12-CubeMx+Keil+Proteus仿真STM32 - ADC

本文例子参考《STM32单片机开发实例——基于Proteus虚拟仿真与HAL/LL库》
源代码:https://github.com/LanLinnet/STM32F103R6

项目要求

单片机每隔1秒采集一次温度值(0~40℃),并通过串口输出(ASCII格式)。

硬件设计

  1. 第一节的基础上,在Proteus中添加电路如下图所示。其中我们添加了:
    热敏电阻(负温度系数)NTC
    一个虚拟仪器VIRTUAL TERMINAL,用来查看单片机收到的串口数据。

    由于要实现串口通信,我们要将其波特率、字长、校验方式、停止位等都设置一下。
    VIRTUAL TERMINAL设置

    另外我们还需要对热敏电阻的属性值也进行相应的设置,具体参数值的选取将会在下文中说明。
    NTC 设置

  2. ADC简介:模/数转换器(Analog to Digital Converter,简称ADC)是将传感器输出的模拟量信号转换为相应的数字量信号,再送给单片机进行控制处理。STM32F103R6中自带2个ADC(ADC1、ADC2),它们的特性有:12位ADC,转换模拟量电压范围0~3.6V,支持单次或连续转换模式,支持转换结果的左对齐或右对齐模式等,具体可以查阅芯片技术手册。
    1)转换时间\(T_{CONV}\):ADC每一次转换过程需要的时间称为转换时间,转换时间的长短取决于输入时钟(ADC工作频率)采样周期两个参数。其计算公式为:
    \(T_{CONV}=\mathrm{采样周期}+12.5\times\mathrm{周期}\)

    2)对齐方式:ADC转换的12位数字量支持以左对齐(Left Alignment)或右对齐(Right Alignment)模式存储。左对齐模式是占据16位存储器的高12位,低4位留空,右对齐模式是占据16位存储器的低12位,高4位留空。

  3. 热敏电阻简介:热敏电阻是一种对温度敏感的特殊电阻元器件,可分为PTC(正温度系数)电阻和NTC(负温度系数)电阻。PTC电阻特征曲线存在极点,不适合用来制作检测装置中的传感器,而NTC电阻特征缺陷单调递减,适合用来制作检测温度的传感器。故本项目中选择使用NTC电阻。

    1)NTC电阻的温度和阻值之间的计算关系如下,其中t是随机温度(℃),\(R_t\)是与之对应的阻值(\(\Omega\)),\((t_0,R_0)\)是曲线上的特殊点(即25℃时的电阻值),B是热敏系数,不同型号的热敏电阻B值也不尽相同。
    \(R_t=R_0\times e^{B\left(\;\;\frac1{273.1+t}\;-\;\frac1{273.15+t_0}\;\;\right)}\)

    2)ADC转换的数字量与温度之间的关系如下公式所示,其中\(D_max\)为数字量最大值,当ADC设置为右对齐模式时,\(D_max\)取0x0fff;当ADC设定为左对齐模式时,\(D_max\)取0xfff0。
    \(\frac{R_t}{R_t+R}=\frac D{D_{max}}\rightarrow D=\frac{D_{max}\;R_t}{R_t+R}\)

    3)温度值t的计算:联立上面两个公式,可以求得t-D坐标上的特征点,由硬件设计中的NTC属性设置我们可以知道,该电阻的特征点为(25,20k),B=4050,代入计算可求得特征点表如下所示。

    那么我们计算实际温度值可以采用线性插值的方法,当ADC转换结果D介于两个特征值之间(如\(D_2<D\leq D_1\))时,可得
    \(\frac{D-D_1}{t-t_1}=\frac{D_2-D_1}{t_2-t_1}\;\Rightarrow\;t=\frac{\left(D-D_1\right)\left(t_2-t_1\right)}{D_2-D_1}+t_1\)

  4. 打开CubeMX,建立工程。点击“Analog”-“ADC1”进行ADC相关设置。勾选IN1通道1复选框,在下方的“Parameter Settings”中设置对齐方式为Right alignment,采样周期为1.5 Cycles

    点击“Connectivity”列表中的“USART1”进行串口配置。将Mode设置为Asynchronous(异步),波特率设为19200Bits/s,字长设为8Bits,校验设为None,停止位设为1,数据传送设为Receive and Transmit(接收与发送)。设置完成后,会看到右侧的PA9和PA10引脚被自动设置为USART1_TXUSART1_RX,即USART1的发送端和接收端。

    最后,再点击“Clock Configuration”,保持默认值,可以看到ADC输入时钟为4MHz。

    这时我们可以计算ADC的转换时间为\(T_{CONV}=\mathrm{采样周期}+12.5\times\mathrm{周期}=(1.5+12.5)/4000000=3.5\mu s\)。由此可见,1s采集一次温度值完全来得及。

  5. 点击“Generator Code”生成Keil工程。

软件编写

  1. 本次我们需要实现ADC温度采集和转换,需要用到ADC相关函数其API文档如下:
    HAL_ADC_Start ADC运行启动函数

    HAL_ADC_Stop ADC运行停止函数

    HAL_ADC_PollForConversion 等待ADC转换过程结束函数

    HAL_ADC_ConfigChannel 选择ADC通道函数

    HAL_ADC_GetValue 读取ADC转换结果函数

  2. 点击“Open Project”在Keil中打开工程,双击“main.c”文件。

  3. 首先,我们需要在main.c文件中引入标准输入输出头文件头文件

    /* USER CODE BEGIN Includes */
    #include "stdio.h"
    /* USER CODE END Includes */
    

    随后,我们需要在main.c文件中设置一个用于计算温度t的“温度t-数字量D关系”数组。

    /* USER CODE BEGIN PV */
    //温度t-数字量D关系数组
    const uint32_t tD[]=
    {
    	3178,  //t=0
    	3139, 3099, 3059, 3017, 2975, 2932, 2888, 2844, 2799, 2754,  //t=1~10
    	2708, 2662, 2615, 2569, 2521, 2474, 2427, 2379, 2331, 2284,  //t=11~20
    	2236, 2189, 2141, 2094, 2048, 2001, 1955, 1909, 1864, 1819,  //t=21~30
    	1775, 1731, 1688, 1645, 1603, 1562, 1522, 1482, 1442, 1404   //t=31~40
    };
    /* USER CODE END PV */
    

    然后,要声明一个自定义函数用于计算温度t

    /* USER CODE BEGIN PFP */
    float D2t(uint32_t D);  //自定义函数,根据ADC转换结果计算温度值
    /* USER CODE END PFP */
    

    随后,在/* USER CODE BEGIN 4 *//* USER CODE END 4 */中插入该自定义函数如下

    /* USER CODE BEGIN 4 */
    //根据ADC转换结果计算温度值
    float D2t(uint32_t D)
    {
    	uint32_t D1,D2,i;
    	float t=0, t1;
    	for(i=0;i<=39;i++)
    	{
    		if(D>=tD[i+1] && D<=tD[i])
    		{
    			D1 = tD[i];
    			D2 = tD[i+1];
    			t1 = (float)i;
    			t = (float)(D1-D)/(float)(D1-D2)+t1;
    			break;
    		}
    	}
    	return t;
    }
    /* USER CODE END 4 */
    

    最后,在main函数中插入代码如下,进行初始化等相关操作

    /* USER CODE BEGIN 1 */
    ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};  //建立sConfig结构体
    char str[20];  //温度值转换为字符串的存放数组
    float t;  //计算得出的温度值
    uint32_t adcv;  //存放ADC转换结果
    /* USER CODE END 1 */
    
    /* USER CODE BEGIN Init */
    sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_1CYCLE_5;  //采样周期为1.5个周期
    /* USER CODE END Init */
    
    /* USER CODE BEGIN WHILE */
    while (1)
    {
      sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_1;  //选择通道1
      HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);  //选择ADC1的通道1
      HAL_ADC_Start(&hadc1);				//启动ADC1
      HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10);		//等待ADC1转换结束,超时设定为10ms
      adcv = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);			//读取ADC1的转换结果
      HAL_ADC_Stop(&hadc1);				//停止ADC1
      t = D2t(adcv);				//计算温度值
      sprintf(str,"%f",t);				//将浮点型变量t转换为字符串并写入字符串数组str中
      HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&"temperature:", 12, 10);  //串口1发送字符串,数组长度为12,超时10ms
      HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)str, 5, 10);	           //串口1发送字符串,数组长度为5,超时10ms
      HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&"\n\r", 2, 10);	   //串口1发送字符串,数组长度为2,超时10ms
      HAL_Delay(1000);
      /* USER CODE END WHILE */
    
      /* USER CODE BEGIN 3 */
    }
    /* USER CODE END 3 */
    

联合调试

  1. 点击运行,生成HEX文件。
  2. 在Proteus中加载相应HEX文件,点击运行。可以看到“Virtual Terminal”中显示的串口发送的ADC转换后的温度数据与实际热敏电阻NTC中的温度值基本一致。其中小数部分的偏差是由于计算时取近似值所带来的,实际使用中可以通过补偿系数的办法加以修正。
posted @ 2022-05-18 11:26  Sheepeach  阅读(3875)  评论(0编辑  收藏  举报