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 */
联合调试
- 点击运行,生成HEX文件。
- 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。