STM32单片机学习(32) —— ADC

文章目录

• • ADC简介
• 传感器模块概述
• 模拟信号和数字信号
• ADC概述
• ADC模数转换的工作原理
• • 采样、采样时间和采样频率
  • 量化、量化值和分辨率
  • 量化值和实际物理值
• ADC外设的使用
• • ADC的引脚选择
  • 为什么是ADC12_XX
  • ADC外设框图
  • 简化ADC外设框图讲解
  • 扩展/了解：为什么有14MHz的限制
• 具体代码的编写
• • 开启ADC外设时钟
  • 选择模拟信号的输入引脚
  • 实验电路接线图
  • 输入引脚初始化
• ADC外设模块的初始化
• • ADC_Mode成员
  • ADC_ScanConvMode
  • ADC_ContinuousConvMode
  • ADC_ExternalTrigConv
  • ADC_DataAlign
  • ADC_NbrOfChannel
  • 开启/使能ADC外设
  • ADC外设复位校准和校准操作
  • 完整代码
• 读取ADC转换后的结果
• • ADC_RegularChannelConfig函数
  • ADC_SoftwareStartConvCmd函数
  • ADC_GetConversionValue函数
  • 读ADC结果的完整代码

ADC简介

传感器模块概述

在我们的配件盒当中，有几个比较常见的传感器模块，如下图所示。它们分别是：

光敏电阻传感器模块：

光敏电阻传感器用于检测环境光照强度，其核心器件为光敏电阻（LDR）。

其工作原理如下：

1. 光照越强 → 光敏电阻的电阻越小
2. 光照越弱 → 光敏电阻的电阻越大

模块内部采用分压电路设计，将光敏电阻随光照而改变的阻值变化转换为电压变化输出。

输出形式有两种：

1. 模拟输出（AO）：直接输出连续变化的电压信号（模拟信号），用于 ADC 采集
2. 数字输出（DO）：通过LM393电压比较器，配合电位器设定阈值，最终输出高低电平信号（0或1）。

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温度电阻传感器模块：

温度电阻传感器通常采用热敏电阻（NTC）作为核心元件。

其工作原理如下：

1. 温度升高 → 热敏电阻的阻值减小（NTC特性）
2. 温度降低 → 热敏电阻的阻值增大

同样通过分压电路将电阻变化转换为电压输出。

原理和光敏电阻传感器是一模一样的，只是采集的物理信号量改变了。

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气敏电阻传感器模块（MQ系列空气传感器）：

MQ 系列气体传感器是一类常见的气体检测模块，如 MQ-2、MQ-135 等。

其核心器件为半导体气敏电阻（SnO₂ 材料）。

其工作原理如下：

1. 内部加热丝将敏感材料加热至工作温度
2. 气体与材料表面发生化学反应
3. 改变材料导电能力
4. 导致电阻值发生变化

最终表现为：

气体浓度变化 → 电阻变化 → 电压变化

最终仍然通过分压电路将电阻变化转换为电压输出。

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以上三类传感器虽然检测对象不同，但具有一个共同特点：

它们的核心本质都是"电阻随物理量变化"。

系统中的信号转换过程可以统一表示为：

某种被监测的物理量改变 → 电阻变化 → 分压电路 → 电压信号 → ADC采集 / 比较起输出高低电平

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在前面的课程学习中，我们已经知道如何使用传感器模块的DO口输出：

1. 输出1表示一种状态
2. 输出0表示一种状态

所以DO口的输出显然是一种数字输出模式。

它虽然能表示两种和物理量相关的状态，但还是不够直观的表示物理量本身。

今天我们来学习传感器模块的AO口输出功能，通过采集AO口的输出，就可以更直接的获取物理量的相关数据。

当然，我们首先需要明确的一点是：

传感器模块的 AO 口输出的是连续变化的电压信号，属于模拟信号输出。

模拟信号和数字信号

关于模拟信号和数字信号，我们之前已经简单提到过。

它们之间的区别，可以用一句话概括：

模拟信号是连续的，数字信号是跳变的、离散的。

自然界中的物理量（如温度、光照、声音、电压等）本质上都是连续变化的，因此属于模拟信号。

从理论上来说：

模拟信号在时间和数值上都是连续的，其精度可以无限细分。

也就是说：

任意两个模拟信号的数值之间，还可以继续细分出无限多的数值。

正因为这一点：

我们实际上无法精确地记录或存储一个真正的模拟信号。

比如：

我的身高是180cm，真的是刚好180吗？

不可能"刚好就是 180.000000...... cm"，它一定是一个非常精细的连续值，只是我们做了近似表达。

而数字信号，则是对模拟信号的一种处理结果。

数字信号是通过对模拟信号进行"采样"和"量化"得到的离散数值。

所以：

数字信号其实可以理解成，是对模拟信号在某一个时刻的一种"近似表示"，是一种为了便于表述和存储使用的估值和约数。

总之：

1. 所谓模拟信号，是出现在自然界当中的数据信号，其数据随时间连续变化，数据的精度理论上无限大。真实，但不易描述和存储。
2. 所谓数字信号，是对模拟信号的近似表示和约数，它的数值随时间离散变化，数据的精度是有限的。数据不真实，但易于描述和存储。

比如参考下图：

自然界的温度是连续变化的，而且温度的数值理论上是精度无限的，这就是模拟信号。

模拟信号是无法直接存储在计算机当中的：

因为计算机进行数据采集存储总会存在一个时间间隔，而且计算机由于存储位数的限制，也不可能存储无限精度的数据。

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现在传感器模块的AO口输出的是连续变化的电压模拟信号，单片机肯定是无法直接保存使用的。

还需要经历一步：将模拟电压信号，转换成数字电压信号的过程。

此时就需要使用单片机的ADC外设。

在嵌入式系统当中，外围传感器采集模拟信号数据后，需要使用ADC模块转换成数字信号，然后才可以进行存储。

ADC概述

ADC也是单片机内一种常见，常用的片内外设。我们可以从ADC这个名字入手，来探究一下什么是ADC。

**ADC（Analog-to-Digital Converter）**即模拟信号 - 数字信号转换器，是嵌入式系统中实现模拟信号数字化的核心功能模块。

在实际的嵌入式系统中，各类传感器通常会将外界的物理量（如温度、光照、气体浓度等），转换为随之变化的电压信号。

随后，ADC（模数转换器）模块会对该电压信号进行处理，将其转换为对应的电压数字量（离散数值）。

这样，程序员就可以通过读取 ADC 的电压数字值结果，间接获取当前物理量的近似值。

举一个例子，以温度传感器为例：

1. 外界温度发生变化
2. 热敏电阻的阻值发生变化
3. 通过分压电路转换为电压信号（模拟量）
4. ADC 将该模拟电压量转换为数字电压量
5. 程序员获取这个数字电压量，从而更直观的在数字上感受温度发生了改变。
6. 当然，通过这个数字电压量，还可以通过公式来计算近似温度值。

总结流程如下：

温度改变 → 热敏电阻的阻值变化 → 电压变化（模拟量） → ADC → 电压数字量 → 温度计算

ADC模数转换的工作原理

单片机中的ADC外设，其核心作用就是：把连续变化的电压（模拟量），转换为离散的数字值。

也就是"模数转换"。

那么，它是如何完成这个过程的呢？

核心步骤是两步：

1. 采样，在某一个时刻，读取当前的电压值，就像"拍一张照片"。
   1. 模拟信号是连续变化的，要想转换为一个固定的数字值，首先必须在某一时刻"固定住"这个信号
   2. 采样的频率越高，对原始信号连续变化特点的还原就越准确。
2. 量化，将采样得到的电压值，用一个整数进行表示，这个整数值就是电压的数字值。

ADC 的本质就是：在某一时刻测量电压，并用一个数字去表示这个电压。

采样、采样时间和采样频率

ADC一次转换，大致经历两个阶段：

1. 采样时间，ADC外设内部有一个电容器件，采样本质上就是"电容"充电的过程。
   1. 采样时间是ADC的可选配置参数。
   2. 采样时间越长，电容有更充足的时间"充电"，采样结果会更接近真实电压。
   3. 采样时间短，单次采样的总时间就越短，可以实现更高的采样速度。但如果电容充电不足，可能导致采样的数据偏小或不稳定。
2. 转换时间，把模拟电压信号转换成数字信号。在STM32中，这个时间是固定的，为12.5个ADC时钟周期。

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一次ADC转换总时间：

ADC一次转换总时间 = 采样时间 + 12.5 cycles

ADC的采样频率计算公式：

采样频率 = ADC时钟 / (采样时间 + 12.5)

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所以，如果想要ADC采样的快，比如1s内采样个十万次，那么就要尽量：

1. 提高ADC时钟
2. 降低采样时间

但需要注意：

采样频率的提升，通常是以一定的准确性为代价的。

因为采样时间缩短，电容充电不充分，可能导致采样结果产生误差。

如果不追求高速采样，建议尽量选择较长的采样时间，这样可以获得更稳定、更准确的采样结果。

量化、量化值和分辨率

采样阶段得到的是某一时刻的"模拟电压值"，理论上这个电压是精度无限的。

例如：

2.0131000...

省略号表示精度无限

量化的过程，就是把这个连续电压，映射为一个有限精度的数字值。

那么ADC模块是如何完成量化过程的呢？

画了一个简化的ADC量化过程工作原理图：

其核心就在于：

STM32F103C8T6单片机的ADC是一个12位逐次逼近型ADC。

那么什么是12位逐次逼近型ADC呢？

可以简单理解为：

ADC通过"不断试探"的方式，用一个12位的数字，逐步逼近输入电压的真实值。

其基本工作过程如下：

1. ADC内部有一个DAC（数模转换器）和一个电压比较器
2. 从最高位（MSB）开始，逐位尝试将12位数据寄存器的对应位设为1
3. DAC转换器根据当前数字值生成一个参考电压（数字信号转换成模拟信号）
4. 比较该电压与ADC模拟输入电压的大小
   1. 若DAC电压 > 输入电压 → 说明电压没达到这么高，当前位清零
   2. 若DAC电压 ≤ 输入电压 → 说明电压可能更高，当前位置位保留
5. 继续向低位判断每一位，直到最低位（LSB）

最终得到一个12位的数字结果，即量化值。
举一个具体例子：

假设参考电压为3.3V，输入电压为2.0131.......V

由于是12位ADC，总共有4096个量化等级。

每一级对应的电压约为：3.3 / 4096 ≈ 0.000805V

接下来从最高位开始试探，过程如下：

首先试探 bit11（最高位）：

1000 0000 0000 = 2048

对应电压：

2048 / 4096 × 3.3

= 0.5 × 3.3

= 1.65V

因为 1.65V < 2.0131....V

这说明1000 0000 0000表示的电压可能还不够，保留最高位的1，继续向下试探。

试探 bit10：

1000 0000 0000 = 2048 + 1024 = 3072

对应电压：

3072 / 4096 × 3.3

= 0.75 × 3.3

= 2.475V

因为 2.475V > 2.0131V

这说明1100 0000 0000表示的电压已经超了，所以bit10位的1丢弃清理，继续向下试探。

当前结果：

1000 0000 0000

试探 bit9：

1010 0000 0000 = 2048 + 512 = 2560

对应电压：

2560 / 4096 × 3.3

= 0.625 × 3.3

= 2.0625V

因为 2.0625V > 2.0131V

这说明1010 0000 0000表示的电压已经超了，所以bit9位的1丢弃清理，继续向下试探。

当前结果：

1000 0000 0000

试探 bit8：

1001 0000 0000 = 2048 + 256 = 2304

对应电压：

2304 / 4096 × 3.3

= 0.5625 × 3.3

≈ 1.856V

因为 1.856V < 2.0131V

这说明1001 0000 0000表示的电压可能还不够，所以bit8位的1保留，继续向下试探。

当前结果：

1001 0000 0000

试探 bit7：

1001 1000 0000 = 2304 + 128 = 2432

对应电压：

2432 / 4096 × 3.3

≈ 0.59375 × 3.3

≈ 1.959V

因为 1.959V < 2.0131V

这说明1001 1000 0000表示的电压可能还不够，所以bit7位的1保留，继续向下试探。

当前结果：

1001 1000 0000

试探 bit6：

1001 1100 0000 = 2432 + 64 = 2496

对应电压：

2496 / 4096 × 3.3

≈ 0.609375 × 3.3

≈ 2.010V

仍然略小于 2.0131V → bit6 保留

当前结果：

1001 1100 0000

试探 bit5：

1001 1110 0000 = 2496 + 32 = 2528

对应电压：

2528 / 4096 × 3.3

≈ 0.6171875 × 3.3

≈ 2.036V

因为 2.036V > 2.0131V

说明超了，bit5 清零

当前结果：

1001 1100 0000

试探 bit4：

1001 1101 0000 = 2496 + 16 = 2512

对应电压：

2512 / 4096 × 3.3

= 0.61328125 × 3.3

≈ 2.024V

因为 2.024V > 2.0131V

说明超了，bit4 清零

当前结果：

1001 1100 0000

试探 bit3：

1001 1100 1000 = 2496 + 8 = 2504

对应电压：

2504 / 4096 × 3.3

= 0.611328125 × 3.3

≈ 2.017V

因为 2.017V > 2.0131V

说明超了，bit3 清零

当前结果：

1001 1100 0000

试探 bit2：

1001 1100 0100 = 2496 + 4 = 2500

对应电压：

2500 / 4096 × 3.3

= 0.6103515625 × 3.3

≈ 2.014V

因为 2.014V > 2.0131V

说明还是略大，bit2 清零

当前结果：

1001 1100 0000

试探 bit1：

1001 1100 0010 = 2496 + 2 = 2498

对应电压：

2498 / 4096 × 3.3

= 0.60986328125 × 3.3

≈ 2.0135V

因为 2.0135V > 2.0131V

说明略大，bit1 清零

当前结果：

1001 1100 0000

试探 bit0（最低位）：

1001 1100 0001 = 2496 + 1 = 2497

对应电压：

2497 / 4096 × 3.3

= 0.609619140625 × 3.3

≈ 2.0127V

因为 2.0127V < 2.0131V

所以 bit0 保留为 1

当前结果：

1001 1100 0001

最终结果为：

1001 1100 0001 = 2497

对应电压约为：

2497 / 4096 × 3.3 ≈ 2.0127V

可以看到，ADC 经过从 bit11 到 bit0 的逐位试探，

最终得到了一个最接近输入电压 2.0131......V 的 12 位整数值 2497。

这个过程的本质就是：

从高位到低位逐位试探，每试探一位，就比较一次大小，若超过输入电压则清零，未超过则保留。

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ADC 会把参考电压范围划分为 份（N 为位数），位数越高，划分越细，每一份所对应的电压区间就越小。

在专业术语中，这个"最小可分辨的电压变化量"称为：ADC 的分辨率（Resolution）

其计算公式是：

ADC分辨率 = 参考电压 / 2^N

例如：

1. 12位ADC，它的分辨率是：3.3 / 4096 ≈ 0.8mV
2. 16 位 ADC，它的分辨率是：3.3 / 65536 ≈ 0.05mV

所以，很显然，我们可以得到一个结论：

ADC 的位数越多，精度越高。

ADC位数越高 → ADC分辨率越小 → 电压区分能力越强 → ADC测量越精细

但需要注意：

位数只是理论精度，实际精度还会受到噪声、电源、硬件电路等因素影响。

量化值和实际物理值

在 ADC 转换过程中，输出结果是一个数字量，称为量化值。

例如 12 位 ADC 外设模块，其输出量化值取值范围为 0 ~ 4095。

该值本质上只是对输入电压的离散编码，本身不直接具有物理意义。

实际物理值（Physical Value）指的是对应的真实量，例如电压、温度或光照强度等。

如果你需要真实的物理值数据，那么首先你需要把量化值转换成输入电压数值：

输入电压 = 量化值 / × 参考电压

得到这个输入电压后，可以根据传感器的参考手册，亦或者根据经验总结，可以将电压值进一步转换成真实物理量。

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比如：

参考电压为 3.3V，ADC 为 12 位，某次采样得到的量化值为：3000。

代入公式计算：

输入电压 = 3000 / 4096 × 3.3 ≈ 0.7324 × 3.3 ≈ 2.42V

可以看出：

量化值 3000 对应的实际电压约为 2.42V

ADC外设的使用

下面结合单片机上具体的 ADC 外设，来讲解 ADC 的实际使用方法。

也就是讲一下ADC外设，如何配置，如何让它可以正常工作。

首先，我们使用的STM32F103C8T6单片机一共有2个ADC外设，都挂载在APB2外设总线上，如下图所示：

通常来说，通常只需要选择其中一个 ADC 即可满足需求，比如ADC1。

ADC的引脚选择

首先，若想要使用ADC功能，完成模数转换，传感器的AO口必须接入特定ADC引脚。

如下图所示：

其中，PC0~PC3这四个引脚，我们使用的单片机是没有的。

所以能使用的ADC引脚实际只有10个，即单片机可用的外部ADC通道有10个。

即：

1. PA0 ~ PA7，ADC12_IN0 ~ ADC12_IN7，一共8个通道。
2. PB0 对应 ADC12_IN8
3. PB1 对应 ADC12_IN9

考虑到：

1. USART2占用PA2和PA3
2. SPI1占用PA5、PA6、PA7

排除这些冲突引脚以后，还能用于 ADC 采样的就只剩下：

1. PA0 → ADC12_IN0
2. PA1 → ADC12_IN1
3. PA4 → ADC12_IN4
4. PB0 → ADC12_IN8
5. PB1 → ADC12_IN9

也就是说：

只有5个引脚PA0、PA1、PA4、PB0、PB1，可以用于连接传感器模块的AO口。

为什么是ADC12_XX

在 STM32F103 系列单片机中，经常可以看到类似 ADC12_IN0、ADC12_IN1 这样的标注方式。

这里的 ADC12 并不是表示"第12个ADC"，而是表示：

该通道同时连接到 ADC1 和 ADC2 两个 ADC 外设。

也就是说：

1. ADC12_IN0 表示：该引脚既可以作为 ADC1 的通道0，也可以作为 ADC2 的通道0
2. ADC12_IN1 表示：该引脚既可以被 ADC1 使用，也可以被 ADC2 使用

本质上，这些模拟输入引脚在硬件上是共享给 ADC1 和 ADC2 的，只是通过内部多路复用器选择由哪一个 ADC 来进行采样。

因此：

ADC12_INx 的含义可以理解为：该引脚对应 ADC1 和 ADC2 的第 x 号通道

在实际使用中：

1. 如果使用 ADC1，则配置为 ADC1 的通道 x
2. 如果使用 ADC2，则配置为 ADC2 的通道 x

但需要注意：

同一个通道在同一时刻只能被一个 ADC 使用，不能同时被 ADC1 和 ADC2 采样。

这种命名方式的目的，是为了明确说明该引脚资源是两个 ADC 外设共享的。

ADC外设框图

从《STM32F1参考手册》中，我们可以获取以下ADC外设框图：

对我们而言，完整搞懂这个框图并没有太多必要，我们可以将框图精简成如下图所示：

下面来解释一下这个简化框图。

简化ADC外设框图讲解

首先从最左上方的电源与参考电压部分开始。

ADC 的转换必须依赖参考电压和模拟电源，包括：

1. VREF+、VREF-：用于确定 ADC 的测量范围（通常为 0 ~ 3.3V）
2. VDDA、VSSA：分别是模拟电源和模拟地，为 ADC 提供工作电源，可以理解成为片上外设供电。

可以理解为：

ADC 的测量范围和精度，首先由这一部分决定。

接下来是模拟信号的输入部分。

包括外部引脚 ADCx_IN0 ~ ADCx_IN15，以及内部信号（温度传感器、VREFINT）。

这些信号通过 GPIO 进入 ADC，本质上是待测的"模拟电压来源"。

然后进入模拟多路开关（多路复用器）。

由于 ADC 一次只能转换一个通道，因此需要在多个输入之间进行选择。

规则通道最多支持 16 个通道轮询，注入通道最多支持 4 个通道。

这一步的本质是：

从多个输入中选出当前要转换的那个通道。

之后信号分为两条路径：规则通道和注入通道。

规则通道用于常规采样，按设定顺序依次转换；

注入通道优先级更高，可以在规则通道转换过程中插入执行。

这一部分体现的是 ADC 的通道调度机制。

在规则通道中，还涉及两个非常重要的工作模式：扫描模式和连续转换模式。

扫描模式（Scan Mode）：

1. 当配置多个通道时，ADC 会按照设定的顺序，依次对多个通道进行转换。
2. 如果关闭扫描模式，则每次只转换一个通道。

连续转换模式（Continuous Mode）：

1. 开启后，ADC 在完成一次转换后，会自动再次启动下一次转换；
2. 关闭时，则每次转换都需要重新触发。

可以理解为：

1. 扫描模式决定"采几个通道"；
2. 连续转换决定"采一次还是一直采"。

规则通道用于常规采样，按照配置好的顺序依次转换；

注入通道优先级更高，可以在规则通道执行过程中插入转换。

这一部分体现的是 ADC 的通道调度机制。

接下来是触发控制部分。

ADC 转换必须由触发信号启动，分为两种方式：

软件触发：由程序主动启动转换；

硬件触发：由其他外设硬件的事件触发。比如定时器事件触发。

需要特别强调：

硬件触发不经过 CPU，是由外设直接启动 ADC 转换。

随后进入 ADC 核心模块（模拟到数字转换器）。

这一部分完成模数转换，通过逐次逼近的方式，将输入电压转换为 12 位数字量。

转换完成后，数据进入结果寄存器。

规则通道的结果存放在 ADC_DR 寄存器中；

注入通道有独立的寄存器，用于保存其转换结果。

这一块的就是量化的工作原理，在上面我们已经讲过了。

最后是 ADC 的时钟部分。

ADC 需要时钟驱动，该时钟来自 APB2，并经过 ADC 预分频器分频后提供给 ADC 内核。

ADC 的转换速度与该时钟直接相关。

需要注意的是：ADC的输入时钟频率不得超过14MHz。

最后做一个总结，ADC外设的工作流程，大体上是：

提供参考 → 选择通道 → 触发转换 → 模数转换 → 存储结果

扩展/了解：为什么有14MHz的限制

需要注意的是：ADC 的输入时钟频率不得超过 14MHz。

这是因为 ADC 内部是逐次逼近结构，一次转换需要经过采样、比较转换等多个步骤，并不是一个时钟周期就能完成。

如果时钟频率过高，看起来转换速度会变快，但实际上会导致：

1. 采样电容来不及充电，电压不稳定；
2. DAC 和比较器来不及响应；

从而使转换结果出现误差，甚至不稳定。

因此必须限制 ADC 时钟频率，保证内部电路有足够的建立时间。

可以简单理解为：

ADC 不是越快越好，时钟过快反而会降低测量精度。

主动降低ADC时钟频率，让它"慢"下来，是为了保证ADC能够更精准的工作。

具体代码的编写

实际上我们学到今天，对于某个外设配置使用，应当在心里已经有了一个大体的流程。

ADC模块的初始化配置，实际上也只需要以下几个步骤：

1. 开启ADC外设时钟，若还需要使用其它外设则也需要同步开启它们的时钟。
2. 调用ADC_Init函数，初始化ADC外设。
3. 调用ADC_Cmd函数，使能开启ADC外设。
4. ...（如果有的话）

下面我们就逐一介绍一下这些步骤。

开启ADC外设时钟

假如我们使用ADC1外设，它挂载在APB2外设总线上。

那么如何开启ADC1外设时钟呢？是不是就是直接写代码如下：

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);

大体上确实是这样的，但在这一句代码之前还需要做一步小的操作，那就是分频时钟频率。

这是因为在开发手册文档中，官方明确提出了：ADC的输入时钟频率不得超过14MHz。

ADC的输入时钟频率上限（如14MHz）

由硬件电路设计极限和信号稳定性决定，超出会导致转换精度下降或数据错误，厂商设定此值以确保可靠性和抗噪能力。

APB2外设总线的默认时钟频率是72MHZ，这个数值显然远超14MHZ，那么如何实现分频呢？

只需要调用函数"RCC_ADCCLKConfig"即可。

该函数就专门用于分配ADC外设的输入时钟频率，其函数声明如下：

void RCC_ADCCLKConfig(uint32_t RCC_PCLK2);

其形参RCC_PCLK2的传参可以是下列取值：

RCC_PCLK2_Div2: ADC clock = PCLK2/2
RCC_PCLK2_Div4: ADC clock = PCLK2/4
RCC_PCLK2_Div6: ADC clock = PCLK2/6
RCC_PCLK2_Div8: ADC clock = PCLK2/8

这些取值就分别表示：二分频、四分频、六分频、以及八分频。

由于默认时钟频率是72MHZ，那么选择六分频就得到最终ADC输入时钟频率为12MHZ，这是一个常见的选择。

所以开启ADC外设时钟的代码最终就写成下列格式内容：

// 配置 ADC 时钟，确保低于 14MHz
RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6); // 设置 ADC 时钟 = APB2 时钟 / 6 = 12MHz（恰好合适）
// 使能 ADC1 外设时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);

这是第一步。

选择模拟信号的输入引脚

在配置使用ADC时，通道是一个重要数据，而ADC的通道和固定的引脚绑定：

1. 外部传感器的AO口和PA0相连，则使用通道0
2. 外部传感器的AO口和PA1相连，则使用通道1
3. 外部传感器的AO口和PA2相连，则使用通道2
4. ...

具体内容如下图所示：

所以我们可以把两个传感器的AO口分别和PA0与PA1引脚相连，并且使用ADC外设的通道0和通道1进行数据转换。

这两个引脚应该设置为什么模式呢？

它们用于接收模拟信号的输入，那么自然这两个引脚就应当被设置为模拟输入模式！

实验电路接线图

我们在本实验中使用光敏电阻传感器和热敏电阻传感器。

传感器通过 AO 口输出模拟电压信号，分别接入单片机的 PA0 和 PA1 引脚。

单片机内部的 ADC 对这两个模拟电压进行采样，并转换为对应的数字量。

随后，再根据传感器特性，将数字电压值进一步换算为实际的光照强度和温度数据，最终显示在 OLED 屏幕上。

这就是本实验的核心目标：

完成"模拟信号采集 → ADC转换 → 物理量计算 → 显示输出"的完整流程。

下面是实验的电路接线图：

在接线时，都是使用杜邦线连接的，注意不要接错了。

输入引脚初始化

由于前面的铺垫，两个模拟信号输入的引脚的初始化，就非常简单了。

可以直接参考下列代码：

// 开启 ADC1 和 GPIOA 时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

// GPIO 配置模拟信号输入引脚
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1;  // 选择 PA0 和 PA1 作为 ADC 输入通道0和1
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;  // 配置为模拟输入模式
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);  // 初始化 GPIOA

ADC外设模块的初始化

ADC外设模块的初始化，使用一个我们"看起来"特别熟悉的函数：ADC_Init函数。

该函数的声明如下:

void ADC_Init(ADC_TypeDef* ADCx, ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct);

第一个参数非常简单，表示要初始化的ADC外设的模块名字。

这里直接传参"ADC1"即可。

函数的第二个参数，需要传参一个ADC_InitTypeDef结构图对象指针。

也就是需要创建一个该类型结构体对象，然后逐一给结构体对象的成员赋值，最终再将该结构体对象的指针作为参数传递。

该结构体当中需要手动赋值的一共有以下六个成员：

typedef struct{
    uint32_t ADC_Mode;
    FunctionalState ADC_ScanConvMode;
    FunctionalState ADC_ContinuousConvMode;
    uint32_t ADC_ExternalTrigConv;
    uint32_t ADC_DataAlign;             
    uint8_t ADC_NbrOfChannel;
}ADC_InitTypeDef;

下面逐一讲解一下这些成员的赋值：

ADC_Mode成员

ADC_Mode：

用于设置 ADC 的工作模式，出于简单使用考虑，我们的实验中仅需要一个ADC外设工作就足够实现功能。

所以该成员的取值可以直接填：ADC_Mode_Independent

具体的赋值代码如下:

ADC_InitStruct.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;

即选择独立工作模式，只使用1个ADC外设。

ADC_ScanConvMode

ADC_ScanConvMode：

英文全称：Scan Conversion Mode，用于设定是否开启扫描模式，即ADC外设工作时是否自动按照顺序切换多个通道实现转换功能。

在我们的实验当中，虽然用到了两个通道，但完全可以一次转换使用某个单一通道，所以没必要使用扫描模式，直接关闭扫描模式即可。

具体的赋值代码如下:

ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;

ADC_ContinuousConvMode

ADC_ContinuousConvMode：

英文全称：Continuous Conversion Mode，用于配置是否开启自动连续转换模式，即是否自动的重复的完成数据采样以及转换。

为了简单起见，我们选择每次都手动进行信号转换，而不进行自动转换，所以也要关闭这个自动转换模式。

具体的赋值代码如下:

ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; 

ADC_ExternalTrigConv

ADC_ExternalTrigConv：

英文全称：External Trigger Conversion

在STM32的ADC配置中，ADC_ExternalTrigConv 参数用于设置ADC转换的外部触发源，即什么情况和场景下，会触发ADC进行数据转换。

触发方式可以粗略的分为两种：

1. 自动触发：也叫做硬件触发、外部事件触发，比如借助定时器，借助外部事件等方式进行触发。
2. 手动触发：也叫软件触发，即配置ADC外设模块自行触发数据转换，实际上就是需要程序员手动调用函数来触发数据采样和完成转换。

出于简单实现功能考虑，我们的实验就选择手动触发的方式，此时成员的赋值代码如下：

ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;  // 不使用外部触发，采用软件触发

ADC_DataAlign

ADC_DataAlign:

英文全称：Data Alignment，即数据对齐方式，该成员用于设置ADC转换后的数字电压信号的数据存储对齐方式。

它一共有两种对齐方式：

1. 左对齐
2. 右对齐

这两种对齐格式分别意味着什么呢？

这就不得不提ADC外设的一个重要属性：分辨率，它用于表示最终转换结果存储的位数。

我们使用的ADC都是12位的，即最终ADC转换后的最终数据是使用12位二进制位存储的。

而ADC外设存储最终结果的寄存器共有16位，于是左对齐和右对齐就如下图所示：

一般我们建议大家直接选择右对齐的方式，因为这种对齐方式，结果寄存器的高位补0，更便于计算。

那么这个结果寄存器当中存储的是不是真实的电压值呢？

答：其实并不是，结果寄存器当中存储的只是电压数字信号的特殊表示形式，要想得到真实的电压值还需要进行一步转换。

那么为什么需要转换呢？以及如何进行转换呢？

这里就需要了解ADC外设的工作原理了，即"逐次逼近型ADC"。

由于我们使用的是12位ADC，所以它的最终结果取值是0 ~ 4095，一共有4096种可能性。

单片机的供电电压是3.3V，也就是说这个3.3V要被分为4096份，每一份是3.3 / 4096 = 0.0008056641V。

然后我们再算权重：

1. b11位为最高位，所以当只有b11位取1时，就表示实际电压为2 ^ 11 * 0.0008056641V = 1.65V
2. 当只有b10位取1时，就表示实际电压为2 ^ 10 * 0.0008056641V = 0.825V
3. 当只有b9位取1时，就表示实际电压为2 ^ 9 * 0.0008056641V =0.4125V
4. ...

全部数据可以参考下列表格：

位数（bX）	对应的二进制值	权重（实际电压增量）
b11（最高位）
b10
b9
b8
b7
b6
b5
b4
b3
b2
b1
b0（最低位）

举一个例子：

当实际电压为2.2V时，结果寄存器应该存储哪个二进制数呢？

整个计算过程就是从最高位权重开始累加，只要该位累加后还不超过这个实际电压，那么该位就可以取1。

计算过程如下：

位数 (bX)	权重 (V)	累积电压计算过程 (V)	是否已超出	该位是否置 1	当前 ADC 结果
b11	1.65V	1.65V	未超出	是	1000 0000 0000
b10	0.825V	1.65V + 0.825V = 2.475V	已超出	否	1000 0000 0000
b9	0.4125V	1.65V + 0.4125V = 2.0625V	未超出	是	1010 0000 0000
b8	0.206V	2.0625V + 0.206V = 2.2685V	已超出	否	1010 0000 0000
b7	0.1035V	2.0625V + 0.1035V = 2.166V	未超出	是	1010 1000 0000
b6	0.0517V	2.166V + 0.0517V = 2.2177V	已超出	否	1010 1000 0000
b5	0.0258V	2.166V + 0.0258V = 2.1918V	未超出	是	1010 1010 0000
b4	0.0129V	2.1918V + 0.0129V = 2.2047V	已超出	否	1010 1010 000
b3	0.0064V	2.1918V + 0.0064V = 2.1982V	未超出	是	1010 1010 1000
b2	0.0032V	2.1982V + 0.0032V = 2.2014V	已超出	否	1010 1010 1000
b1	0.0016V	2.1982V + 0.0016V = 2.1998V	未超出	是	1010 1010 1010
b0	0.0008V	2.1998V + 0.0008V = 2.2006V	已超出	否	1010 1010 1010

于是ADC的结果寄存器当中存储的数据就是: 1010 1010 1010，即0XAAA，十进制数就是2730。

也就是说，当实际输入电压是2.2V这个模拟电压信号量时，ADC转换后输出的数字电压值是：2730

那么如何将这个ADC转换后的结果，再转换成实际的电压值呢？

很简单，2730这个值表示实际电压值有2730份，而每一份是3.3 / 4096 = 0.0008056641V，那么它表示的实际电压就是：

2730 * 0.0008056641 = 2.1994628906V

这个结果为什么和实际电压值不同呢？

很简单，这就是模拟信号连续、且精度无限和数字信号不连续，精度有限的差别，所以模数转换是存在误差的。

而且不难发现，随着ADC分辨率位数的增加，误差就会减少。

所以提升ADC的分辨率是有效提升数据采集精度的方式，当然代价就是更贵以及更高的功耗。

回到ADC_DataAlign成员的配置本身，这个成语的配置代码如下：

ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;  // 结果右对齐（低位对齐方式）

以上。

ADC_NbrOfChannel

ADC_NbrOfChannel:

英文全称: Number of Channels，即一次性ADC转换的通道数量。出于简单和本实验的需求，我们直接传参数值1就可以了。

此时成员的赋值代码如下：

ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;

ADC_NbrOfChannel 与扫描模式（Scan Mode）是配合使用的。

1. 当只配置 1 个通道时，是否开启扫描模式没有影响
2. 当配置多个通道时，必须开启扫描模式，ADC 才会按顺序依次转换多个通道

开启/使能ADC外设

和很多外设一样，在调用ADC_Init函数完成外设初始化以后，需要使用相应的Cmd函数用于开启此外设。

ADC外设也不例外。

函数调用代码如下:

ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);

ADC外设复位校准和校准操作

ADC作为一种转换数据信号的外设，它的精度是非常重要的。

所以ADC外设内部提供了一个用于实现校准的寄存器，但是在进行校准之前，建议先复位这个校准寄存器，以防止上一次的校准数据影响到这一次的校准。

其函数调用代码如下：

// 复位 ADC1 校准
ADC_ResetCalibration(ADC1);

while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));  // 等待复位完成

复位校准完成后，就可以开始进行ADC校准了，其函数调用代码如下：

// 开始 ADC1 校准
ADC_StartCalibration(ADC1);

while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));  // 等待校准完成

为什么需要校准？

实际上官方手册文档上对校准操作是有说明的，手册上明确指出："校准可大幅减小因内部电容器组的变化而造成的准精度误差。"

所以在ADC外设上电开启（也就是ADC_Cmd函数执行）后，就需要执行上述ADC校准操作，以获取最佳的转换精度，减少误差。

完整代码

至此，关于一个ADC外设的初始化操作，就全部完成了。完整的参考代码如下：

/**
 * @brief  配置 ADC1 以进行模数转换
 * @note   该函数初始化 ADC1，并配置其转换模式、数据对齐方式等
 * @param  无
 * @retval 无
 */
void ADC_Config(void) {
    // 配置 ADC 时钟，确保低于 14MHz
    RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6); // 设置 ADC 时钟 = APB2 时钟 / 6 = 12MHz（恰好合适）

    // 开启 ADC1 和 GPIOA 时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // GPIO 配置模拟信号输入引脚
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1;  // 选择 PA0 和 PA1 作为 ADC 输入通道
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;  // 配置为模拟输入模式
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);  // 初始化 GPIOA

    // ADC 配置
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
    ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;  // 独立模式，不与其他 ADC 共享
    ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;  // 关闭扫描模式（同时只有一个单通道进行转换）
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;  // 关闭连续转换模式（手动触发转换）
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;  // 不使用外部触发，采用软件触发
    ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;  // 结果右对齐（低位对齐方式）
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;  // 只配置 1 个转换通道
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);  // 初始化 ADC1

    // 开启 ADC1
    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);

    // 复位 ADC1 校准
    ADC_ResetCalibration(ADC1);

    while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));  // 等待复位完成

    // 开始 ADC1 校准
    ADC_StartCalibration(ADC1);

    while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));  // 等待校准完成
}

以上。

读取ADC转换后的结果

在上述配置ADC外设完成后，ADC就可以开始工作了，我们就可以读取ADC转换后的结果了。

这里先来讲解几个重要的函数。

ADC_RegularChannelConfig函数

ADC_RegularChannelConfig，正如这个函数的名字，RegularChannel规则通道，该函数用于ADC外设的规则通道。

通俗的说，该函数用于设置从哪个ADC通道上，以何种规则顺序,以何种采样速度完成数据的采集工作。

该设置一旦完成，就相当于ADC外设做好了采集数据、转换数据的准备。

该函数的声明如下：

void ADC_RegularChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel, uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime);

其函数的前两个参数非常简单，可以直接传参：

1. ADCx参数，指定ADC外设，直接传参ADC1或者ADC2
2. ADC_Channel参数，指定数据采集的通道号。
   1. 由于我们使用单通道数据采集，所以在需要采集某个通道数据时，就直接传参对应通道即可。
   2. 比如我们上面使用的通道0: ADC_Channel_0和通道1: ADC_Channel_1。

随后我们来看一下第三个参数：Rank

该参数表示: 如果 使用多个通道 采样，Rank 用来指定该通道在转换序列中的顺序。

但我们仅使用简单的单通道数据采集，所以这个参数可以直接传参1。

重点来看一下最后一个参数: ADC_SampleTime

这个参数用于设置ADC 的采样时间，由于 ADC 开始转换之前，ADC 采样电容（S/H 电容） 需要充电，以便后续转换。

所以ADC_SampleTime这个采样时间设置，就决定了电容的充电时长：

1. 采样时间 越短，充电时间就越短，采样速率越快，转换速率就越快，但精度可能下降。
2. 采样时间 越长，充电就更充分，精度就更高，但相应速率就会降低。

ADC_SampleTime 可选值如下表格：

宏定义	采样时间
ADC_SampleTime_1Cycles5	1.5个时钟周期
ADC_SampleTime_7Cycles5	7.5个时钟周期
ADC_SampleTime_13Cycles5	13.5个时钟周期
ADC_SampleTime_28Cycles5	28.5个时钟周期
ADC_SampleTime_41Cycles5	41.5个时钟周期
ADC_SampleTime_55Cycles5	55.5个时钟周期
ADC_SampleTime_71Cycles5	71.5个时钟周期
ADC_SampleTime_239Cycles5	239.5个时钟周期

设置好了采样周期后，相应的一次转换的总转换时间就可以计算了。

STM32F103系列芯片 的 ADC 总转换时间可以由下列公式来进行计算：

采样时间周期

其中：T_ADC_Clock 是 一个ADC 时钟周期所耗时间 ，ADC时钟频率由 RCC_ADCCLKConfig() 函数调用设置，我们使用的时钟周期是12MHZ。

如此我们可以计算出，ADC一个时钟频率时间是：1 / 12MHz 秒。

加上的12.5是什么意思呢？

12.5就是12.5个时钟周期，我们查看硬件手册的说明，STM32F103 系列芯片的ADC外设在采集完数据后的，转换数据的时间是固定的。

固定为12.5个ADC时钟周期时间。

为什么固定为12.5个ADC时钟周期呢？

因为ADC是12位的，每一个时钟周期用于确定对应位的值为0或1，再留半个周期进行数据存储，总共12.5个时钟周期。

所以ADC外设，完成一次采样，并且转换数据的总转换时间，其计算结果就如下表格所示：

宏定义	总转换时间（Cycles）	总转换时间（µs，ADC 时钟 = 12MHz）
ADC_SampleTime_1Cycles5	1.5 + 12.5个时钟周期	1.17 µs
ADC_SampleTime_7Cycles5	7.5 + 12.5个时钟周期	1.67 µs
ADC_SampleTime_13Cycles5	13.5 + 12.5个时钟周期	2.17 µs
ADC_SampleTime_28Cycles5	28.5 + 12.5个时钟周期	3.42 µs
ADC_SampleTime_41Cycles5	41.5 + 12.5个时钟周期	4.50 µs
ADC_SampleTime_55Cycles5	55.5 + 12.5个时钟周期	5.67 µs
ADC_SampleTime_71Cycles5	71.5 + 12.5个时钟周期	7.00 µs
ADC_SampleTime_239Cycles5	239.5 + 12.5个时钟周期	21.04 µs

那我们应该选择什么样的采样时间呢？

采样时间的选择主要靠模拟信号源的阻抗决定。

在模拟电路中，信号源阻抗 (R_source) 是信号源输出端的等效电阻，它表示信号源驱动电流的能力。

简单来说，信号源阻抗越高，提供的电流越小，ADC 采样电容充电就越慢，因此 需要更长的采样时间 (ADC_SampleTime) 以确保准确测量。

下面给出一张表格展示了常见的信号源阻抗和采样时间的选择:

信号源阻抗 (R_source)	推荐 ADC_SampleTime	适用场景
< 1kΩ	1.5 ~ 7.5 Cycles	运放缓冲输出、低阻抗电压测量
1kΩ ~ 10kΩ	7.5 ~ 13.5 Cycles	分压电路、电位器、低阻抗 NTC
10kΩ ~ 50kΩ	28.5 ~ 55.5 Cycles	光敏电阻（LDR）、NTC 热敏电阻
50kΩ ~ 100kΩ	55.5 ~ 71.5 Cycles	高阻抗 NTC、电容式传感器

由于我们实验的目标就是采集光敏电阻传感器、热敏电阻传感器的模拟信号，所以这里我们选择55.5个时钟周期时间作为采样时间。

以上，这个函数调用的代码就如下：

// 配置 ADC 通道（指定ADC1外设, ADC通道，单通道采样，采样时间 55.5 时钟周期）
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_x, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);

当然，如果不追求采样速度，更加追求采样的精准度，可以进一步放慢采样时间。

ADC_SoftwareStartConvCmd函数

完成上面ADC通道规则配置后，就可以开始ADC采集数据、转换数据的流程了。

在上面配置ADC外设时，我们选择的触发方式是软件触发，即使用某个函数调用触发ADC的数据采集、转换流程。

这个函数就是ADC_SoftwareStartConvCmd。

该函数的声明如下：

void ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);

其函数传参可以参考下列表格:

参数	类型	作用
ADCx	ADC_TypeDef*	选择 ADC 外设（ADC1、ADC2）
NewState	FunctionalState	ENABLE 触发转换，DISABLE 停止转换

注意事项：

1. 只有ADC设置为软件触发模式，才需要调用该函数手动触发ADC采集和转换数据。
2. 由于上述ADC初始化时，禁用了连续转换模式，所以每转换一次数据都需要调用一次该函数。

在上面讲解ADC_RegularChannelConfig函数时，我们知道: ADC从采样数据到完成转换数据，将结果存储到结果寄存器是需要耗费很多时间的。

那么在读结果寄存器的数据时，就需要等待ADC采样、转换、存储数据全部完成后，才能够进行读取。

如何实现这样的等待过程呢？

很简单，依靠标志位。

标志位EOC（End of Conversion）被置为1时，就表示ADC采样、转换、存储数据全部完成。

我们可以通过函数: ADC_GetFlagStatus来获取ADC外设标志位的状态，于是一次完整的软件触发ADC采样转换数据的代码就是：

// 开始 ADC1采样,转换数据的过程（软件触发）
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);

// 等待转换完成（检查 EOC 标志）
while (!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC));

// 代码执行到这里, 说明可以读ADC数据了

那么怎么读ADC结果寄存器当中的数据呢？

ADC_GetConversionValue函数

ADC_GetConversionValue函数就用于ADC一次数据采集转换后，结果数据寄存器当中的16位数值。（文档上面已经分析过这个数值了）

其函数声明如下：

uint16_t ADC_GetConversionValue(ADC_TypeDef* ADCx);

其传参非常简单，传入对应ADC外设名即可，如ADC1、ADC2。

该函数调用就表示从ADCx外设中读取对应通道的转换结果。

重要注意事项：

我们已经知道EOC标志位在转换完成时会被自动置为1，那么读完数据后就应该置为0，以进行下一次ADC采集转换数据。

那么需要手动将EOC标志位置为0吗？

不需要，按照官方手册文档中的说明，在调用ADC_GetConversionValue函数读数据后，EOC标志位会自动置为0！

读ADC结果的完整代码

/**
 * @brief  读取指定通道的 ADC 值
 * @note   该函数启动 ADC1 进行单次转换，并返回转换结果
 * @param  channel: 要转换的 ADC 通道号（ADC_Channel_0 ~ ADC_Channel_17）
 * @retval uint16_t: 12 位 ADC 转换结果（范围 0 ~ 4095）
 */
uint16_t ADC_Read(uint8_t channel) {
    // 配置 ADC 通道（指定通道，规则组序号 1，采样时间 55.5 周期）
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, channel, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);

    // 开始 ADC1采样,转换数据的过程（软件触发）
    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);

    // 等待转换完成（检查 EOC 标志, 等待该标志被置为1）
    while (!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC));

    // 读取并返回转换结果, 自动将EOC标志位置为0
    return ADC_GetConversionValue(ADC1);
}

以上。