【物联网学习笔记】ADC

悠哉悠哉愿意2026-04-04 16:16

前言

本文是本人备赛物联网赛项的学习笔记，主要供本人学习、复习，不是经验分享或教学，若有错误，大佬轻喷。

一、前置知识：ADC 核心基础原理

1.1 什么是 ADC

ADC 即模拟数字转换器（Analog-to-Digital Converter） ，是 STM32 单片机内置的核心外设，作用是把连续变化的模拟量 （比如电位器电压、传感器输出信号）转换成单片机能识别的数字量，是嵌入式系统实现物理信号采集的核心桥梁。

1.2 核心基础概念

  • 模拟量：在连续范围内可取任意值的物理量，比如电位器输出的 0~3.3V 电压，数值是连续无间隔的。
  • 数字量 ：只能取有限离散值的量，比如 STM32 的 12 位 ADC，输出值范围是0~4095，只有 4096 个离散数值。
  • 分辨率：本文使用 12 位分辨率，代表 ADC 能把参考电压（3.3V）分成 2¹²=4096 个最小刻度，每个刻度对应电压约为 3.3V/4095≈0.8mV。
  • 转换模式 ：本文使用单次转换模式，即 ADC 每次收到触发指令，只执行一次转换，完成后自动停止，适合低速、低功耗的采集场景，也是新手入门最易理解的模式。
  • 对齐方式 ：本文使用右对齐，转换结果直接存在数据寄存器低 12 位，无需额外移位处理，新手使用更方便。

二、硬件说明：开发板与 ADC 采集链路

本文基于CT127C 蓝桥杯物联网开发板，主控为 STM32WLE5CCU6，核心硬件链路如下：

  1. ADC 采集输入引脚：PB4，对应芯片内部ADC_IN3通道
  2. 输入信号：板载滑动电位器输出的模拟电压（范围 0~3.3V）
  3. 参考电压：单片机 VDD，即 3.3V
  4. 调试链路：开发板 USB 口兼顾供电、程序下载、串口打印功能，可直接通过串口助手查看 ADC 采集数值

三、第一阶段：STM32CubeMX 全流程配置

CubeMX 是 ST 官方的图形化配置工具，可自动生成外设初始化代码，避免新手手动配置寄存器出错，以下是分步操作指南。

步骤 1：新建工程，选择目标芯片

  1. 打开 STM32CubeMX，点击首页ACCESS TO MCU SELECTOR进入芯片选择界面
  2. 搜索框输入STM32WLE5CCU6，在右侧列表选中该型号，点击Start Project新建工程

步骤 2：调试接口基础配置（必做，否则程序无法下载）

  1. 左侧System Core下拉菜单，选择SYS
  2. 右侧Debug选项，下拉选择Serial Wire（串行线调试模式，匹配开发板 DAPLink 调试器）
  3. 其余参数保持默认即可

步骤 3：RCC 与时钟树配置（决定外设时钟准确性）

3.1 晶振配置
  1. 左侧System Core下拉菜单，选择RCC
  2. 右侧Low Speed Clock (LSE)选项，下拉选择Crystal/Ceramic Resonator（外部低速晶振，对应板载 32.768kHz 晶振，适配 RTC 功能）
  3. 高速时钟使用芯片内部 MSI RC 时钟，无需额外配置
3.2 时钟树配置
  1. 顶部切换到Clock Configuration时钟树选项卡
  2. 按以下参数配置，确保无红色报错：
    • MSI 时钟范围：RCC_MSIRANGE_11，对应 48MHz
    • 系统时钟源 SYSCLK：选择 MSI，主频 48MHz
    • AHB/APB1/APB2 分频器：全部设置为/1，确保外设时钟均为 48MHz
    • ADC 时钟源：同步 PCLK 时钟，后续配置 2 分频

步骤 4：ADC 外设核心配置（重点）

4.1 引脚功能映射

在芯片引脚预览图中，找到PB4引脚，左键点击，在弹出菜单中选择ADC_IN3，配置完成后引脚会变为绿色高亮状态。

4.2 ADC 全局参数配置

  1. 左侧Analog下拉菜单，选择ADC

  2. 按以下参数配置，和最终生成的初始化代码完全匹配：

    配置项 参数值 新手说明
    Clock Prescaler ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV2 ADC 时钟 2 分频，最终 24MHz，符合芯片时钟要求
    Resolution ADC_RESOLUTION_12B 12 位分辨率，对应 0~4095 采集范围
    Data Align ADC_DATAALIGN_RIGHT 数据右对齐，无需额外移位处理
    Scan Conv Mode ADC_SCAN_DISABLE 关闭扫描模式，单通道采集无需扫描
    Continuous Conv Mode DISABLE 关闭连续转换，使用单次转换模式
    EOC Selection ADC_EOC_SINGLE_CONV 单次转换结束标志位
    External Trig Conv ADC_SOFTWARE_START 软件触发转换，代码手动控制采集
    SamplingTime Common1 ADC_SAMPLETIME_1CYCLE_5 采样时间 1.5 个时钟周期，入门场景足够使用
    Oversampling Mode DISABLE 关闭过采样，简化入门配置
4.3 ADC 通道配置
  1. 在 ADC 配置界面下方，找到Regular Channel常规通道配置栏
  2. 配置参数：
    • Channel：ADC_CHANNEL_3（对应 PB4 引脚）
    • Rank：ADC_REGULAR_RANK_1（转换序列第 1 位，单通道仅需配置 1 个序列）
    • Sampling Time：ADC_SAMPLINGTIME_COMMON_1（使用全局配置的 1.5 周期采样时间）

步骤 5：其他必要外设配置

为了实现采集结果串口打印、OLED 显示等功能，同步配置以下外设（和参考工程匹配）：

  1. USART2 串口 ：Mode 选择Asynchronous异步模式，波特率 115200，8 位数据位、1 位停止位、无校验，引脚 PA2 为 USART2_TX、PA3 为 USART2_RX
  2. I2C1 ：用于驱动 OLED 屏幕，Mode 选择I2C，默认参数即可
  3. RTC：实时时钟，开启时钟源，默认参数即可
  4. DMA：开启串口 DMA 接收，默认参数即可

步骤 6：工程管理与代码生成配置（必做）

  1. 顶部切换到Project Manager选项卡
  2. Project 栏目配置 ：
    • Project Name：自定义工程名（严禁使用中文、空格、特殊字符）
    • Project Location：工程保存路径（严禁使用中文路径）
    • Toolchain/IDE：下拉选择MDK-ARM V5（对应 Keil5 开发环境）
  3. Code Generator 栏目配置 ：
    • 核心勾选：Generate peripheral initialization as a pair of '.c/.h' files per peripheral（每个外设生成独立的.c/.h 文件，方便代码管理）
    • 保持勾选：Keep User Code when re-generating（重新生成代码时保留用户编写的代码）
    • 其余参数保持默认

步骤 7：生成工程代码

点击界面右上角GENERATE CODE按钮，等待代码生成完成，在弹出的弹窗中点击Open Project，直接打开 Keil MDK 工程。

四、第二阶段：Keil MDK 工程配置与代码编写

本阶段将实现 ADC 采集的功能代码，所有用户自定义代码均放在新建的app.c/app.h文件中，避免重新生成 CubeMX 代码时被覆盖，同时将教程中的zsdz前缀全部替换为app，方便个人复用。

步骤 1：Keil 工程基础配置（必做，解决 printf 串口打印卡死）

  1. 打开 Keil 工程后，点击顶部魔术棒图标Options for Target，打开配置界面
  2. 切换到Target选项卡，勾选Use MicroLIB（Keil 针对嵌入式优化的微型 C 标准库，不勾选会导致 printf 函数卡死）
  3. 点击OK保存配置

步骤 2：新建用户自定义文件 app.c 与 app.h

2.1 新建 app.h 头文件（函数声明与宏定义）
  1. 在 Keil 左侧工程树，右键点击Application/User/Core文件夹，选择Add New Item to Group
  2. 选择Header File (.h)，文件名填写app.h，点击Add
  3. 在 app.h 中写入以下代码，包含所有功能函数的声明：
cpp 复制代码 
#ifndef __APP_H
#define __APP_H

// 包含必要的HAL库头文件与外设头文件
#include "main.h"
#include "string.h"
#include "stdio.h"
#include "gpio.h"
#include "oled.h"

/************************* 宏定义 *************************/
#define APP_ON			1
#define APP_OFF		    2
#define APP_TOGGLE		3

// OLED显示行定义
#define APP_OLED_LINE1		0
#define APP_OLED_LINE2		2

/************************* 结构体定义 *************************/
// RTC时间结构体
typedef struct
{
	unsigned char Year; 
    unsigned char Month; 	
    unsigned char WeekDay; 
    unsigned char Date;    
    unsigned char Hours;           
    unsigned char Minutes;          
    unsigned char Seconds;          
}RTC_APP;

/************************* 全局变量声明 *************************/
extern RTC_APP rtc_value;

/************************* 函数声明 *************************/
// LED控制函数
void app_write_AL(unsigned short int ALx,unsigned char state);
// 读取LED状态
unsigned char app_read_AL(unsigned short int ALx);
// 读取按键状态
unsigned char app_read_ASW(GPIO_TypeDef *ASWx);
// 串口发送字符串
void app_tx_UART(const unsigned char *Data);
// 串口空闲中断接收处理
void app_UART_IDLE_rx(void);
// 串口接收循环处理
void app_UART_rx_loop(void);
// 串口接收数据解析
void app_UART_rx_deal(void); 
// 读取RTC时间
void app_read_RTC(void);
// OLED底层写入函数
void OLED_Write(unsigned char Type, unsigned char Data);
// OLED字符串显示函数
void app_write_OLED(unsigned char Lin, unsigned char *Data);
// ADC采集读取函数（核心）
unsigned short int app_read_ADC(void);
// 外设初始化函数
void app_init(void);

#endif
2.2 新建 app.c 源文件（功能函数实现）
  1. 同样右键点击Application/User/Core文件夹，选择Add New Item to Group
  2. 选择C File (.c)，文件名填写app.c，点击Add
  3. 在 app.c 中写入以下代码，完整实现所有功能，重点关注核心的 ADC 采集函数：
cpp 复制代码 
#include "app.h"

/************************* 全局变量定义 *************************/
#define UART_RX_BUFFER_LEN  100   // 串口接收缓存区最大长度
RTC_APP	rtc_value;

unsigned char g_u8uart_rx_len;        // 接收到的一帧数据长度
unsigned char g_u8uart_rx_end_flag;   // 串口一帧数据接收完成标志位
unsigned char g_u8uart_rx_buffer[UART_RX_BUFFER_LEN];  // 串口接收缓存数组

/************************* 功能函数实现 *************************/
/**
 * @brief  LED状态控制函数
 * @param  ALx: LED引脚编号
 * @param  state: LED状态 APP_ON/APP_OFF/APP_TOGGLE
 * @retval 无
 */
void app_write_AL(unsigned short int ALx,unsigned char state)
{
	switch (state)
	{
		case APP_ON:
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, ALx, GPIO_PIN_RESET);
			break;
		case APP_OFF:
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, ALx, GPIO_PIN_SET);
			break;
		case APP_TOGGLE:
			HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB, ALx);
			break;
    default:
			break;
	}
}

/**
 * @brief  读取LED当前状态
 * @param  ALx: LED引脚编号
 * @retval LED状态 APP_ON/APP_OFF
 */
unsigned char app_read_AL(unsigned short int ALx)
{
	unsigned char state=HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, ALx);
	if(state == GPIO_PIN_SET)
		return APP_OFF;
	else
		return APP_ON;
}

/**
 * @brief  按键状态读取函数（带消抖）
 * @param  ASWx: 按键对应的GPIO端口
 * @retval 按键状态 APP_ON/APP_OFF
 */
unsigned char app_read_ASW(GPIO_TypeDef *ASWx)
{
	unsigned char state = APP_OFF;
	if(HAL_GPIO_ReadPin(ASWx,GPIO_PIN_8) == GPIO_PIN_RESET)
	{
		HAL_Delay(20); // 延时消抖
		if(HAL_GPIO_ReadPin(ASWx,GPIO_PIN_8) == GPIO_PIN_RESET)
		{
			state = APP_ON;
			while(HAL_GPIO_ReadPin(ASWx,GPIO_PIN_8) == GPIO_PIN_RESET); // 等待按键松开
		}
	}
	return state;
}

/**
 * @brief  串口发送字符串函数
 * @param  Data: 要发送的字符串首地址
 * @retval 无
 */
void app_tx_UART(const unsigned char *Data)
{
	extern UART_HandleTypeDef huart2;
	HAL_UART_Transmit(&huart2,Data,strlen((const char *)Data),0xFFFF);
}

/**
 * @brief  printf函数重定向，实现printf串口输出
 * @note   重写C库fputc底层函数，将printf输出指向USART2
 */
int fputc(int ch,FILE *f)
{
	extern UART_HandleTypeDef huart2;
	HAL_UART_Transmit(&huart2,(unsigned char*)&ch,1,0xFFFF);
	return ch;
}

/**
 * @brief  串口空闲中断处理函数，判断一帧数据接收完成
 * @note   需在串口中断服务函数中调用
 */
void app_UART_IDLE_rx(void)
{  
	extern UART_HandleTypeDef huart2;
	extern DMA_HandleTypeDef hdma_usart2_rx;
	
	if(__HAL_UART_GET_FLAG(&huart2,UART_FLAG_IDLE)==SET) // 检测到空闲标志位
   {
		__HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&huart2); // 清除空闲标志位
		HAL_UART_DMAStop(&huart2); // 停止DMA传输  
		// 计算接收到的数据长度：总缓存长度 - 剩余未传输长度
		g_u8uart_rx_len=UART_RX_BUFFER_LEN -__HAL_DMA_GET_COUNTER(&hdma_usart2_rx);
		g_u8uart_rx_end_flag=1; // 置位接收完成标志
   }
}

/**
 * @brief  串口接收循环处理函数，需在main主循环中调用
 * @retval 无
 */
void app_UART_rx_loop(void)     
{
	extern UART_HandleTypeDef huart2;
	if(g_u8uart_rx_end_flag) // 判断是否接收完成一帧数据
	{
		app_UART_rx_deal(); // 处理接收到的数据
		
		// 清空标志与长度，重新开启DMA接收
		g_u8uart_rx_len=0;
		g_u8uart_rx_end_flag=0;
		HAL_UART_Receive_DMA(&huart2,g_u8uart_rx_buffer,UART_RX_BUFFER_LEN);
	}
}

/**
 * @brief  串口接收数据解析函数，本例实现串口回环功能
 * @retval 无
 */
void app_UART_rx_deal(void)
{
	extern UART_HandleTypeDef huart2;
	HAL_UART_Transmit(&huart2,g_u8uart_rx_buffer,g_u8uart_rx_len,0xFFFF); 
}

/**
 * @brief  读取RTC实时时钟时间
 * @retval 无
 */
void app_read_RTC(void)
{
	extern RTC_HandleTypeDef hrtc;
	RTC_DateTypeDef data_value;
	RTC_TimeTypeDef time_value;
	
	// 注意：HAL库必须先读时间，再读日期，否则会出错
	HAL_RTC_GetTime(&hrtc,&time_value,RTC_FORMAT_BIN);
	HAL_RTC_GetDate(&hrtc,&data_value,RTC_FORMAT_BIN);
	
	// 赋值到全局结构体
	rtc_value.Year = data_value.Year;
	rtc_value.Month = data_value.Month;
	rtc_value.WeekDay = data_value.WeekDay;
	rtc_value.Date = data_value.Date;
	rtc_value.Hours = time_value.Hours;
	rtc_value.Minutes = time_value.Minutes;
	rtc_value.Seconds = time_value.Seconds;
}

/**
 * @brief  OLED底层写入函数
 * @param  Type: 命令/数据标志 0x00=命令 0x40=数据
 * @param  Data: 要写入的字节
 * @retval 无
 */
void OLED_Write(unsigned char Type, unsigned char Data)
{
	extern I2C_HandleTypeDef hi2c1;
	unsigned char pData[2];
	pData[0] = Type;
	pData[1] = Data;
	HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, 0x78, pData, 2, 10);
}

/**
 * @brief  OLED显示字符串函数
 * @param  Lin: 显示行号
 * @param  Data: 要显示的字符串
 * @retval 无
 */
void app_write_OLED(unsigned char Lin, unsigned char *Data)
{
	OLED_ShowString(0,Lin,Data,16);
}

/**
 * @brief  ADC采集读取函数（核心功能）
 * @retval 12位ADC原始采集值（范围0~4095）
 */
unsigned short int app_read_ADC(void)
{
	extern ADC_HandleTypeDef hadc;
	
	HAL_ADC_Start(&hadc); // 软件启动ADC转换
	// 等待转换完成，超时时间200ms，防止程序卡死
	while(HAL_ADC_PollForConversion(&hadc, 200) != HAL_OK);  
	
	return HAL_ADC_GetValue(&hadc); // 读取转换结果并返回                                
}

/**
 * @brief  用户外设初始化函数，需在main函数中调用
 * @retval 无
 */
void app_init(void)
{
	extern UART_HandleTypeDef huart2;
	
	__HAL_UART_ENABLE_IT(&huart2, UART_IT_IDLE); // 使能串口空闲中断
  HAL_UART_Receive_DMA(&huart2,g_u8uart_rx_buffer,UART_RX_BUFFER_LEN);  // 开启串口DMA接收
	
	OLED_Init(); // 初始化OLED屏幕
}

步骤 3：main.c 函数修改

打开工程中Application/User/Core文件夹下的main.c文件，按以下步骤修改，所有用户代码必须写在/* USER CODE BEGIN X */和/* USER CODE END X */之间，否则重新生成 CubeMX 代码时会被覆盖。

3.1 包含自定义头文件

找到/* USER CODE BEGIN Includes */代码块，添加 app.h 头文件：

cpp 复制代码 
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "app.h"
#include "oled.h"
/* USER CODE END Includes */
3.2 主函数初始化与主循环编写

找到 main 函数，修改为以下内容，重点是初始化 app 模块，主循环中读取 ADC 并串口打印：

cpp 复制代码 
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */
  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */
  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */
  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_DMA_Init();
  MX_USART2_UART_Init();
  MX_RTC_Init();
  MX_I2C1_Init();
  MX_ADC_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  app_init(); // 用户外设初始化
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {	
    // 读取ADC原始值并通过串口打印
    printf("ADC采集原始值:%d\r\n",app_read_ADC());
    // 延时100ms，控制采集频率
    HAL_Delay(100);

    /* USER CODE END WHILE */
    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

五、第三阶段：编译下载与实验现象验证

1. 代码编译

点击 Keil 界面顶部的Build按钮（编译图标），等待编译完成，控制台提示0 Error(s), 0 Warning(s)即为编译成功。

2. 程序下载

用 USB 线连接开发板与电脑，点击 Keil 界面顶部的Download按钮（下载图标），等待程序下载完成，开发板会自动运行程序。

3. 串口助手配置与现象验证

  1. 打开串口调试助手（推荐 SSCOM、野火串口助手）
  2. 端口选择：设备管理器中开发板对应的 COM 口
  3. 串口参数配置（必须和工程一致）：
    • 波特率：115200
    • 数据位：8
    • 停止位：1
    • 校验位：无
    • 流控：无
  4. 点击打开串口，即可看到串口持续打印 ADC 采集值
  5. 实验现象 ：转动开发板上的滑动电位器，串口打印的 ADC 值会在0~4095之间同步变化，电位器旋到最小时数值接近 0，旋到最大时数值接近 4095。

六、核心代码原理解析

核心 ADC 采集函数执行流程

cpp 复制代码 
unsigned short int app_read_ADC(void)
{
	extern ADC_HandleTypeDef hadc;
	HAL_ADC_Start(&hadc); // 1. 软件触发，启动ADC单次转换
	// 2. 阻塞等待转换完成，超时时间200ms，防止程序卡死
	while(HAL_ADC_PollForConversion(&hadc, 200) != HAL_OK);  
	return HAL_ADC_GetValue(&hadc); // 3. 读取转换结果寄存器的值，返回给主函数                               
}
  1. 启动转换 ：HAL_ADC_Start()函数会使能 ADC 外设，按照 CubeMX 配置的参数，启动单次转换。
  2. 等待转换完成 ：HAL_ADC_PollForConversion()函数会检测转换结束标志位（EOC），转换完成后返回 HAL_OK，超时时间 200ms 避免硬件故障导致程序卡死。
  3. 读取结果 ：HAL_ADC_GetValue()函数会读取 ADC 数据寄存器中的转换结果，12 位右对齐，直接返回 0~4095 的原始值。

电压换算拓展

如果需要将原始 ADC 值换算成实际电压，可使用以下公式：

cpp 复制代码 
// 3.3V为参考电压，4095为12位ADC的最大值
float adc_voltage = (float)app_read_ADC() * 3.3f / 4095.0f;
printf("ADC采集电压:%.2f V\r\n", adc_voltage);

七、新手高频踩坑点与解决方案

  1. 串口 printf 无输出 / 乱码

    • 解决方案：检查是否勾选Use MicroLIB；串口助手波特率、数据位等参数和工程是否一致；PA2/PA3 引脚是否正确配置为 USART2_TX/RX。

  2. ADC 数值固定不变，不随电位器变化

    • 解决方案：检查 PB4 引脚是否配置为模拟输入模式；硬件接线是否正确，电位器是否正常供电；ADC 是否成功启动，转换函数是否被调用。

  3. 程序卡死在 ADC 等待转换函数中

    • 解决方案：检查 ADC 时钟配置是否正确；CubeMX 中 ADC 参数是否配置错误，特别是触发模式和转换模式；超时时间是否设置过短。

  4. 重新生成 CubeMX 代码后，自己写的代码丢失

    • 解决方案：所有用户代码必须写在/* USER CODE BEGIN X */和/* USER CODE END X */注释块之间；自定义功能建议单独放在 app.c/app.h 文件中，不要修改 CubeMX 自动生成的外设初始化代码。

  5. ADC 数值跳动严重，不稳定

    • 解决方案：延长 ADC 采样时间，CubeMX 中将采样时间改为 39.5 周期或更长；在硬件上增加 0.1uF 滤波电容；软件上多次采集取平均值。
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