4、单通道ADC采集实战：用STM32CubeMX生成代码，读取氧气浓度传感器的模拟电压

好，咱们终于到了动手环节。

前面讲了那么多理论，什么采样定理、量化误差、滤波算法……说实话，光听不练容易犯困。我自己带新人时有个习惯：先让他们把ADC调通，看到电压值在屏幕上跳，兴趣就来了。

这一章，我们就用STM32CubeMX生成一个完整的单通道ADC工程。目标很明确——读取氧气浓度传感器的模拟电压，把原始值换算成实际电压，再映射成氧浓度百分比。

4.1 硬件准备：你需要什么？

先列个清单，免得你焊了半天发现少个电阻。

  • 主控板：STM32F103C8T6（蓝色小板子，我项目里用得最多）
  • 氧气浓度传感器：比如ME2-O2，输出0~2V对应0~25%氧浓度
  • 分压电阻：如果传感器输出超过3.3V，需要分压。ME2-O2最高2V，可以直接接
  • 100nF电容：在ADC引脚对地并联，滤高频噪声。我习惯在传感器输出端也加一个
  • 杜邦线、面包板：调试用
注意：STM32的ADC输入电压绝对不能超过VDDA（通常是3.3V）。我曾经有个同事直接把5V传感器输出怼进去，芯片当场冒烟。嗯，那哥们后来被罚请全组喝奶茶。

4.2 CubeMX配置步骤

打开STM32CubeMX，新建工程，选好你的芯片型号。我以F103C8为例。

4.2.1 配置时钟

先把时钟树搞定。我个人习惯用外部8MHz晶振，通过PLL倍频到72MHz。

  • RCC → HSE → Crystal/Ceramic Resonator
  • Clock Configuration → HCLK设为72MHz

ADC的时钟频率不能太高。F103的ADC最大时钟是14MHz，我一般分频到12MHz，采样时间设长一点，精度更好。

4.2.2 配置ADC

在Pinout & Configuration里找到ADC1，开始配置：

  • Mode：IN0（对应PA0引脚）
  • ADC_Settings：
    • Data Alignment：Right alignment（右对齐，默认）
    • Scan Conversion Mode：Disabled（单通道不需要扫描）
    • Continuous Conversion Mode：Enabled（连续转换，省得每次手动触发）
    • Number of Conversion：1
  • ADC_Regular_Conversion：
    • Sampling Time：55.5 Cycles（我习惯选长一点，信号更稳）
小技巧：如果你发现采集的电压跳得厉害，试试把采样时间加到239.5 Cycles。代价是转换速度变慢，但精度提升明显。我在做医疗级制氧机时，采样时间都设得很长，毕竟氧浓度数据不能抖。

4.2.3 配置DMA（可选但推荐）

如果你不想让CPU一直轮询ADC，可以用DMA自动搬运数据。

  • 添加DMA：ADC1 → DMA1 Channel1
  • Mode：Circular（循环模式，一直转）
  • Data Width：Half Word（ADC是12位，半字刚好）

用DMA的好处是：CPU可以干别的事，ADC数据自动存到数组里。我早期做项目时傻傻地用轮询，结果CPU占用率飙到30%，后来改用DMA，降到2%不到。

4.3 生成代码并编写逻辑

点击GENERATE CODE，Keil或STM32CubeIDE工程就出来了。打开main.c，找到main()函数。

4.3.1 添加全局变量

/* 在main.c顶部添加 */
uint16_t adc_raw_value = 0;      // ADC原始值（0~4095）
float voltage = 0.0f;            // 实际电压值（单位：V）
float oxygen_concentration = 0.0f; // 氧浓度百分比（%）

4.3.2 启动ADC转换

在main()的while(1)之前，加上启动代码：

/* 启动ADC校准（F103需要这一步） */
HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1);

/* 启动连续转换 */
HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)&adc_raw_value, 1);

如果你没用DMA，就用：

HAL_ADC_Start(&hadc1);

4.3.3 主循环里做计算

while (1)
{
    if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100) == HAL_OK)
    {
        adc_raw_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
        
        /* 换算成电压：3.3V / 4096 * 原始值 */
        voltage = (3.3f / 4096.0f) * (float)adc_raw_value;
        
        /* 映射成氧浓度：传感器0~2V对应0~25% */
        oxygen_concentration = (voltage / 2.0f) * 25.0f;
        
        /* 限幅保护 */
        if (oxygen_concentration < 0.0f) oxygen_concentration = 0.0f;
        if (oxygen_concentration > 25.0f) oxygen_concentration = 25.0f;
    }
    
    HAL_Delay(100);  // 100ms采集一次，够用了
}

关键点：

  • ADC是12位，所以最大值是4095（2^12 - 1），不是4096。但用4096算电压更准，因为0V对应0，3.3V对应4095，中间是线性关系。
  • 传感器映射公式一定要看数据手册。ME2-O2是0~2V对应0~25%，但不同型号可能不一样。

4.4 避坑指南：我踩过的三个坑

做ADC采集，看着简单，实际坑不少。我一个个说：

坑一：参考电压不准

STM32的内部参考电压（VREFINT）其实挺稳的，但如果你用VDDA作为参考，而VDDA有纹波，那采集值就会跳。我曾经在一个项目里，电源纹波200mV，ADC值跳了30多个LSB。

解决办法：在VDDA引脚对地加一个10μF+100nF的滤波电容，或者用外部基准电压芯片（比如TL431）。

坑二：引脚悬空

ADC引脚如果不接传感器，悬空状态下会采集到随机值。我见过有人调试时没接传感器，看到电压在1.2V~2.8V之间乱跳，以为是代码写错了，查了两天。

解决办法：不用的ADC引脚接地，或者配置成GPIO输出低电平。

坑三：采样时间太短

传感器输出有内阻，如果采样时间太短，采样电容充不满电，结果偏小。F103的ADC采样电容约4pF，如果传感器内阻10kΩ，采样时间至少需要1.5μs。

经验值：我一般选55.5 Cycles（约4.6μs@12MHz），对于大多数传感器都够用。

4.5 验证结果

程序烧进去后，用串口打印出来看看：

printf("ADC Raw: %d, Voltage: %.3f V, O2: %.1f%%\r\n", 
       adc_raw_value, voltage, oxygen_concentration);

正常情况，在空气中（21%氧浓度），你应该读到：

  • ADC原始值：约2600~2700（取决于参考电压精度）
  • 电压值：约1.68V（21% / 25% * 2V）
  • 氧浓度：约21%

如果数值偏差大，先检查分压电阻和参考电压。我习惯用万用表量一下传感器输出脚，确认实际电压对不对。

我的习惯：每次调完ADC，我都会在代码里加一个自检逻辑——上电时读一次内部温度传感器通道（比如F103的ADC1_IN16），如果温度值在合理范围（25~45°C），说明ADC硬件工作正常。这个小技巧帮我省了不少排查时间。

4.6 小结

这一章我们走通了完整的ADC采集流程：从CubeMX配置，到代码生成，再到实际换算。说白了，ADC就是个电压-数字转换器，你给它电压，它给你数字，剩下的就是小学数学。

下一章我们会讲怎么对采集到的原始数据进行滤波处理。你想想看，如果ADC值直接拿去用，稍微有点噪声，氧浓度就上下乱跳，病人看着都慌。所以，滤波是必须的。

嗯，今天就到这里。去把你的传感器接上，看看串口打印出来的数据稳不稳。

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