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

在第一节的基础上，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
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）与采样周期两个参数。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。
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
$\frac{D-D_1}{t-t_1}=\frac{D_2-D_1}{t_2-t_1}\;\Rightarrow\;t=\frac{\left(D-D_1\right)\left(t_2-t_1\right)}{D_2-D_1}+t_1$
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_TX和USART1_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。
点击“Generator Code”生成Keil工程。

软件编写

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

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 */和/* 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 */