stm32-course/book/08：补充内容/01.md

# 1. ADC

## 1.1. ADC基本原理

什么是ADC（Analog-to-Digital Converter）？模拟信号转换为数字信号通过测量模拟信号的电压，把电压值转换成数字进行后续的操作。

ADC的本质是通过测量电压值来获得被测信号的电压幅值，并保存成一个数值。通过这种机制，不仅可以测电压，还可以测电阻、电容、电感、压力、温度等，只要这些被测量通过一个传感器可以和电压之间产生某种函数关系。

对电压进行测量后保存到的有效数据的位数被叫做精度，例如8位精度可以有256个值，10位精度的有1024个值；该MCU的ADC精度是12位的，有4096个值；

另外，ADC中还有个重要的概念叫做参考电压，也就是测量电压的基准。在该芯片中，内部基准电压叫做 Vrefint，经查阅资料应该是2.048V，也就是说ADC最高能检测的电压是2048V。如果按照12位精度采样，那得到的分辨率是0.0005V。

> 问题：如果电压高于2.048V应该如何进行检测？

![image-20241013171356277](./img/image-20241013171356277.png)

以上是ADC的内部框图，我们关注主要的是Vref、GPIO、ADC中断、DMA请求、ADCCLK。目前我们使用内部基准，通过GPIO采集电压，然后使用轮询模式读取电压值。其他方式还包括中断方式和DMA方式。

开发板内部有两个ADC的测试：

![image-20241013171711301](./img/image-20241013171711301.png)

一个是温度热电偶，另外一个是电位器。具体使用我们在后面说明。

扩展阅读：

[ADC原理](https://www.bilibili.com/video/BV1BV4y1V7nE/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=3c8e333d6657680a469ddf0238f01d6a)

## 1.2. PCM

PCM是一种通过波形幅值测量和对信号进行数字化的一种方案：

![image-20241013172118023](./img/image-20241013172118023.png)

[PCM视频讲解](https://www.bilibili.com/video/BV1yb4y1M7a2/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=3c8e333d6657680a469ddf0238f01d6a)

模拟信号通过间隔时间采样得到每个点的幅值，然后进行保存和处理。计算机中常见的wav格式就是PCM采样后的文件。衡量PCM的指标有两个：采样率和精度（ADC精度）。一般采样率越高越好，信号的失真越小，但是存储的空间越大。一般来说，采样率不能低于最高频率的两倍，因此以前常见的音频采样率是44k（声音最高20k），目前还有96k以上的高保真。

## 1.3. 实例NTC温度测试

任务描述：通过NTC测量环境温度，并通过串口打印出来。

NTC 又叫热敏电阻，温度的变化会改变其电阻值。通过这一特性，结合ADC就可以测量温度。

开发版的NTC是如下电路：

![image-20241013183636425](./img/image-20241013183636425.png)

是接在PA4上面的一个电阻，通过10K的R6形成分压，等效电路如下：
![alt text](img/ntc.drawio.png)

当NTC的电阻值变化的时候，PA4这个分压点检测到的电压会随之变化。当对这个电压进行ADC转换后，可以反向计算NTC的电阻值，然后根据NTC的电阻和温度的关系可以计算出温度。

NTC是附件，与开发板这样连接：

![ad78bbf910c2747701476e350990a89](./img/ad78bbf910c2747701476e350990a89.jpg)

### 1.3.1. 配置

在引脚配置中，选择PA4，然后选择ADC1_IN4；

![image-20241013185308417](./img/image-20241013185308417.png)

设置ADC参数：

![image-20241013191944257](./img/image-20241013191944257.png)

Continuous Conversion Mode设为Enable，使ADC转换持续进行，不需要每次获取之前手动触发转换；ADC_Regular_ConversionMode -> Rank -> Sampling Time设为239.5 Cycles，最长采样时间，可以获得更稳定的转换结果。

打开串口2

在菜单：project Properties -> C/C++ Build -> Settings -> Tool Settings -> MCU Settings，勾选Use float with printf ...

![image-20241013192823116](./img/image-20241013192823116.png)

这样printf就可以打印小数。

### 1.3.2. 代码编写

在 inc 目录新建一个头文件 NTC.h，因为后面还会使用到NTC的一些功能；

```h
#ifndef INC_NTC_H_
#define INC_NTC_H_

#include "main.h"
#include "math.h"

extern float NTC_Temperature;

float ADC2Resistance(uint32_t adc_value);
float resistance2Temperature(float R1);

#endif /* INC_NTC_H_ */

```

在 src 目录新建 NTC.c 文件，这个文件是NTC转换成温度的一些函数。

```c
/**
 * @brief 通过ADC值计算NTC电阻
 *
 * @param adc_value ADC原始值 [0, 4095]
 * @retval 返回NTC电阻值，浮点数类型，单位Ω
 */

#include "NTC.h"

float NTC_Temperature;

float ADC2Resistance(uint32_t adc_value) {
	return (adc_value / (4096.0f - adc_value)) * 10000.0f;
}
/**
 * @brief 通过NTC电阻反推温度
 *
 * @param R1 NTC电阻值
 * @retval 返回温度，float类型，单位摄氏度
 */
float resistance2Temperature(float R1) {
	float B = 3950.0f;
	float R2 = 10000.0f;
	float T2 = 25.0f;
	return (1.0 / ((1.0 / B) * log(R1 / R2) + (1.0 / (T2 + 273.15))) - 273.15);
}
```

以下是 main.c文件的内容：

在 USER CODE BEGIN Includes 代码段引入头文件

```c
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include "NTC.h"
/* USER CODE END Includes */
```

在 USER CODE BEGIN 2 代码段加入如下内容：

```c
	/* USER CODE BEGIN 2 */
	char send_buf[50] = { 0 };
	uint16_t adc_result = 0;
	float ntc_resistance = 0.0f;
	float temperature = 0.0f;
	HAL_ADC_Start(&hadc1);		// 开始连续ADC转换
	HAL_Delay(500);				// 等待ADC稳定

	/* USER CODE END 2 */
```

完善主函数的循环：

```c
/* USER CODE BEGIN WHILE */
	while (1) {

		adc_result = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); // 获取ADC值
		ntc_resistance = ADC2Resistance(adc_result); // 获取ADC值
		temperature = resistance2Temperature(ntc_resistance); // 获取ADC值
		sprintf(send_buf, "阻值%.1f Ω，温度: %.2f ℃\r\n", ntc_resistance,
				temperature); // 将变量打印为字符串
		HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*) send_buf, strlen(send_buf), 10); // 通过串口2发送
		HAL_Delay(1000);
		/* USER CODE END WHILE */

		/* USER CODE BEGIN 3 */
	}
	/* USER CODE END 3 */
```

### 1.3.3. 代码分析

# 2. I2C

[I2C 温湿度传感器](https://www.bilibili.com/video/BV1QN411D7ak/?spm_id_from=333.788&vd_source=3c8e333d6657680a469ddf0238f01d6a)

## 2.1. 设置

1. 先新建一个工程，取名为 humidity；
2. 设置调试模式为 Serial Wire；
3. 打开串口2；
4. 查看开发板19号外设，使用PB6/PB7；

![image-20241015151124859](./img/image-20241015151124859.png)

在引脚设置中点击PB6，看到使用的是I2C1；

![image-20241015151052757](./img/image-20241015151052757.png)

5. 在Connectivity中找到I2C1，设置I2C模式为 I2C；

![image-20241015151355494](./img/image-20241015151355494.png)

6. 在Project Manager中设置为每个外设使用独立的 c/.h 文件：

![image-20241015151501806](./img/image-20241015151501806.png)

7. 按照上个例子设置printf使用浮点；

## 2.2. 编码

inc目录建立一个新文件aht20.h

```h
#ifndef __DHT20_H__
#define __DHT20_H__

#include "i2c.h"

// 初始化AHT20
void AHT20_Init(void);

// 获取温度和湿度
void AHT20_Read();

#endif
```

src 目录建立一个新文件 aht20.c

```c
#include <aht20.h>

#define AHT20_ADDRESS 0x70

/**
 * 查看状态字是否校准
 */
void AHT20_Init(void) {
	uint8_t read_buf = 0;
	// 等待DHT20上电稳定
	HAL_Delay(40);
	HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, AHT20_ADDRESS, &read_buf, 1, 10);
	if ((read_buf & 0x08) != 0x08) {
		// 状态字没有校准，发送出初始化命令
		uint8_t send_buf[3] = { 0xBE, 0x08, 0x00 };
		HAL_I2C_Master_Transmit_DMA(&hi2c1, AHT20_ADDRESS, send_buf, 3);
		HAL_Delay(100);
	}
}

/**
 *
 */
void AHT20_Read(float *temp, float *hum) {
	uint8_t sendBuffer[3] = { 0xAC, 0x33, 0x00 };
	uint8_t readBuffer[6];
	HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, AHT20_ADDRESS, sendBuffer, 3, HAL_MAX_DELAY);
	HAL_Delay(75);
	HAL_I2C_Master_Receive(& hi2c1, AHT20_ADDRESS, readBuffer, 6, HAL_MAX_DELAY);
	if ((readBuffer[0] & 0x80) == 0x00) {
		uint32_t data = 0;
		data = ((uint32_t) readBuffer[3] >> 4) + ((uint32_t) readBuffer[2] << 4) + ((uint32_t) readBuffer[1] << 12);
		*hum = data * 100.0f / (1 << 20);

		data = (((uint32_t) readBuffer[3] & 0x0F) << 16) + (((uint32_t) readBuffer[4]) << 8) + (uint32_t) readBuffer[5];
		*temp = data * 200.0f / (1 << 20) - 50;
	}
}
```

main.c 文件的 USER CODE BEGIN Includes 区域添加头文件：

```c
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "aht20.h"
#include <stdio.h>
#include <string.h>
/* USER CODE END Includes */
```

main函数的 USER CODE BEGIN 2 区域添加内容

```c
	/* USER CODE BEGIN 2 */
	AHT20_Init();
	float temp, hum;
	char message[50];
	/* USER CODE END 2 */
```

完善 main 函数的 while 循环：

```c
	while (1) {
		AHT20_Read(&temp, &hum);
		sprintf(message, "温度：%.1f 湿度：%.1f \n", temp, hum);
		HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*) message, strlen(message), 100);
		HAL_Delay(2000);
		/* USER CODE END WHILE */

		/* USER CODE BEGIN 3 */
	}
```

## 2.3. 代码分析

### 2.3.1. I2C的地址

在启动传输后,随后传输的I2C首字节包括7位的I2C设备地址 0x38和一个SDA方向位 x(读R:‘1’，写W:‘0’)。

![image-20241015145204114](./img/image-20241015145204114.png)

因此，如果是读：实际地址是 0x71；如果是写，实际地址是0x70；注意代码中关于I2C的读写命令；

HAL_I2C_Master_Transmit和HAL_I2C_Master_Receive 的地址都使用0x70，HAL_I2C_Master_Transmit会自动设置最后一位是0（仍然是0x70）；HAL_I2C_Master_Receive会自动设置最后一位是1（就是0x71）

### 温湿度数据的重组

按照AHT20的说明（p8），返回六个字节的顺序：

![image-20241015162601769](./img/image-20241015162601769.png)

![image-20241015162613515](./img/image-20241015162613515.png)

![alt text](img/aht20_data.drawio.png)