4、ADC与电池电量检测：ADC采样原理、分压电路设计、电池电压曲线、低电量中断唤醒

各位同学，欢迎来到第四讲。

上一章我们把PWM和电机驱动搞定了，牙刷能转了。但有个问题——它转着转着突然没电了，你正刷着牙呢，它停了，这体验可太糟糕了。所以这一章，我们来聊聊怎么让电动牙刷知道自己还剩多少电，以及快没电时怎么优雅地通知你。

4.1 ADC采样原理——芯片的“眼睛”怎么看电压？

ADC，全称模数转换器。说白了，就是把连续的模拟电压，变成芯片能理解的数字。

我打个比方：你拿一把尺子量水杯高度。尺子上的刻度是离散的，水杯高度是连续的。ADC干的就是这个活——它把0~3.3V的电压范围，分成4096份（如果是12位ADC），每一份对应一个数字。

关键参数：

  • 分辨率：12位ADC，就是2^12=4096个台阶。每个台阶代表3.3V/4096 ≈ 0.8mV。嗯，精度够用了。
  • 采样率：每秒能采多少次。测电池电压不需要很快，几十Hz就够了。
  • 参考电压：这个很重要。ADC的满量程对应的是参考电压。我们一般直接用VDD（3.3V）做参考。

避坑指南：我曾经在一个项目里直接用芯片内部参考电压，结果发现电池电压和ADC读数对不上。查了半天，原来是内部参考电压有±5%的误差。从那以后，我习惯用外部精密参考，或者至少做一次软件校准。

4.2 分压电路设计——电池电压太高，芯片扛不住

锂电池满电4.2V，芯片只能承受3.3V。直接连？芯片会冒烟的。

所以我们需要分压电阻。原理很简单：两个电阻串联，中间抽头接ADC引脚。

计算公式：

V_adc = V_bat * R2 / (R1 + R2)

我一般选R1=100kΩ，R2=200kΩ。这样分压比是2/3。4.2V电池对应ADC输入2.8V，安全。

设计要点：

  • 电阻值不能太小，否则电池漏电快。我见过有人用10kΩ，结果待机电流多了几百微安。
  • 电阻值也不能太大，否则ADC输入阻抗会拉低电压。一般100k~1MΩ比较合适。
  • 加一个0.1μF电容到地，滤掉噪声。你想想看，电机转动时产生的干扰可不小。

我的习惯：在分压电阻和ADC引脚之间串一个1kΩ电阻，起到限流保护作用。万一ADC引脚配置错了，也不至于烧芯片。

4.3 电池电压曲线——锂电池的“脾气”你得摸清

锂电池的放电曲线不是线性的。你不能简单地说“3.7V就是一半电”。

典型锂电池放电曲线（1C放电）：

电量百分比 开路电压（V） 带载电压（V）
100% 4.20 4.10
80% 3.95 3.85
60% 3.85 3.75
40% 3.75 3.65
20% 3.60 3.50
5% 3.30 3.20
0% 3.00 2.90

注意看，带载电压比开路电压低。因为电机一转，电池内阻会分压。所以测电量时，最好在电机停止时测，或者做软件补偿。

软件补偿思路：

// 伪代码示例
uint16_t get_battery_level(void)
{
    uint32_t adc_value = read_adc();
    uint32_t voltage_mv = adc_value * 3300 / 4096;  // 原始ADC值转mV
    voltage_mv = voltage_mv * 3 / 2;                // 补偿分压比
    
    // 查表法，比公式计算更准
    if (voltage_mv > 4100) return 100;
    else if (voltage_mv > 3850) return 80;
    else if (voltage_mv > 3750) return 60;
    else if (voltage_mv > 3650) return 40;
    else if (voltage_mv > 3500) return 20;
    else if (voltage_mv > 3200) return 5;
    else return 0;
}

注意：不同品牌的电池曲线有差异。我建议你拿实际电池测一遍，把数据点记录下来，做成自己的查表。别完全信数据手册，那都是理想情况。

4.4 低电量中断唤醒——让牙刷在“临终”前喊一声

电动牙刷最尴尬的场景是什么？刷到一半没电了。所以我们要做低电量检测，提前通知用户。

实现方案：

  1. 主循环轮询：每隔几秒测一次电压。简单，但费电。
  2. ADC中断：电压低于阈值时触发中断。省电，但配置复杂。
  3. 低电压比较器：有些芯片内置比较器，硬件触发。最省电。

我个人推荐用第二种——ADC中断唤醒。因为大多数MCU都支持，而且功耗控制得好。

配置步骤：

// 以STM32为例的伪配置
void adc_low_battery_init(void)
{
    // 1. 配置ADC为连续转换模式
    // 2. 设置模拟看门狗（AWD）阈值
    //    低阈值设为：2.8V * 4096 / 3.3 ≈ 3475
    //    对应电池电压：3.2V（分压后2.13V）
    HAL_ADC_AnalogWDGConfig(&hadc, 3475, 4095, ADC_ANALOGWATCHDOG_SINGLE_REG);
    
    // 3. 使能ADC中断
    HAL_ADC_Start_IT(&hadc);
    
    // 4. 进入低功耗模式
    HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);
}

// 中断回调
void HAL_ADC_LevelOutOfWindowCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc)
{
    // 电压低于阈值，唤醒MCU
    // 闪烁LED，发出蜂鸣声
    // 保存当前状态到Flash
    // 然后进入深度睡眠，直到用户充电
}

避坑指南：我曾经遇到过一个问题——牙刷在电机启动瞬间，电压会瞬间跌落，触发了低电量中断。后来我加了软件滤波：连续3次采样都低于阈值，才认为是真低电量。这叫“去抖”，和按键消抖一个道理。

低电量后的行为设计：

  • 第一次检测到低电量：闪烁绿灯，每次启动时提示。
  • 第二次检测到低电量：闪烁红灯，强制停止电机。
  • 电压低于3.0V：进入深度睡眠，所有功能关闭，只保留充电检测。

为什么要分等级？因为锂电池过度放电会损坏。你想想看，一块电池几十块钱，因为软件没处理好报废了，多冤。

小结

这一章我们聊了ADC怎么工作，分压电路怎么设计，电池曲线怎么看，以及低电量怎么处理。说白了，就是让牙刷知道自己还剩多少电，并且在快没电时做出正确的反应。

下一章，我们会讲充电管理——怎么安全地把电池充满，以及充电时的状态指示。嗯，到时候见。

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