STM32 ADC 采集实战｜电压采集、分压计算、数据滤波

摘要

ADC 是嵌入式项目最常用的模拟采集外设，很多人调试时会遇到采样跳变、读数不准、分压算错的问题。本文基于气体监测工控项目实战，讲解 STM32 单通道 ADC 采集原理、电阻分压计算、硬件降噪、软件滤波方案，附带精简可移植代码，同时梳理现场调试踩坑点，适合快速落地模拟量采集。

适用主控：STM32F103RCT6

一、项目场景

项目中采集外部 0~3.3V 模拟电压信号；外部传感器输出最高 5V，不能直接接入 STM32 的 ADC 引脚，需要电阻分压电路降压。采集原始 ADC 值存在小幅噪声，需要软件滤波稳定输出电压，用于后续数据上传、阈值判断。

二、硬件分压原理与计算

STM32F103 ADC 参考电压VREF = 3.3V，12 位 ADC，分辨率：

(ADC_{max}=4095)

(V_{in} = \frac{ADC_val}{4095} \times V_{REF})

外部输入 5V 分压电路：上拉 R1=10k，下拉 R2=20k

分压公式：

(V_{adc_pin}=V_{in_ext} \times \frac{R2}{R1+R2})

当外部输入 5V：(V_{adc_pin}=5 \times 20/(10+20)=3.33V)，接近 3.3V，实际选型可微调电阻留余量。

✅ 硬件要点

ADC 引脚旁并联 0.1μF 陶瓷滤波电容，抑制高频噪声；
分压电阻选用 1% 精度金属膜电阻；
模拟地和数字地单点连接，减少电源干扰；
输入电压严禁超过 3.3V，否则会烧毁 MCU。

三、软件滤波方案

硬件滤波只能抑制高频噪声，工业场景仍会存在小幅跳变。这里采用滑动平均滤波 ，占用资源小，裸机项目首选。

原理：保存 N 次采样值，求和取平均值，剔除瞬时尖峰干扰。

四、代码实现（HAL 库，精简版）

#include "stm32f1xx_hal.h"

#define ADC_CH ADC_CHANNEL_1

#define AVG_CNT 8 //滑动平均采样次数

uint16_t adc_buf $AVG_CNT$ ;

uint8_t buf_idx = 0;

//ADC单次读取

uint16_t ADC_ReadRaw(void)

{

HAL_ADC_Start(&hadc1);

HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10);

return HAL_ADC_GetValue(&hadc1);

}

//滑动平均滤波

uint16_t ADC_ReadFilter(void)

{

uint32_t sum = 0;

adc_buf $buf_idx++$ = ADC_ReadRaw();

if(buf_idx >= AVG_CNT) buf_idx = 0;

复制代码

for(uint8_t i=0;i<AVG_CNT;i++)
{
    sum += adc_buf[i];
}
return sum / AVG_CNT;

}

//转换为实际电压，单位：mV

uint16_t ADC_GetVoltage(void)

{

uint16_t adc_val = ADC_ReadFilter();

// V(mV) = adc_val / 4095 * 3300

return (uint32_t)adc_val * 3300 / 4095;

}

调用示例：放在 1ms 定时器任务中非阻塞采集

//1ms定时回调

void TIM_IRQ_Callback(void)

{

static uint16_t cnt = 0;

cnt++;

if(cnt >= 10) //10ms采集一次

{

cnt = 0;

uint16_t vol_mv = ADC_GetVoltage();

}

标准库极简版本（可选）

uint16_t ADC_ReadRaw(void)

{

ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);

while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC));

return ADC_GetConversionValue(ADC1);

}

五、工程踩坑总结

读数一直固定不变：检查 ADC 通道配置、引脚模式是否设置为模拟输入；
数值跳动很大：优先查硬件，确认 0.1uF 滤波电容、电源纹波，再加大滤波采样点数；
电压计算结果偏差：不要直接用 3.3 浮点数运算，嵌入式尽量用整数运算防止精度损失；
分压电阻选错：电阻不能太小，否则传感器负载过大；不能太大，ADC 采样阻抗不足，推荐 10k~100k 区间；
不要在中断里长时间采样，ADC 读取尽量放到主循环或者定时任务。

六、选型拓展

低速传感器（温湿度、电池电压）：单通道查询采集 + 滑动平均；
多路模拟信号：ADC DMA 多通道连续采样；
高精度需求：增加外部基准源 TL431，替代片内 3.3V 参考。