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STM32入门笔记(03)： ADC 电阻分压的方式测量电池电压方案(避免浮点运算，改为整数运算)（SPL库函数版)（3）

news 来源：原创 2025/4/26 13:30:00

设计一个用一个3.3V供电的单片机STM32F103C8T6的ADC来测量12V电池的电压的方案。

为了使用一个3.3V供电的STM32F103C8T6单片机的ADC来测量12V电池的电压，您需要设计一个电压分压电路以确保电池电压降到适合ADC输入的范围。STM32F103C8T6的ADC输入范围是0到3.3V，因此您需要将12V电池电压降低到这个范围内。

1. 电压分压电路

为了将12V电池的电压转换到STM32的ADC输入电压范围（0–3.3V），我们可以使用电阻分压器。电压分压器的工作原理是利用两个电阻串联，输出电压为输入电压的一个比例。

2. 分压公式

在这里插入图片描述

电压分压器的输出电压 $V_{out}$ 由以下公式给出：

$V_{out} = V_{in} \times \frac{R_2}{R_1 + R_2}$

其中：

$V_{in} = 12V$ 是电池电压
$V_{out}$ 是分压后的电压，应该不超过3.3V（STM32的ADC输入范围）
$R_1$ 和 $R_2$ 是电阻分压器的两个电阻

3. 计算电阻值

要求 $V_{out} \leq 3.3V$ ，那么我们需要设置 $V_{out} = 3.3V$ 来计算所需的电阻值。

$\times \frac{R_2}{R_1 + R_2}$

解这个方程：

$\frac{3.3}{12} = \frac{R_2}{R_1 + R_2}$

$\frac{R_2}{R_1 + R_2}$

从上面的方程可以得到：

$R_2 = 0.275 \times (R_1 + R_2)$

$R_2 = 0.275 \times R_1 + 0.275 \times R_2$

$R_2 - 0.275 \times R_2 = 0.275 \times R_1$

$0.725 \times R_2 = 0.275 \times R_1$

$R_2 = \frac{0.275}{0.725} \times R_1 \approx 0.379 \times R_1$

因此， $R_2$ 和 $R_1$ 的关系是：

$R_2 \approx 0.379 \times R_1$

4. 选择电阻值

假设选择 $R_1 = 100K\Omega$ ，那么：

$R_2 = 0.379 \times 100K\Omega = 37.9K\Omega$

您可以选择标准电阻值，例如 $R_2 = 38K\Omega$ 。

5. 计算电压和ADC输入值

通过分压电路，输入电压 12V 被转换为：

$V_{out} = 12V \times \frac{38K\Omega}{100K\Omega + 38K\Omega} \approx 3.3V$

这样，输出电压就会接近3.3V，适合STM32的ADC输入。

6. 接入STM32F103C8T6的ADC

STM32F103C8T6的ADC输入最大为3.3V，因此分压后的电压 3.3V 可以直接作为ADC的输入。STM32F103C8T6的ADC有10位分辨率，输入范围是0到3.3V，对应的数字值范围是0到1023。

如果输入电压是0V，ADC值为0。
如果输入电压是3.3V，ADC值为1023。

使用ADC读取电压的公式为：

$V_{ADC} = \frac{ADC_{value}}{1023} \times 3.3V$

根据ADC读取的数字值 $ADC_{value}$ ，可以计算出实际的电压 $V_{ADC}$ 。

7. 计算实际电池电压

根据电压分压公式，实际电池电压 $V_{in}$ 可以通过以下公式计算：

$V_{in} = V_{out} \times \frac{R_1 + R_2}{R_2}$

如果您读取到的ADC值是 $ADC_{value}$ ，则输出电压 $V_{out}$ 是：

$V_{out} = \frac{ADC_{value}}{1023} \times 3.3V$

然后可以计算电池电压：

$V_{in} = V_{out} \times \frac{100K\Omega + 38K\Omega}{38K\Omega}$

8. 总结

使用电压分压电路，选择 $R_1 = 100K\Omega$ 和 $R_2 = 38K\Omega$ 。
通过STM32F103C8T6的ADC读取分压后的电压，计算实际电池电压。
使用公式 $V_{in} = V_{out} \times \frac{R_1 + R_2}{R_2}$ 来计算电池电压。

这样，你就可以使用STM32F103C8T6的ADC成功地测量12V电池的电压。

这种方法太多乘法和除法，会增加单片机的负担。

理解您的需求，确实在实际应用中，过多的乘法和除法运算会增加单片机的负担，特别是当运算频繁时，可能会影响系统的性能。为了减轻负担并提高效率，可以采用以下方法来简化计算过程：

优化方案：使用比例系数减少运算

我们可以预先计算一个比例系数，减少运行时的复杂计算。具体来说，我们可以通过以下步骤进行优化：

1. 分压电路设置

在电压分压电路中，已经知道分压后的电压和输入电压之间的关系是线性的。因此，关键是找到一个常数比例系数，计算 ADC 值到电池电压的关系。

从前面的分压公式：

$V_{out} = V_{in} \times \frac{R_2}{R_1 + R_2}$

我们知道：

$V_{in} = 12V$
$V_{out} = \frac{ADC_{value}}{1023} \times 3.3V$
$R_1 = 100K\Omega$
$R_2 = 38K\Omega$

因此，电池电压 $V_{in}$ 和 ADC 输出值 $ADC_{value}$ 之间的关系为：

$V_{in} = V_{out} \times \frac{R_1 + R_2}{R_2} = \frac{ADC_{value}}{1023} \times 3.3 \times \frac{100K + 38K}{38K}$

简化这个公式，得到一个比例常数：

$V_{in} = ADC_{value} \times \frac{3.3 \times (100K + 38K)}{1023 \times 38K}$

我们可以计算出这个常数：

$\frac{3.3 \times (100K + 38K)}{1023 \times 38K} \approx 0.098$

所以，电池电压 $V_{in}$ 与 ADC 值之间的关系为：

$V_{in} \approx ADC_{value} \times 0.098$

2. 减少运算

在这种情况下，您只需要将 ADC 读取的值乘以常数 0.098，计算电池电压。这样避免了频繁的除法和复杂的运算，仅仅依赖一次乘法运算，减少了 CPU 的负担。

3. 优化代码

在 STM32F103C8T6 上的实现会非常简单。例如，假设 ADC 值为 ADC_value，您可以通过以下代码计算电池电压：

float V_in = ADC_value * 0.098;

这只需要一个乘法运算，显著减少了运算负担，并且避免了复杂的乘法和除法链。

4. 进一步的优化：整数计算（可选）

如果您希望进一步优化，避免使用浮点数运算（虽然现代 MCU 的浮点运算通常较为高效），可以将常数转换为整数计算。通过将常数放大 1000 来避免浮点数计算：

例如，常数变为 98（因为 0.098 * 1000 = 98）：

$V_{in} = \frac{ADC_{value} \times 98}{1000}$

然后在代码中实现：

int V_in = (ADC_value * 98) / 1000;

通过这种方式，你可以避免浮点运算，改为整数运算，进一步优化性能。

总结

通过将 ADC 值与预先计算好的常数相乘，您可以简化计算过程，减少乘法和除法运算，减轻单片机的负担。我们还可以选择使用整数运算，进一步提高效率。这种方法对于高效且稳定的电池电压测量非常有效。

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在这里插入图片描述

您说得对，非常抱歉给您带来困扰。确实，之前的计算结果和我的回答是错误的。现在我们来进行详细的分析和重新计算。

1. 重新解释比例常数的计算

在之前的计算中，我错误地将比例常数当作不受分辨率影响的常量。实际上，比例常数是与 ADC的分辨率（10位或12位）相关的，因为分辨率决定了 ADC 输出的数字范围（最大值）。因此，在计算中，比例常数应考虑到 ADC 的最大数字值（例如，1023 对应 10 位，4095 对应 12 位）。