代码收藏家技术教程 2025-01-17

单片机：实现AD采样功能（附带源码）

单片机：实现AD采样功能

1. 项目背景与目标

在嵌入式系统中，模拟信号的采样是许多应用的基础功能。例如，温度测量、光照强度检测、电压监测等都依赖于模拟到数字的转换（ADC）。在本项目中，我们将通过STM32单片机实现一个简单的ADC采样功能，采样输入的模拟信号并将其转换为数字信号进行后续处理。ADC（Analog to Digital Converter）是单片机中非常常见的外设，它可以将模拟电压信号转换为数字值，以便数字处理单元进行计算和控制。

2. 硬件设计

2.1 硬件组件

单片机：例如STM32系列单片机，内置ADC模块。

模拟输入信号：如温度传感器、光敏电阻、分压电路等。

其他设备：可选的显示设备（如LCD、数码管）用于展示采样结果，或通过串口输出采样结果。

2.2 硬件连接

模拟信号源：连接到STM32的ADC输入引脚（例如PA0、PA1等）。

显示设备（可选）：连接到单片机，显示ADC采样的值。

3. ADC工作原理

ADC通过输入的模拟信号（如0-3.3V电压）与其最大分辨率之间的比例来生成对应的数字信号。例如，如果STM32的ADC分辨率是12位，则输入范围0-3.3V被分成2^12 = 4096个等级。因此，ADC采样的结果是一个0-4095之间的数字值，这个值与输入的电压成线性关系。

采样精度：12位的分辨率意味着输入的电压可以细分为4096个不同的值。

采样时间：通常，ADC的采样过程需要一定的时间，STM32的ADC支持不同的采样时间设置，采样时间越长，转换精度越高。

4. 软件设计

4.1 步骤概述

配置ADC的输入引脚。
配置ADC转换的相关参数，如分辨率、采样时间等。
启动ADC采样。
获取ADC转换结果。
处理并输出结果（通过显示、串口等方式）。

4.2 代码实现

以下是基于STM32 HAL库的ADC采样功能的实现示例代码：

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include <stdio.h>

#define ADC_CHANNEL   ADC_CHANNEL_0  // 选择通道0（PA0）

// ADC句柄
ADC_HandleTypeDef hadc1;

// 初始化ADC
void ADC_Init(void) {
    __HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE();  // 启用ADC1的时钟

    // 配置ADC输入引脚
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();  // 启用GPIOA时钟

    // 配置PA0为模拟输入模式
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    // 配置ADC参数
    hadc1.Instance = ADC1;
    hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;  // 12位分辨率
    hadc1.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE;  // 单通道模式
    hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;  // 非连续转换模式
    hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_EXTERNALTRIGCONV_T1_CC1;  // 外部触发模式
    hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;  // 数据对齐方式：右对齐
    hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;  // 进行单次转换
    hadc1.Init.DMAContinuousRequests = DISABLE;  // 不使用DMA

    // 初始化ADC
    HAL_ADC_Init(&hadc1);

    // 配置ADC通道（选择通道0，PA0）
    ADC_ChannelConfig();
}

// 配置ADC通道
void ADC_ChannelConfig(void) {
    ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
    sConfig.Channel = ADC_CHANNEL;  // 设置通道
    sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;  // 第1通道
    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_3CYCLES;  // 设置采样时间
    sConfig.Offset = 0;

    // 配置ADC通道
    HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
}

// 获取ADC值
uint32_t ADC_Read(void) {
    // 启动ADC转换
    HAL_ADC_Start(&hadc1);

    // 等待ADC转换完成
    if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 1000) == HAL_OK) {
        // 获取ADC值
        return HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    }
    return 0;  // 如果转换失败，返回0
}

// 主函数
int main(void) {
    HAL_Init();  // 初始化HAL库
    ADC_Init();  // 初始化ADC

    // 主循环
    while (1) {
        uint32_t adc_value = ADC_Read();  // 获取ADC采样值

        // 将采样值转换为实际电压值
        float voltage = (float)adc_value * 3.3f / 4095.0f;

        // 输出ADC值和电压值（通过串口或其他方式）
        printf("ADC Value: %lu, Voltage: %.2fV\n", adc_value, voltage);

        HAL_Delay(500);  // 每隔500ms进行一次采样
    }
}

5. 代码解释

ADC初始化：
在ADC_Init()函数中，首先启用ADC时钟并配置相关GPIO引脚（这里以PA0为例，作为模拟输入）。
然后，配置ADC参数：12位分辨率、单通道模式、非连续转换等。
ADC_ChannelConfig()配置了ADC的输入通道，这里选择了通道0（对应PA0），并设置采样时间为3个周期。
ADC采样：
在主函数的ADC_Read()函数中，通过调用HAL_ADC_Start()启动ADC转换，并使用HAL_ADC_PollForConversion()等待转换完成。
一旦ADC转换完成，使用HAL_ADC_GetValue()获取转换后的数字值。
电压计算：
采样的ADC值是一个0到4095之间的数字，代表了0到3.3V的电压。通过计算公式Voltage = ADC_Value * 3.3 / 4095，可以将ADC值转换为对应的电压值。
输出结果：
将采样得到的ADC值和电压值通过串口打印输出。这个值可以在调试过程中用来查看模拟信号的变化。