单片机 ADC 电压采集实战：从配置到数据读取

1. 前言

ADC 是单片机中非常重要的外设之一。
在实际项目中，只要需要采集模拟量，基本都会用到 ADC。

常见应用包括：

• 采集电位器电压；
• 采集电池电压；
• 读取光敏电阻；
• 读取热敏电阻；
• 采集电流检测芯片输出；
• 采集传感器模拟电压。

本文主要基于 STM32 标准外设库，讲解如何使用 STM32F103 的 ADC 完成电压采集。
示例使用：

项目	配置
单片机	STM32F103 系列
外设库	STM32 标准外设库
ADC 外设	ADC1
ADC 通道	ADC_Channel_0
输入引脚	PA0
参考电压	3.3V
转换精度	12 位

本文重点讲解：

• ADC 的基本原理；
• STM32 ADC 的关键参数；
• GPIO 模拟输入配置；
• ADC 初始化流程；
• ADC 校准；
• 软件触发采样；
• ADC 原始值读取；
• ADC 数值转换成实际电压；
• ADC 采样常见问题。

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2. ADC 是什么

ADC 全称是：

Analog to Digital Converter

也就是 模数转换器。

它的作用是：

把连续变化的模拟电压转换成单片机可以处理的数字量。

单片机本身只能识别数字信号，例如 0 和 1。
但是现实中的电压、温度、光照、电流很多都是连续变化的模拟量。

比如 PA0 引脚输入一个电压：

0V ~ 3.3V

ADC 会把这个电压转换成一个数字值。

STM32F103 的 ADC 通常是 12 位 ADC。
12 位 ADC 的数字范围是：

0 ~ 4095

因为：

2^12 = 4096

所以：

输入电压	ADC 理论值
0V	0
1.65V	2048 左右
3.3V	4095

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3. ADC 电压换算公式

假设参考电压为 3.3V，ADC 分辨率为 12 位。
ADC 采集值和实际电压之间的关系为：

实际电压 = ADC采样值 × 参考电压 / 4095

对应 C 语言写法：

voltage = adc_value * 3.3f / 4095.0f;

例如 ADC 采样值为 2048，则电压约为：

2048 × 3.3 / 4095 ≈ 1.65V

需要注意：

这里的 3.3V 是 ADC 参考电压，不一定等于理论电源电压。
如果板子的 3.3V 实际只有 3.28V，那么换算时最好使用 3.28V。

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4. STM32F103 ADC 关键特性

STM32F103 内部 ADC 常用特点如下：

参数	说明
分辨率	12 位
转换结果范围	0 ~ 4095
输入范围	0 ~ VDDA
参考电压	通常为 VDDA
转换模式	单次转换 / 连续转换
触发方式	软件触发 / 外部触发
数据对齐	左对齐 / 右对齐
通道类型	规则通道 / 注入通道

本文使用最基础、最常用的方式：

ADC1 + PA0 + 单通道 + 单次转换 + 软件触发

这种方式适合初学者理解 ADC 的完整采样流程。

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5. ADC 采样硬件连接

这里以电位器采集为例。

电位器三个引脚连接如下：

电位器一端  --->  3.3V
电位器另一端 --->  GND
电位器中间端 --->  PA0

PA0 采集的是电位器中间端输出的模拟电压。

当旋转电位器时，PA0 上的电压会在 0V 到 3.3V 之间变化。
STM32 通过 ADC1 的通道 0 读取 PA0 电压。

需要注意：

ADC 输入电压不能超过 VDDA。
如果 STM32 供电是 3.3V，那么 PA0 输入电压不能超过 3.3V。

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6. STM32 ADC 配置流程

使用标准库配置 ADC，一般需要完成以下步骤：

1. 开启 GPIOA 和 ADC1 时钟；
2. 配置 PA0 为模拟输入；
3. 配置 ADC 时钟分频；
4. 配置 ADC 工作模式；
5. 配置规则通道；
6. 使能 ADC；
7. 复位 ADC 校准；
8. 等待校准完成；
9. 启动软件转换；
10. 等待转换完成；
11. 读取 ADC 数据寄存器。

完整流程可以理解为：

GPIO 模拟输入配置
↓
ADC 外设参数配置
↓
ADC 通道选择
↓
ADC 校准
↓
启动转换
↓
等待转换结束
↓
读取转换结果

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7. ADC1 初始化代码

下面是 ADC1 通道 0 的初始化代码。

#include "stm32f10x.h"

void ADC1_Init_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;

    /* 1. 开启 GPIOA 和 ADC1 时钟 */
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);

    /* 2. 配置 ADC 时钟
     * STM32F103 的 ADC 时钟不能超过 14MHz。
     * 如果 PCLK2 = 72MHz，6 分频后 ADC 时钟为 12MHz。
     */
    RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);

    /* 3. 配置 PA0 为模拟输入 */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    /* 4. 配置 ADC1 参数 */
    ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
    ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
    ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;

    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);

    /* 5. 配置 ADC1 规则通道
     * ADC_Channel_0 对应 PA0。
     * Rank = 1 表示规则序列中的第 1 个转换。
     * 采样时间选择 55.5 个周期，比较稳妥。
     */
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);

    /* 6. 使能 ADC1 */
    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);

    /* 7. 复位校准 */
    ADC_ResetCalibration(ADC1);
    while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET);

    /* 8. 开始校准 */
    ADC_StartCalibration(ADC1);
    while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET);
}

这段代码完成了 ADC1 的基本初始化。
其中最关键的配置有三个：

GPIO_Mode_AIN
ADC_RegularChannelConfig()
ADC_StartCalibration()

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8. ADC 时钟为什么要分频

STM32F103 的 ADC 时钟来自 PCLK2 分频。
如果系统时钟是 72MHz，PCLK2 通常也是 72MHz。

但是 ADC 时钟不能太高。
对于 STM32F103，ADC 时钟一般要求不超过 14MHz。

所以常见配置是：

RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);

这样：

72MHz / 6 = 12MHz

12MHz 在允许范围内，比较常用。

如果 ADC 时钟过高，可能会导致：

• 转换结果不稳定；
• 采样误差增大；
• 不同通道之间数据异常；
• 高速采样时可靠性变差。

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9. ADC 采样时间怎么选

ADC 采样时间决定了 ADC 内部采样电容对外部信号充电的时间。

标准库中常见采样时间有：

ADC_SampleTime_1Cycles5
ADC_SampleTime_7Cycles5
ADC_SampleTime_13Cycles5
ADC_SampleTime_28Cycles5
ADC_SampleTime_41Cycles5
ADC_SampleTime_55Cycles5
ADC_SampleTime_71Cycles5
ADC_SampleTime_239Cycles5

采样时间越短，转换速度越快，但对信号源要求越高。
采样时间越长，采样更稳定，但速度会下降。

如果采集的是电位器、热敏电阻、光敏电阻这类阻抗较高的信号，建议使用较长采样时间，例如：

ADC_SampleTime_55Cycles5
ADC_SampleTime_71Cycles5
ADC_SampleTime_239Cycles5

本文使用：

ADC_SampleTime_55Cycles5

这是一个比较稳妥的选择。

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10. 读取 ADC 原始值

ADC 初始化完成后，可以通过软件触发启动一次转换。

读取函数如下：

uint16_t ADC1_GetValue(void)
{
    uint16_t value;

    /* 1. 启动软件转换 */
    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);

    /* 2. 等待转换完成 */
    while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);

    /* 3. 读取转换结果 */
    value = ADC_GetConversionValue(ADC1);

    return value;
}

这里用到一个重要标志位：

标志位	含义
ADC_FLAG_EOC	End Of Conversion，转换完成

当 EOC 置位时，说明本次 ADC 转换已经完成，可以读取数据。

读取数据使用：

ADC_GetConversionValue(ADC1);

这个函数返回的是 ADC 数据寄存器中的转换结果，范围通常是：

0 ~ 4095

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11. ADC 数值转换成电压

读取到 ADC 原始值后，还需要转换成实际电压。

函数如下：

float ADC1_GetVoltage(void)
{
    uint16_t adc_value;
    float voltage;

    adc_value = ADC1_GetValue();

    voltage = adc_value * 3.3f / 4095.0f;

    return voltage;
}

如果 ADC 读取值为 2048，计算结果约为：

1.65V

如果 ADC 读取值为 4095，计算结果约为：

3.3V

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12. 完整示例代码

下面给出一个完整的 ADC 电压采集示例。
程序通过 ADC1 通道 0 采集 PA0 电压，并把原始值和电压值保存在变量中。

#include "stm32f10x.h"

void ADC1_Init_Config(void);
uint16_t ADC1_GetValue(void);
float ADC1_GetVoltage(void);

uint16_t adc_raw;
float adc_voltage;

int main(void)
{
    ADC1_Init_Config();

    while (1)
    {
        adc_raw = ADC1_GetValue();
        adc_voltage = adc_raw * 3.3f / 4095.0f;

        /*
         * 这里可以配合串口打印 adc_raw 和 adc_voltage。
         * 也可以把 adc_voltage 用于电池电压检测、传感器数据处理等。
         */
    }
}

void ADC1_Init_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);

    RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
    ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
    ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;

    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);

    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);

    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);

    ADC_ResetCalibration(ADC1);
    while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET);

    ADC_StartCalibration(ADC1);
    while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET);
}

uint16_t ADC1_GetValue(void)
{
    uint16_t value;

    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);

    while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);

    value = ADC_GetConversionValue(ADC1);

    return value;
}

float ADC1_GetVoltage(void)
{
    uint16_t adc_value;
    float voltage;

    adc_value = ADC1_GetValue();

    voltage = adc_value * 3.3f / 4095.0f;

    return voltage;
}

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13. 如果要用串口打印 ADC 数据

实际调试时，通常会把 ADC 采集结果通过串口打印到电脑。

伪代码流程如下：

while (1)
{
    adc_raw = ADC1_GetValue();
    adc_voltage = adc_raw * 3.3f / 4095.0f;

    printf("ADC Raw = %d, Voltage = %.2f V\r\n", adc_raw, adc_voltage);

    Delay_ms(500);
}

如果使用 printf，需要完成串口重定向。
也可以使用自己写的 USART_SendString() 函数进行发送。

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14. 多次采样求平均

ADC 采样值可能会有轻微抖动。
这在实际项目中很正常。

为了让数据更稳定，可以使用多次采样求平均。

uint16_t ADC1_GetAverageValue(uint8_t times)
{
    uint32_t sum = 0;
    uint8_t i;

    for (i = 0; i < times; i++)
    {
        sum += ADC1_GetValue();
    }

    return sum / times;
}

使用示例：

adc_raw = ADC1_GetAverageValue(10);
adc_voltage = adc_raw * 3.3f / 4095.0f;

这种方法适合电池电压、温度、电位器这类变化较慢的信号。
如果采集的是高速波形，就不适合简单平均。

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15. 电池电压采集注意事项

如果要采集电池电压，经常会遇到一个问题：

电池电压可能大于 3.3V，不能直接接 ADC 引脚。

例如采集 12V 电池电压，就必须先用电阻分压。

分压电路如下：

电池正极
  |
 R1
  |
  +----> ADC 输入
  |
 R2
  |
 GND

ADC 输入电压为：

Vadc = Vin × R2 / (R1 + R2)

所以原始电池电压为：

Vin = Vadc × (R1 + R2) / R2

例如：

R1 = 30kΩ
R2 = 10kΩ

那么：

Vadc = Vin × 10 / 40 = Vin / 4

如果 ADC 采到 3V，说明实际电池电压约为：

3V × 4 = 12V

需要注意：

分压后的电压必须小于 STM32 的 ADC 参考电压，一般不能超过 3.3V。

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16. ADC 常见问题分析

16.1 ADC 采样值一直为 0

常见原因：

• PA0 没有配置成模拟输入；
• 没有开启 GPIOA 时钟；
• 没有开启 ADC1 时钟；
• 输入引脚实际电压为 0V；
• ADC 通道选择错误；
• 没有启动软件转换。

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16.2 ADC 采样值一直为 4095

常见原因：

• 输入电压接近或超过 3.3V；
• ADC 引脚悬空；
• 外部电路连接错误；
• 参考电压异常；
• 通道选择错误。

ADC 引脚不能悬空。
如果引脚悬空，采样值可能乱跳，也可能接近满量程。

---

16.3 ADC 数值抖动明显

常见原因：

• 电源纹波较大；
• 输入信号源阻抗较高；
• 采样时间太短；
• ADC 参考电压不稳定；
• 模拟地和数字地干扰；
• 没有做滤波处理；
• 走线靠近高频信号或电机驱动。

解决思路：

• 适当增加采样时间；
• 多次采样求平均；
• ADC 输入端加小电容滤波；
• 保证 VDDA 稳定；
• 模拟信号线尽量短；
• 减少电机、继电器等干扰源影响。

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16.4 电压换算不准确

常见原因：

• 把 3.3V 当作固定值，但实际板子不是 3.3V；
• 分压电阻有误差；
• ADC 没有校准；
• 输入信号源阻抗过大；
• 采样时间过短；
• 参考电压不稳定。

建议用万用表测量实际 VDDA，再代入公式：

voltage = adc_value * vdda_real / 4095.0f;

比如实测 VDDA 是 3.28V，就可以写成：

voltage = adc_value * 3.28f / 4095.0f;

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17. ADC 发送和读取的技术总结

虽然 ADC 不是通信外设，但它的数据采集流程也可以理解成一次完整的数据读取过程。

核心流程如下：

模拟电压输入
↓
GPIO 模拟输入
↓
ADC 采样保持
↓
ADC 量化转换
↓
EOC 转换完成
↓
读取 ADC_DR 数据寄存器
↓
换算成实际电压

标准库中最关键的几个函数如下：

函数	作用
RCC_ADCCLKConfig()	配置 ADC 时钟
GPIO_Init()	配置 ADC 引脚为模拟输入
ADC_Init()	初始化 ADC 工作模式
ADC_RegularChannelConfig()	配置规则通道
ADC_Cmd()	使能 ADC
ADC_ResetCalibration()	复位校准
ADC_StartCalibration()	启动校准
ADC_SoftwareStartConvCmd()	软件启动转换
ADC_GetFlagStatus()	判断转换完成标志
ADC_GetConversionValue()	读取 ADC 转换结果

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18. 小结

本文基于 STM32 标准外设库，实现了 ADC1 通道 0 的电压采集。

整个过程可以总结为：

PA0 配置为模拟输入
↓
ADC1 初始化
↓
配置 ADC_Channel_0
↓
ADC 校准
↓
软件触发转换
↓
等待 EOC 标志
↓
读取 ADC 值
↓
换算成电压

对于初学者来说，学习 ADC 可以按照下面的顺序：

单通道单次采样
↓
电压换算
↓
多次采样平均
↓
多通道扫描采样
↓
ADC + DMA 连续采样
↓
ADC + 定时器触发采样

只要掌握了 ADC 初始化、通道配置、EOC 标志判断和电压换算公式，就可以完成大多数基础模拟量采集项目。