，反之输出0

D/A转换器：ADC的逆向过程，将缓冲寄存器的记录数字量转换成模拟量

缓冲寄存器：记录当前转换的数字量

转换的过程如下：

将缓冲寄存器清零

将逐次逼近寄存器最高位置1

将数字值传入D/A转换器，经D/A转换后的模拟量传入比较器，为V0

V0与比较器的待转换的模拟量V1比较，若V0<V1，该位保留，否则清0

再置寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器

输出的V0再与V1进行比较，若若V0<V1，该位保留，否则清0

一直循环该过程，直至寄存器最低位，得到数字量的输出

电阻分压电路

由于电池提供的电源是24V的高电压，但是单片机引脚的耐压只有0-3.3V所以需要通过分压电路来进行处理

首先，利用200KΩ和22KΩ的分压电路将24V电压进行分压

分压后的电压送至次级电路

在次级电路中，通过100nF的电容进行滤波，使输出的电压更加稳定

接着用二极管保护电路将电压限制在0-3.3V（当电压大于3.3V时，二极管正向导通，电压被限制在3.3V；当电压小于0V时，二极管正向导通，电压被限制在0V）

Cube配置外设

在原理图中找到ADC对应的引脚

可以看到该ADC对应PF10引脚，使用ADC3的通道8

在Cube中对ADC1和ADC3进行如下配置

ADC1用于内部1.2V的Vrefint通道读取

ADC3用于电池电压ADC3通道8的读取

在ADC_Settings中对ADC1和ADC3都进行如下配置

这样就配置好了Cube

ADC内部电压的使用

由于外部供电电压不一定为 3.3V

为了在这种情况提高ADC精度，我们需要使用单片机内部的参照电压

使用ADC采样该电压来提高ADC的精度

ADC内部参照电压VREFINT为1.2V

将采样内部参照电压1.2V的ADC值和Vref的加权值进行比较，进而得到ADC的输出值

STM32的ADC采用Vcc作为Vref，但为了防止Vcc存在波动较大导致Vref不稳定，进而导致采样值的比较结果不准确，STM32可以通过内部已有的参照电压VREFINT来进行校准

接着以VREFINT为参照来比较ADC的采样值，从而获得比较高的精度

即可以通过一个函数对1.2V的电压进行多次采样，并计算其平均值，然后将其与ADC采样的数据进行比较得到单位数字电压的模拟电压值voltage_vrefint_proportion，设采样得到的数字值为average_adc,公式如下

ADC采样相关函数

1. HAL_ADC_ConfigChannel()

HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_ConfigChannel(ADC_HandleTypeDef* hadc, ADC_ChannelConfTypeDef* sConfig)

作用：设置ADC通道的各个属性值，包括转换通道，序列排序，采样时间等

返回值：为HAL_StatusTypeDef类型，即表示状态，如成功则返回HAL_OK

参数：a. TIM_HandleTypeDef * hadc,即输入&hadc1等

b.ADC_ChannelConfTypeDef* sConfig,即ADC的参数设置结构体需要先对sConfig结构体进行赋值

2. HAL_ADC_Start()

HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Start(ADC_HandleTypeDef* hadc)

作用：开启ADC的采样

返回值：同样是HAL_StatusTypeDef类型

参数：ADC_HandleTypeDef* hadc，即&hadc1等

3.HAL_ADC_PollForConversion()

HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_PollForConversion(ADC_HandleTypeDef* hadc, uint32_t Timeout)

作用：等待ADC转换结束

返回值：同样是HAL_StatusTypeDef类型

参数：1.ADC_HandleTypeDef* hadc；2.uint32_t Timeout，即等待的最大时间

4.HAL_ADC_GetValue()

uint32_t HAL_ADC_GetValue(ADC_HandleTypeDef* hadc)

作用：获取ADC值

返回值：HAL_StatusTypeDef类型

参数：TIM_HandleTypeDef* hadc类型

代码编写

程序流程如下：

获得基准电压值

首先要对内部电压VREFINT进行采样，并将其作为校准值

通过init_vrefint_reciprocal函数执行以上过程

void init_vrefint_reciprocal(void)

{

uint8_t i = 0;

uint32_t total_adc = 0;

for(i = 0; i < 200; i++) //对电压VREFINT进行200次采样

{

total_adc += adcx_get_chx_value(&hadc1, ADC_CHANNEL_VREFINT);

}

voltage_vrefint_proportion = 200 * 1.2f / total_adc;//使VREFINT的电压值1.2V除以采样得到的均值，后面ADC采样到的电压值与这个voltage_vrefint_proportion相乘就可以计算出内部参考电压做过校准的ADC值

}

获得电池电压

然后对ADC的电压值进行采样，再将该采样值与voltage_vrefint_proportion（模拟电压值）相乘得到ADC的采样值

得到ADC采样值后，我们可以根据这个值反算出电压的值，分压的电压阻值为200KΩ，22KΩ，则(22K Ω + 200K Ω) / 22K Ω = 10.09，把采样值乘以该值后所得即为电池电压值

该求电压的代码实现如下：

fp32 get_battery_voltage(void)

{

fp32 voltage;

uint16_t adcx = 0;

adcx = adcx_get_chx_value(&hadc3, ADC_CHANNEL_8);

//(22KΩ+200KΩ)/22KΩ=10.090909090909090909090909090909

voltage = (fp32)adcx * voltage_vrefint_proportion * 10.090909090909090909090909090909f;

return voltage;

}

获取温度

通过ADC获得板载温度传感器的温度值

先经过ADC值进行采样

然后将采样结果通过公式计算出温度值

temperate = (adc – 0.76f) * 400.0f + 25.0f

fp32 get_temprate(void)

{

uint16_t adcx = 0;

fp32 temperate;

adcx = adcx_get_chx_value(&hadc1, ADC_CHANNEL_TEMPSENSOR);//先进行ADC采样

temperate = (fp32)adcx * voltage_vrefint_proportion;

temperate = (temperate – 0.76f) * 400.0f + 25.0f; //使用公式计算出温度值

return temperate;

}

最终编写的代码

/* USER CODE BEGIN PV */

float Batvalt=0;//电池电压

float Vrefint=0;//单位数字电压的模拟电压值

float Temperate=0;//板载温度传感器的温度值

/* USER CODE END PV */

/* USER CODE BEGIN WHILE */

while (1)

{

/* USER CODE END WHILE */

/* USER CODE BEGIN 3 */

HAL_ADC_Start(&hadc1);//启动ADC1采样

while(!HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1,1));//等待ADC1进行1s的转换

/*当该函数成功运行后输出成功的状态（1）

故我们这里需要取非（“!”）,即让该函数成功运行后就结束循环*/

Vrefint=1.2/HAL_ADC_GetValue(&hadc1);

/*HAL_ADC_GetValue(&hadc1)，获取内部电压的采样值

Vrefint，单位数字电压的模拟电压值

HAL_ADC_Start(&hadc3);//启动ADC3采样

while(!HAL_ADC_PollForConversion(&hadc3,1));//等待ADC3进行1s的转换

Batvalt=HAL_ADC_GetValue(&hadc3)*Vrefint*10.090909090909090909090909090909f;

//HAL_ADC_GetValue(&hadc3)，即获取ADC3的采样值

//Vrefint，内部电压的基准值（单位数字电压的模拟电压值）

//10.090909090909090909090909090909f，由(22KΩ+200KΩ)/22KΩ计算所得，分压比

HAL_ADC_Start(&hadc1);//启动ADC1采样

while(!HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1,1));//等待ADC1进行1s的转换

Temperate=(HAL_ADC_GetValue(&hadc1)-0.76f)*400.0f+25.0f;

/*HAL_ADC_GetValue(&hadc1)，获取内部电压的采样值

根据公式计算出板载温度传感器的温度值

}

/* USER CODE END 3 */

结果如图所示：

参考资料

从零开始制作RoboMaster步兵机器人-11.ADC采样电池电压

ADC数模转换

《RoboMaster开发板 C 型嵌入式软件教程文档》

《Description of STM32F4 HAL and low-layer drivers》

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原文链接：https://blog.csdn.net/m0_73636161/article/details/128155945

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