STM32 ADC 怎么测电池电压？从分压原理到源码实现
MCU 没有电压表，读电池只能靠 ADC：模拟电压进芯片，出来一个整数，再按分压比例换算回去。这篇先把 ADC 原理、分压公式、数字量怎么还原成电压 讲清楚；后半段以幻尔 MiniBalan 自平衡小车（主控 STM32F401）的工程源码为例，对照 原理图上的电阻 → 公式里的 k → 代码里的常数，把 CubeMX ADC 配置 和 获取电压数值 走一遍。
整条链路可以先建立这样一个印象：
一、ADC 在干什么
1.1 模数转换是什么
ADC（Analog-to-Digital Converter） 干的事很单纯：引脚上是多少伏的模拟电压，它就给你一个对应的整数。
以 STM32F401 内置的 12 位 SAR ADC 为例，参考电压按 3.3V 算时，满量程对应 0～4095（2¹² = 4096 个档位）。HAL_ADC_GetValue() 读到的就是这个整数——下文叫它 ADC 数字量，记作 adc_value（源码里变量名是 adc_raw_value）。
1.2 一次转换里发生了什么
可以粗分为四步：
-
采样：抓取某一时刻引脚上的电压；
-
保持：放进采样保持电容，转换过程中电压不变；
-
量化：对齐到最近的电压档位；
-
编码：输出 0～4095 的整数。
CubeMX 里的 Sampling Time（采样时间） 主要影响前两步。被测电压变化越慢，采样时间可以越长，读数越稳；快变信号则要缩短，否则跟不上。
1.3 分辨率与量化误差
12 位 ADC 能分辨的最小电压步进叫 LSB：
LSB = Vref ÷ 2^n = 3.3V ÷ 4096 ≈ 0.806 mV
这是 ADC 引脚上 的分辨率。量化本质是取整，单次结果会有约 ±0.5 LSB 的误差，只能靠更高分辨率或多次平均来缓解。
二、为什么不能把电池直接接到 ADC 引脚
2.1 耐压不够
STM32 的 ADC 引脚只能承受约 0～3.3V（相对 GND）。机器人、小车用的电池往往是 好几伏到十几伏，直接接上去会损坏芯片。
解决办法：在电池和 ADC 引脚之间加 电阻分压，把电压按比例缩小到 3.3V 以内。
2.2 电阻分压公式
经典接法：电源正极 → 电阻 R1 → 分压点（接 ADC） → 电阻 R2 → GND。
Vadc = Vbat × R2 ÷ (R1 + R2)
反推电池电压，定义 分压比（还原系数）：
k = (R1 + R2) ÷ R2
Vbat = Vadc × k
k 由原理图上的 R1、R2 决定，软件里乘的系数必须和硬件一致；对不上，读数会整体偏高或偏低。
三、从 ADC 数字量到电池电压
ADC 只能看到 引脚上的 Vadc，看不到电池端的 Vbat。软件要做两件事：先把数字量还原成 Vadc，再按分压关系 把缩小的电压乘回去。
3.1 第一步：数字量 → 引脚电压 Vadc
ADC 把 0～Vref 的电压切成 2^n 份，数字量占其中多少份，引脚电压就近似为：
Vadc = adc_value × Vref ÷ 2^n
| 符号 | 含义 |
|---|---|
adc_value |
HAL_ADC_GetValue() 读到的整数，0～4095 |
Vref |
ADC 参考电压，一般用 3.3V（VDDA） |
n |
分辨率位数，12 位则 2^n = 4096 |
STM32F401 常见代入：
Vadc = adc_value × 3.3 ÷ 4096
举例：若 adc_value = 1000，则 Vadc ≈ 1000 × 3.3 ÷ 4096 ≈ 0.806 V。
这个 0.806V 是 PA4 引脚上的电压，还不是电池电压。
3.2 第二步：引脚电压 Vadc → 电池电压 Vbat（这里的 k 是什么）
第二节里，分压电路把电池电压 缩小 后才送到引脚：
Vadc = Vbat × R2 ÷ (R1 + R2)
电池端是高压，引脚端是低压，两者差一个固定倍数。把这个倍数记为 k（分压还原系数）：
k = (R1 + R2) ÷ R2
k 的物理含义：引脚电压是电池电压的 1/k，所以还原时要 乘回 k。
Vbat = Vadc × k
用一个和具体板子无关的例子帮助理解：设 R1 = 90kΩ、R2 = 10kΩ，则
k = (90k + 10k) ÷ 10k = 10
电池 10V 时，引脚约 1V（10 ÷ 10）；ADC 算出引脚 1V 后，软件乘 10 得回 10V。
k 不是魔法常数，就是原理图上两个电阻的比值；换电阻，k 就变。
3.3 两步合并成一行（代码里常见写法）
把 3.1 的 Vadc 代入 3.2：
Vbat = Vadc × k
= (adc_value × Vref ÷ 2^n) × k
= adc_value × Vref × k ÷ 2^n
对应到 C 代码，往往写成：
Vbat = adc_value * Vref * k / (1 << n); // 或除以 4096.0f
每个符号从哪来，捋一遍：
| 符号 | 来源 |
|---|---|
adc_value |
ADC 采样结果 |
Vref |
芯片参考电压，通常 3.3f |
n / 4096 |
ADC 位数，12 位固定除 4096 |
k |
原理图上 R1、R2 算出：(R1+R2)/R2 |
所以读电池电压的套路就固定了：采样 → 代入上式 → 得到 Vbat。
后面我们会用 MiniBalan 小车 的工程把 k 和源码对上号。
四、做电池电压检测时，几个容易踩的坑
| 坑 | 说明 |
|---|---|
| 分压比要和原理图一致 | 代码里的 k 必须等于 (R1+R2)/R2。电阻有误差时，可用万用表标定。 |
| 参考电压别当死数 | 3.3V 是 VDDA 标称值，实际会波动，高精度场合要测 VDDA 或做校准。 |
| 采样时间要匹配信号 | 电池电压变化慢，适合长采样；快信号用短采样。 |
| 多路共用一个 ADC | 读电池前要切通道，读完最好切回去。 |
| 别在 main 死循环里狂读 | PollForConversion 会阻塞；慢变量放在定时逻辑里即可。 |
| 单次采样会跳 | 末位可能抖，可加滑动平均。 |
五、对照实例：MiniBalan 小车（STM32F401）
前面是通用原理。从这里开始，用幻尔 MiniBalan 自平衡小车 的实测工程做对照——主控 STM32F401
后面的 CubeMX 配置、get_battery_volt() 和采样逻辑，都来自这辆车的固件源码。
MiniBalan 用 3S 锂电池供电（满电约 12.6V），电压远高于 STM32 引脚耐压，板子上用电阻分压把电池电压缩到 ADC 可测范围，分压输出接到 PA4（ADC1 通道 4）。读取函数在 Core/Src/adc.c 的 get_battery_volt()。
5.1 分压比 k 从哪来？看 MiniBalan 原理图
打开 MiniBalan 主板原理图，找到电池正极到 PA4 之间的分压网络
读出 R1（上臂） 和 R2（下臂，到 GND），代入第三节的公式：
k = (R1 + R2) ÷ R2
该板原理图上标注为 R1 = 100kΩ、R2 = 10kΩ（以你手里的图为准）：
k = (100k + 10k) ÷ 10k = 11
也就是 11:1 分压——电池端电压缩小 11 倍才进 ADC 引脚。满电 12.6V 时引脚约 1.15V，远低于 3.3V 上限。
对应到 MiniBalan 源码，11.0f 就是把原理图算出来的 k 写进固件：
adc_raw_value * 3.3f * 11.0f * 100.0f / 4096.0f
换板子、换电阻，先改原理图上的 k，再改这个常数。要更准，用万用表量真实电池电压，和程序读数对比微调——这叫标定。
5.2 代入实算（MiniBalan 上的数）
在 MiniBalan 上，若某次读到 adc_value = 1300，k = 11：
Vbat = 1300 × 3.3 × 11 ÷ 4096 ≈ 11.52 V
对 3S 锂电的典型工作电压来说合理。满量程验算：4095 × 3.3 × 11 ÷ 4096 ≈ 36.3 V，量程余量充足。
这里的 11、1300、11.52V 都是 MiniBalan 这块板子 上的数；换项目换电阻，k 和算例要跟着变。
六、MiniBalan 里 ADC1 怎么配的
以下配置来自 MiniBalan 工程 Core/Src/adc.c 的 MX_ADC1_Init()。
hadc1.Instance = ADC1;
hadc1.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV8;
hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;
hadc1.Init.ScanConvMode = DISABLE;
hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE; // 单次转换：读一次，转一次
hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
| 字段 | 取值 | 含义 |
|---|---|---|
Resolution |
12 位 | 数字量 0～4095 |
ContinuousConvMode |
DISABLE | 软件触发，适合偶尔采样 |
ExternalTrigConv |
软件启动 | HAL_ADC_Start() 手动开转 |
NbrOfConversion |
1 | 每次只转一个通道 |
电池引脚在 MSP 里配成模拟输入：
GPIO_InitStruct.Pin = BATTERY_Pin; // PA4 → ADC1_IN4
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
MiniBalan 的 ADC1 还接了巡线等其它模拟通道，默认不是电池通道；读电压时在函数里 临时切到 CHANNEL_4，读完再切回。
main.c里虽有HAL_ADC_Start_DMA()，但 ADC 未配 DMA、缓冲区也未使用，测电池实际走轮询，可忽略。
七、MiniBalan 源码：get_battery_volt() 拆解
返回值是 厘伏（0.01V）：1152 表示 11.52V。按执行顺序分四块。
7.1 切到电池通道，拉长采样时间
sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_4;
sConfig.Rank = 1;
sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_480CYCLES;
if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig) != HAL_OK) {
return -1;
}
电池电压几乎不变，用长采样让采样电容充饱；配置失败返回 -1，避免把 0 当电压。
7.2 启动转换，阻塞等待
HAL_ADC_Start(&hadc1);
if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100) == HAL_OK) {
adc_raw_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
}
超时 100ms 仍未完成则数字量保持 0。
7.3 切回默认通道
sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_10;
sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_15CYCLES;
HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
多路共用 ADC 时的常规做法：用完恢复，别影响别的通道。
7.4 代入公式，整数带回厘伏
const int volt = (int)(adc_raw_value * 3.3f * 11.0f * 100.0f / 4096.0f);
return volt;
3.3f 是 Vref，11.0f 是原理图上的 k，4096 是 12 位分辨率，* 100.0f 把伏特换成厘伏——返回 int 才能保留两位小数。
完整函数：
int get_battery_volt(void)
{
ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
uint16_t adc_raw_value = 0;
sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_4;
sConfig.Rank = 1;
sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_480CYCLES;
if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig) != HAL_OK) {
return -1;
}
HAL_ADC_Start(&hadc1);
if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100) == HAL_OK) {
adc_raw_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
}
sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_10;
sConfig.Rank = 1;
sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_15CYCLES;
HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
const int volt = (int)(adc_raw_value * 3.3f * 11.0f * 100.0f / 4096.0f);
return volt;
}
上层调用时除以 100.0f 即得伏特。adc.h 里的 Get_ADC_Value() 能读任意通道，但 不会自动切回默认通道，调试可以用，量产建议用封装好的接口。
八、MiniBalan 里电压在哪更新？为什么不在 main 里读
get_battery_volt() 会阻塞等待，不适合在 while(1) 里每圈调用。MiniBalan 把它放在 Hiwonder/src/control.c 的姿态中断回调里，并做 100ms 节流：
if (1 == flag_target) {
if (HAL_GetTick() - last_volt_read_time > 100) {
voltage = get_battery_volt() / 100.0f;
last_volt_read_time = HAL_GetTick();
}
}
原因很直接：电池电压是慢变量，100ms 读一次足够；PollForConversion 别占满主循环；跟控制任务同节拍，不额外拆线程。
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