12-CubeMx+Keil+Proteus模擬STM32 - ADC

本文例子參考《STM32單片機開發實例——基於Proteus虛擬模擬與HAL/LL庫》
源代碼：https://github.com/LanLinnet/STM33F103R6

項目要求

單片機每隔1秒採集一次溫度值（0~40℃），並通過串口輸出（ASCII格式）。

硬體設計

1. 在第一節的基礎上，在Proteus中添加電路如下圖所示。其中我們添加了：
   熱敏電阻（負溫度繫數）NTC
   一個虛擬儀器VIRTUAL TERMINAL，用來查看單片機收到的串口數據。
   

   由於要實現串口通信，我們要將其波特率、字長、校驗方式、停止位等都設置一下。
   VIRTUAL TERMINAL設置
   
   另外我們還需要對熱敏電阻的屬性值也進行相應的設置，具體參數值的選取將會在下文中說明。
   NTC 設置
   

2. ADC簡介：模/數轉換器（Analog to Digital Converter，簡稱ADC）是將感測器輸出的模擬量信號轉換為相應的數字量信號，再送給單片機進行控制處理。STM32F103R6中自帶2個ADC(ADC1、ADC2)，它們的特性有：12位ADC，轉換模擬量電壓範圍0~3.6V，支持單次或連續轉換模式，支持轉換結果的左對齊或右對齊模式等，具體可以查閱晶元技術手冊。
   1）轉換時間\(T_{CONV}\)：ADC每一次轉換過程需要的時間稱為轉換時間，轉換時間的長短取決於輸入時鐘（ADC工作頻率）與採樣周期兩個參數。其計算公式為：
   \(T_{CONV}=\mathrm{採樣周期}+12.5\times\mathrm{周期}\)

   2）對齊方式：ADC轉換的12位數字量支持以左對齊（Left Alignment）或右對齊（Right Alignment）模式存儲。左對齊模式是占據16位存儲器的高12位，低4位留空，右對齊模式是占據16位存儲器的低12位，高4位留空。

3. 熱敏電阻簡介：熱敏電阻是一種對溫度敏感的特殊電阻元器件，可分為PTC（正溫度繫數）電阻和NTC（負溫度繫數）電阻。PTC電阻特征曲線存在極點，不適合用來製作檢測裝置中的感測器，而NTC電阻特征缺陷單調遞減，適合用來製作檢測溫度的感測器。故本項目中選擇使用NTC電阻。
   
   1）NTC電阻的溫度和阻值之間的計算關係如下，其中t是隨機溫度（℃），\(R_t\)是與之對應的阻值（\(\Omega\)）,\((t_0,R_0)\)是曲線上的特殊點（即25℃時的電阻值），B是熱敏繫數，不同型號的熱敏電阻B值也不盡相同。
   \(R_t=R_0\times e^{B\left(\;\;\frac1{273.1+t}\;-\;\frac1{273.15+t_0}\;\;\right)}\)

   2）ADC轉換的數字量與溫度之間的關係如下公式所示，其中\(D_max\)為數字量最大值，當ADC設置為右對齊模式時，\(D_max\)取0x0fff；當ADC設定為左對齊模式時，\(D_max\)取0xfff0。
   \(\frac{R_t}{R_t+R}=\frac D{D_{max}}\rightarrow D=\frac{D_{max}\;R_t}{R_t+R}\)

   3）溫度值t的計算：聯立上面兩個公式，可以求得t-D坐標上的特征點，由硬體設計中的NTC屬性設置我們可以知道，該電阻的特征點為（25，20k），B=4050，代入計算可求得特征點表如下所示。
   
   那麼我們計算實際溫度值可以採用線性插值的方法，當ADC轉換結果D介於兩個特征值之間（如\(D_2<D\leq D_1\)）時，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. 打開CubeMX，建立工程。點擊“Analog”-“ADC1”進行ADC相關設置。勾選IN1通道1覆選框，在下方的“Parameter Settings”中設置對齊方式為Right alignment，採樣周期為1.5 Cycles。
   
   點擊“Connectivity”列表中的“USART1”進行串口配置。將Mode設置為Asynchronous（非同步），波特率設為19200Bits/s，字長設為8Bits，校驗設為None，停止位設為1，數據傳送設為Receive and Transmit（接收與發送）。設置完成後，會看到右側的PA9和PA10引腳被自動設置為USART1_TX和USART1_RX，即USART1的發送端和接收端。
   
   最後，再點擊“Clock Configuration”，保持預設值，可以看到ADC輸入時鐘為4MHz。
   
   這時我們可以計算ADC的轉換時間為\(T_{CONV}=\mathrm{採樣周期}+12.5\times\mathrm{周期}=(1.5+12.5)/4000000=3.5\mu s\)。由此可見，1s採集一次溫度值完全來得及。

5. 點擊“Generator Code”生成Keil工程。

軟體編寫

1. 本次我們需要實現ADC溫度採集和轉換，需要用到ADC相關函數其API文檔如下：
   HAL_ADC_Start ADC運行啟動函數
   

   HAL_ADC_Stop ADC運行停止函數
   

   HAL_ADC_PollForConversion 等待ADC轉換過程結束函數
   

   HAL_ADC_ConfigChannel 選擇ADC通道函數
   

   HAL_ADC_GetValue 讀取ADC轉換結果函數
   

2. 點擊“Open Project”在Keil中打開工程，雙擊“main.c”文件。

3. 首先我們需要在main.c文件中設置一個用於計算溫度t的“溫度t-數字量D關係”數組。

   /* USER CODE BEGIN PV */
   //溫度t-數字量D關係數組
   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 */
   

   然後，要聲明一個自定義函數用於計算溫度t

   /* USER CODE BEGIN PFP */
   float D2t(uint32_t D);  //自定義函數，根據ADC轉換結果計算溫度值
   /* USER CODE END PFP */
   

   隨後，在/* USER CODE BEGIN 4 */和/* USER CODE END 4 */中插入該自定義函數如下

   /* USER CODE BEGIN 4 */
   //根據ADC轉換結果計算溫度值
   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 */
   

   最後，在main函數中插入代碼如下，進行初始化等相關操作

   /* USER CODE BEGIN 1 */
   ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};  //建立sConfig結構體
   char str[20];  //溫度值轉換為字元串的存放數組
   float t;  //計算得出的溫度值
   uint32_t adcv;  //存放ADC轉換結果
   /* USER CODE END 1 */
   

   /* USER CODE BEGIN Init */
   sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
   sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_1CYCLE_5;  //採樣周期為1.5個周期
   /* USER CODE END Init */
   

   /* USER CODE BEGIN WHILE */
   while (1)
   {
     sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_1;  //選擇通道1
     HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);  //選擇ADC1的通道1
     HAL_ADC_Start(&hadc1);				//啟動ADC1
     HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10);		//等待ADC1轉換結束，超時設定為10ms
     adcv = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);			//讀取ADC1的轉換結果
     HAL_ADC_Stop(&hadc1);				//停止ADC1
     t = D2t(adcv);				//計算溫度值
     sprintf(str,"%f",t);				//將浮點型變數t轉換為字元串並寫入字元串數組str中
     HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&"temperature:", 12, 10);  //串口1發送字元串，數組長度為12，超時10ms
     HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)str, 5, 10);	           //串口1發送字元串，數組長度為5，超時10ms
     HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&"\n\r", 2, 10);	   //串口1發送字元串，數組長度為2，超時10ms
     HAL_Delay(1000);
     /* USER CODE END WHILE */
   
     /* USER CODE BEGIN 3 */
   }
   /* USER CODE END 3 */
   

聯合調試

1. 點擊運行，生成HEX文件。
2. 在Proteus中載入相應HEX文件，點擊運行。可以看到“Virtual Terminal”中顯示的串口發送的ADC轉換後的溫度數據與實際熱敏電阻NTC中的溫度值基本一致。其中小數部分的偏差是由於計算時取近似值所帶來的，實際使用中可以通過補償繫數的辦法加以修正。