4、ADC采样与滤波：电池电压检测、电机电流采样、NTC温度检测、滑动平均滤波与中值滤波实现

做剃须刀固件，ADC采样这块儿，我敢说它是整个系统的「眼睛」和「耳朵」。电池还剩多少电？电机是不是堵转了？刀头温度是不是过高？这些信息全靠ADC来感知。如果采样不准，后面的逻辑全是白搭。

今天咱们就把ADC采样和滤波这件事彻底聊透。我会结合我在剃须刀项目里踩过的坑，把电池电压检测、电机电流采样、NTC温度检测，还有两种最常用的滤波算法——滑动平均滤波和中值滤波，一一讲清楚。

4.1 电池电压检测：别被「虚电」骗了

电池电压检测，听起来简单吧？分压电阻一接，ADC一读，完事。但实际做起来，坑多着呢。

第一个坑：分压电阻的选型。 锂电池满电4.2V，放电截止大概3.0V。MCU的ADC参考电压通常是3.3V或内部参考1.2V。所以必须用电阻分压，把电池电压降到ADC可测范围内。

我个人习惯用两个100kΩ的电阻做1:1分压。为什么选100k？因为功耗低。你想想看，剃须刀是电池供电的，分压电阻一直在耗电。如果用10kΩ，分压电流就是4.2V / 20kΩ = 0.21mA。看似不大，但待机时这就是个累赘。100kΩ的话，电流只有0.042mA，省了不少。

第二个坑：ADC采样时机。 电池电压在电机启动瞬间会剧烈跌落。如果你在电机启动时采样，读到的电压可能只有2.8V，但实际上电池还有3.7V。这就是「虚电」现象。

我的做法是：电机启动后延迟50ms再采样，或者干脆在电机停止时采样。代码里加个标志位，电机运行时禁止触发电压检测。

// 电池电压采样函数
uint16_t get_battery_voltage(void) {
    // 等待电机停止
    while(motor_running_flag) {
        // 可以加个超时保护，防止死等
        if(timeout_count++ > 100) break;
        delay_ms(1);
    }
    
    // 启动ADC转换
    ADC_StartConversion();
    while(!ADC_IsConversionComplete());
    
    uint16_t adc_value = ADC_GetResult();
    
    // 计算实际电压：分压比1:1，参考电压3.3V，12位ADC
    float voltage = (float)adc_value * 3.3f / 4096.0f * 2.0f;
    
    return (uint16_t)(voltage * 100); // 返回电压值，单位0.01V
}

4.2 电机电流采样：堵转检测的关键

电机电流采样，说白了就是检测电机有没有堵转。剃须刀堵转时，电流会飙升到正常值的3-5倍。如果不及时处理，轻则烧电机，重则把用户胡子烧焦（开个玩笑，但确实危险）。

采样方式有两种：高端采样和低端采样。低端采样是在电机和GND之间串一个小电阻，用ADC测电阻两端的电压。高端采样是在电源和电机之间串电阻，需要差分放大器，成本高一些。

我建议用低端采样，简单、便宜。采样电阻选0.1Ω，功率1W。正常电流0.5A时，采样电压只有0.05V，需要运放放大。放大倍数设20倍，这样ADC读到1V对应1A电流。

电流采样的ADC转换要快。电机电流变化很快，堵转可能在几毫秒内发生。我一般用ADC的连续转换模式，每100μs采样一次，然后做滑动平均滤波。

4.3 NTC温度检测：别让刀头烫到用户

NTC温度检测，用来监测刀头温度。剃须刀连续工作几分钟后，刀头温度可能升到60-70°C。虽然不会烫伤，但用户体验很差。更严重的是，如果电池温度过高，可能引发安全问题。

NTC的接法很简单：一个10kΩ的NTC和一个10kΩ的精密电阻串联，分压后接ADC。温度越高，NTC阻值越小，分压值越低。

但这里有个问题：NTC的阻值和温度不是线性关系。直接用ADC值换算温度，误差很大。我一般用查表法，把温度-ADC值对应关系做成表格，用线性插值计算。

// NTC温度查表，10k NTC + 10k 上拉电阻，12位ADC
const uint16_t temp_table[][2] = {
    {0,   4095},   // 0°C
    {10,  3800},   // 10°C
    {20,  3400},   // 20°C
    {30,  2900},   // 30°C
    {40,  2400},   // 40°C
    {50,  1900},   // 50°C
    {60,  1500},   // 60°C
    {70,  1150},   // 70°C
    {80,  900},    // 80°C
};

uint8_t get_temperature(uint16_t adc_value) {
    // 线性插值
    for(uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
        if(adc_value >= temp_table[i+1][1] && adc_value <= temp_table[i][1]) {
            uint16_t delta_adc = temp_table[i][1] - temp_table[i+1][1];
            uint8_t delta_temp = temp_table[i+1][0] - temp_table[i][0];
            uint16_t offset = adc_value - temp_table[i+1][1];
            return temp_table[i+1][0] + (delta_temp * offset) / delta_adc;
        }
    }
    return 0xFF; // 超出范围
}

4.4 滑动平均滤波：平滑数据，消除噪声

ADC采样天然带有噪声。电源纹波、电机换向干扰、甚至手指触摸都会引入噪声。直接拿原始数据做判断，结果会忽高忽低，没法用。

滑动平均滤波，说白了就是取最近N次采样的平均值。N越大，数据越平滑，但响应越慢。我一般取8或16次。

实现上，用环形缓冲区最方便。每次新数据进来，覆盖最旧的数据，然后重新计算平均值。

#define FILTER_SIZE 16

static uint16_t filter_buffer[FILTER_SIZE];
static uint8_t filter_index = 0;
static uint32_t filter_sum = 0;

uint16_t moving_average_filter(uint16_t new_value) {
    // 减去最旧的数据
    filter_sum -= filter_buffer[filter_index];
    // 存入新数据
    filter_buffer[filter_index] = new_value;
    // 加上新数据
    filter_sum += new_value;
    // 更新索引
    filter_index = (filter_index + 1) % FILTER_SIZE;
    // 返回平均值
    return (uint16_t)(filter_sum / FILTER_SIZE);
}

4.5 中值滤波：干掉毛刺，保留边缘

滑动平均滤波对高斯噪声效果好，但对突发性毛刺（比如电机换向产生的尖峰）效果一般。这时候中值滤波就派上用场了。

中值滤波的原理很简单：取N次采样值，排序后取中间值。N一般取奇数，比如3、5、7。N越大，去毛刺效果越好，但计算量也越大。

我一般用3点中值滤波，计算量小，效果也不错。对于剃须刀这种对实时性要求高的场景，3点中值滤波足够了。

uint16_t median_filter_3(uint16_t a, uint16_t b, uint16_t c) {
    // 比较三个值，取中间值
    if(a > b) {
        uint16_t temp = a;
        a = b;
        b = temp;
    }
    if(b > c) {
        uint16_t temp = b;
        b = c;
        c = temp;
    }
    if(a > b) {
        uint16_t temp = a;
        a = b;
        b = temp;
    }
    return b; // 中间值
}

实际使用时，我会把滑动平均滤波和中值滤波结合起来。先用中值滤波去掉毛刺，再用滑动平均滤波平滑数据。效果非常好。

4.6 实战建议：滤波策略的选择

不同场景用不同的滤波策略，这是我的经验总结：

采样对象	推荐滤波方式	说明
电池电压	滑动平均滤波（16点）	电压变化慢，需要平滑
电机电流	中值滤波（3点）+ 滑动平均（8点）	电流有毛刺，需要快速响应
NTC温度	滑动平均滤波（8点）	温度变化慢，简单平滑即可

嗯，这里要注意一点：滤波会引入延迟。滑动平均16点，如果采样率是1kHz，延迟就是16ms。对于电池电压和温度检测，这点延迟无所谓。但对于电机堵转检测，16ms可能就太长了。所以电流检测我用8点滑动平均，延迟只有8ms，够用。

好了，ADC采样与滤波这部分就讲到这里。下一章咱们聊聊PWM控制与电机调速，这可是剃须刀的核心功能之一。