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做平衡车绕不开电池电量检测，而电量检测绕不开ADC。STM32的HAL库把ADC封装成了几个简洁的API，新手十分钟就能把代码跑起来，但跑起来和测准是两码事。这篇文章从一个平衡车项目的实际需求出发，围绕“用STM32采集电池电压”这个任务，把ADC测量原理、分压电路、HAL库配置和实测排查串在一起。适合刚接触CubeMX、准备给平衡车加电池电压监测的开发者，也适合想搞懂ADC采样周期、参考电压、软件滤波这些细节的朋友。

1. 为什么平衡车上要单独讲一节ADC

1.1 电池电压不只是电量显示

平衡车动力来源一般是2S或3S锂电池组，电机起步瞬间的电流能达到好几安培，电池电压会在负载时明显下跌。如果只做一个“电量显示”，把电压读出来随便显示一下就够了。但对平衡车来说，电压还有一个更重要的用途：保护锂电池。

锂电池最怕过放。单节电芯电压低于3.2V之后，继续大电流放电会损伤电极材料，甚至导致电池胀气，整组电池报废。3S电池组满电12.6V，空载截止大概10.2V附近；2S组则是8.4V降到6.8V左右。由于平衡车没有机械刹车，每次倒地或急停后电机反向充电，电压会短暂回升。如果代码里只做“低于阈值就断电”，遇到电压瞬间波动很容易反复启停，车和人都不安全。所以电压采集不只是读个值，还要考虑滤波、迟滞和分级保护，这些都属于ADC应用的一部分。

从整个项目的开发顺序看，ADC也是后面很多模块的地基。电池电压、电机电流、陀螺仪偏移校准都用得上相同的采样思路。与其等到调车时再回来补课，不如在课程最开始就把ADC的原理和HAL库调用方式吃透。

1.2 分压电路先算明白，再开工

STM32的ADC输入范围是0到参考电压，F103上参考电压一般直接接3.3V。12V电池不能直接怼到PA0上，超压不仅会让ADC读数永远4095，还可能烧坏引脚内部保护二极管。正确做法是先用电阻分压，把0~12.6V映射到0~3.2V左右，留一点余量。

最简单的分压就是两个电阻串联，中间点接ADC引脚。假设上电阻R1接电池正极，下电阻R2接地，ADC引脚电压就是：

Vadc = Vbat × R2 / (R1 + R2)

我常用R1=30K、R2=10K，分压比0.25。电池最高12.6V时，ADC引脚最高3.15V，低于3.3V，留了0.15V余量；电池放到10V时，引脚只有2.5V左右，读数也不至于太小。静态功耗是12V / 40K = 0.3mA，对一块几千mAh的电池来说可以忽略，也不会让分压电阻发热。

选电阻阻值有个分寸。选太大的话，比如100K级别，分压点输出阻抗很高，而ADC采样瞬间要从这个点抽走一小股电流，100K电阻供电不及时，采样电压就会被拉低，导致读数系统性偏差。选太小也不行，比如100R级别，静态电流120mA，电池两天就被放空了。10K~50K这个区间是我比较推荐的范围，分压点输出阻抗在7.5K左右（两个电阻并联值），配合较长的采样时间，ADC读起来很稳。另外分压电阻建议用1%精度，先用万用表量一下实际阻值，后面校准用得上。

2. ADC测量原理拆透：SAR型ADC到底怎么工作

2.1 从“天平称重”理解逐次逼近

STM32F103内置的ADC是12位逐次逼近型，英文缩写SAR（Successive Approximation Register）。你可以把它理解成一台用二分法称重的天平，只不过称的不是物体，而是电压。

假设参考电压是3.3V，输入电压是2.2V。SAR ADC先拿2.2V和参考电压的一半1.65V比，高于1.65V，所以最高位记1；接着再和1.65 + 0.825 = 2.475V比，低于，所以下一位记0；再和1.65 + 0.4125 = 2.0625V比，高于，记1。这样反复比较12次，每一位都确定下来，最后得到从0到4095之间的一个整数。

这种结构的好处是速度快、功耗低，不需要昂贵的电阻网络。12位精度意味着每1个LSB对应3.3V / 4096 = 0.000806V，约0.8mV。分辨率听起来够用，但注意“分辨率”不等于“精度”，实际精度还受参考电压噪声、采样时间、PCB布局影响，后面会讲。

2.2 采样周期和转换时间，不是随便填的

ADC工作要分两步：采样和转换。采样阶段，内部开关把外部电压接到一个采样电容上给它充电；转换阶段，SAR逻辑开始逐次逼近。F103的采样时间可以通过HAL库配置，常见选项有1.5、7.5、13.5、28.5、55.5、71.5、239.5个ADC时钟周期。转换阶段固定需要12.5个周期。

很多人第一次接触“采样时间”会忽略它的意义。如果外部信号源内阻大、采样电容又不够大，充电时间不足就会导致测量结果偏低且跳动。对于电池电压这种变化缓慢的信号，完全可以用很长的采样时间换稳定性。F103的ADC时钟最大14MHz，系统时钟72MHz时需要分频，比如PCLK2的6分频得到12MHz。总转换时间计算公式是：

t_total = (采样周期 + 12.5) / f_ADC

把ADC时钟设为12MHz，采样时间55.5周期，总时间就是（55.5 + 12.5）/ 12MHz = 5.67微秒。做均值滤波时每次转换间隔几毫秒到几十毫秒，这个转换时间完全不是瓶颈。如果信号源是高内阻，建议直接上239.5周期，21微秒的转换时间，换来的是稳定可靠的结果。

顺便说一句，有些同学配置时习惯把ADC时钟推满，以为越快越好。F103如果超过14MHz，转换结果会出现非线性误差。如果你在CubeMX里看到8分频或10分频的选项，注意计算一下最终ADC时钟是否越界。F4系列虽然ADC时钟可以更高，但同样有上限，这个道理是通用的。

2.3 STM32F103C8T6的ADC通道怎么选

C8T6这颗芯片只有一个ADC1（封装里没有ADC2/ADC3的外部通道，虽然一些型号有多个ADC），共16个通道，但LQFP48封装实际引出了10个外部输入通道。映射关系如下：

选引脚时要注意两件事：一是看你在同一工程里是否已经用了该引脚的复用功能，比如PA2如果已经配置成串口发送，就别再拿来当ADC输入；二是避开板载电路已经接好的引脚，比如有的最小系统板会把PA0和板载按键或LED接在一起，你用ADC读出来的电压会受按键影响。

在CubeMX里把需要的引脚点成ADC1_INx，模式选Single-ended，F103没有差分输入模式。配置里Scan Conversion Mode关掉，Continuous Conversion Mode暂时关掉，先做单通道单次转换，逻辑最简单。稍后如果需要多路采集，再开扫描和DMA。

3. 用HAL库把ADC代码跑起来

3.1 CubeMX配置里的关键参数

打开CubeMX，点PA0，在菜单里选ADC1_IN0。左侧ADC1的Mode选Enabled，然后到Parameter Settings里设置几个值：

• Clock Prescaler：Divider 6，让ADC时钟落在12MHz左右
• Resolution：12 bits
• Sampling Time：55.5 Cycles
• Scan Conversion Mode：Disabled
• Continuous Conversion Mode：Disabled
• DMAContinuous Requests：Disabled（暂时不用DMA）

生成代码前检查一下Project Manager里的HAL库版本和Toolchain。生成后打开adc.c，能看到HAL_ADC_MspInit里面已经帮GPIO配成Analog模式和ADC时钟使能。如果没有MspInit，多半是CubeMX版本或者引脚配置没生效，重新生成一次就行。

有些同学喜欢把所有配置都放到MX_ADC1_Init里面，但HAL库把引脚和时钟初始化放在MspInit这种回调里，这是设计习惯问题，不是bug。人工程序复杂以后，这个结构反而清晰，GPIO配置跟随外设走，不会乱。

3.2 轮询模式读取电压与换算公式

最简单的读取方式是轮询。对单次转换模式，每次要读一个新值，先调用HAL_ADC_Start启动一次转换，再调用HAL_ADC_PollForConversion等待转换完成。这个函数第二个参数是超时时间，单位毫秒，建议给10ms。转换完成后调用HAL_ADC_GetValue取寄存器结果。

代码可以这样写：

#define ADC_REF_VOL 3.30f // VDDA实测值 #define ADC_FULL_SCALE 4095.0f // 12位满量程 #define BAT_R1 30.0f // 上分压电阻 KΩ #define BAT_R2 10.0f // 下分压电阻 KΩ uint16_t read_adc_single(void) { uint16_t val = 0; HAL_ADC_Start(&hadc1); if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10) == HAL_OK) { val = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); } HAL_ADC_Stop(&hadc1); return val; } float get_battery_voltage(void) { uint16_t val = read_adc_single(); float volt_adc = val * ADC_REF_VOL / ADC_FULL_SCALE; return volt_adc * (BAT_R1 + BAT_R2) / BAT_R2; }

这里有个容易被忽视的细节：为什么每次读完要HAL_ADC_Stop？因为在单次转换模式下，Start只触发一次转换，转换完成后ADC其实已经停了，Stop是让ADC彻底进入状态，避免状态机残留。如果你配置了Continuous Conversion，只需要Start一次，之后每次PollForConversion拿到的都是最近一次转换结果，那样就不需要反复Start/Stop。

换算公式拆开看就两步。第一步把ADC原始值变成引脚电压，公式是 val × 3.3 / 4095，因为在0~4095范围内，ADC值是参考电压的线性映射。第二步乘上分压比倒数，也就是 (R1 + R2) / R2，把引脚电压还原成电池电压。注意R1、R2单位要一致，代码里用KΩ就可以。

调用get_battery_voltage()返回的是float，浮点数运算在Cortex-M3内核上没有问题，但如果你要在中断或者高频控制循环里调用，浮点会占用额外时间。建议主循环里算好，存成整数单位（比如毫伏），控制代码里直接用整数比较，省去浮点开销。

3.3 均值、中值、滑动滤波，哪个适合你

实测里，单次ADC采样值直接拿去用，波动往往很难看。电池电压本来就会因为电机电流变化而起伏，再加上电源纹波，显示值可能每秒跳几十毫伏。这时候软件滤波就很有必要。

最简单的是多次采样取平均值。连续采样N次，累加后除以N。均值滤波对白噪声效果好，但如果某个采样值突然变成毛刺，会直接把均值拉偏。更好的做法是“去极值均值滤波”：采样N次（N建议取奇数），排序后去掉最大值和最小值，再对剩下的N-2个值取平均。对电池电压这种缓慢信号，N取11到21就够了。

#define ADC_FILTER_N 11 uint16_t adc_filter(void) { uint16_t buf[ADC_FILTER_N]; uint16_t sum = 0; for (int i = 0; i < ADC_FILTER_N; i++) { HAL_ADC_Start(&hadc1); HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10); buf[i] = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); HAL_ADC_Stop(&hadc1); } // 简单排序，这里为了清晰直接全排 for (int i = 0; i < ADC_FILTER_N - 1; i++) { for (int j = 0; j < ADC_FILTER_N - 1 - i; j++) { if (buf[j] > buf[j + 1]) { uint16_t t = buf[j]; buf[j] = buf[j + 1]; buf[j + 1] = t; } } } for (int i = 1; i < ADC_FILTER_N - 1; i++) { sum += buf[i]; } return sum / (ADC_FILTER_N - 2); }

如果程序中需要持续监测电压变化，滑动平均更合适：维护一个长度为N的窗口，每采一个新值，就丢掉最旧的值，计算窗口内平均值。滑动平均对实时性影响小，但代码稍复杂。平衡车主循环如果每50ms调用一次，前两种滤波足够；如果你打算把电压用于力矩补偿或动态降功率，建议上滑动平均，滞后感没那么强。

还有一点，采样之间不要完全无间隔地连续Start，给分压电路一点恢复时间。代码里每两次采样之间加HAL_Delay(1)到2ms，对电池这种慢信号非常有效。

4. 实测踩坑记录：数据乱跳、读数不准、引脚烧毁

4.1 数据乱跳的排查顺序

我第一次做平衡车电池检测时，上电后发现ADC值像心电图一样跳，几百毫秒内能跳几十个字。排查花了不少时间，后来总结出一个顺序：先硬件、后软件、再配置。

第一步，用万用表量ADC引脚对地电压，看它稳不稳。如果引脚电压已经在抖动，那就是外部电路问题，重点查分压电阻虚焊、杜邦线接触不良、电源纹波。第二步，如果引脚电压稳定而ADC读数乱跳，那基本是配置问题，优先把采样时间拉长到239.5周期试试。第三步，检查VDDA引脚上的电容。很多最小系统板上VDDA只是简单接了3.3V，纹波大，ADC结果就会跟着漂。在VDDA和VSSA之间就近加一个100nF电容，配合一个1uF到10uF电解电容，效果立竿见影。最后再看软件滤波，滤波能掩盖问题，但别忘了从源头查。

一个很容易被忽略的因素是调试器供电。电脑USB口供的电，纹波通常不小，尤其是给电机驱动供电后，地线上会有毛刺。如果发现接上调试器数值就跳、拔掉调试器数值就稳，别怀疑ADC坏了，先给系统换成电池供电或者加隔离。

4.2 读数偏离万用表，先别急着改代码

用ADC读出的电压和万用表读数对不上，偏差可能来自三个地方：分压电阻误差、参考电压偏差、公式里的常数写错。最笨的办法是直接把公式里的3.3改成别的数硬凑，这不推荐。

正确校准流程是这样的：先用万用表量一下VDDA实测值，多数情况下不是精确3.30V，可能是3.27V或者3.34V。把实测值填进ADC_REF_VOL那个宏。然后用万用表分别量R1、R2的阻值，把实测阻值代入分压比。最后让电池处于某个稳定电压下，对比万用表读数和程序换算值，如果还差几个百分点，再考虑加一个线性校准系数。

float get_battery_voltage_calibrated(void) { float v = get_battery_voltage(); // 线性校准：scale和offset由实测标定 return v * BAT_SCALE + BAT_OFFSET; }

注意校准系数不是乱加的。先确认硬件的分压和参考电压没问题，再加软件修正，否则换个板子你的“校准”就失效了。我习惯把校准环节做成分压电阻实测值和VDDA实测值的修正，而不是只记一个总系数，这样可移植性更好。

4.3 引脚烧掉的两个常见原因

ADC输入引脚烧毁这种事，案例不少，大部分是分压电阻没接或者接错。最容易出事故的接法，是把电池正极直接经过一个大电阻接到ADC引脚，忘了接下面的分压电阻。这种接法在空载时可能没事，但一旦触发上下拉保护或模拟开关内部结构，引脚电压就会冲到危险值。

另一个容易踩的坑是引脚复用冲突。比如PA0被设置成ADC输入，但板上还有别的外设把它配置成输出推挽，两边打架。还有一部分开发板PA0默认接了板载按键，按键按下把PA0拉到低电平或者接GND，你读出来的电压被外部强制拉低，还以为是ADC坏了。上电之前，建议先看开发板原理图，确认选中的引脚没有被其他电路占用。

如果某次插错线后，引脚对地电阻变得很小，芯片发热，大概率是内部ESD二极管已经损坏。这种问题基本没法修，只能换芯片。所以强烈建议：接线前先用万用表算一下分压后的最高电压，确认小于3.3V，再上电。

5. 从采集电压到平衡车电源管理

5.1 低压保护阈值和迟滞设计

当你能稳定测出电池电压之后，下一步就是把它真正用在平衡车上，而不只是显示在OLED上。锂电池低压保护一定要用分级策略：先提示，再限功率，最后断电。

比如3S电池组，我通常这样设定：

电压阈值附近一定要做迟滞。假设保护阈值是10.2V，电机大电流让电压瞬间跌到10.1V，代码立刻断电；断电后负载消失，电压又马上回升到10.6V，代码又恢复输出。结果就是平衡车一冲一冲地“打嗝”，非常危险。加上迟滞的意思是：触发保护的阈值是10.2V，但要让保护解除，必须等到电压回升到10.5V以上。中间这段区间无论电压怎么波动，都不改变保护状态。

持续时间的判断也很关键。电池在急加速时电压尖峰跌破阈值是正常的，如果要求电压连续低于阈值1秒才触发保护，就能过滤掉绝大多数瞬时波动。可以用一个简单的计数器：电压低于阈值时计数加一，高于阈值时清零，计数超过20次（假设50ms周期）再置保护标志。

5.2 采样节奏和后续ADC扩展

ADC采集代码放在哪个循环里，也值得说道。平衡车控制主频一般跑在1kHz甚至更高，如果每个控制周期都去做ADC采样、滤波、电压换算，会占用不少CPU时间，而且滤波本身会引入相位延迟。我习惯把电池电压采样放到一个慢速任务里，比如每50ms一次，只做电量监测和低压保护判断。电机电流检测如果用ADC，那种是需要快速响应的，另开DMA通道采样。

从课程进度看，这次只是单通道单次转换，后面还有两个明显扩展点：一个是用DMA进行多通道扫描采集，比如电池电压、电机电流、左轮倾角调理电压一起采；另一个是注入组和外部触发，可以配合PWM同步采样。理解好当前这节，后续这些只是配置方式的变化，原理完全一样。

我在实际调车中一个很深的体会是：ADC测量这种基础模块，花时间把原理搞透，比抄一百遍代码都管用。返回去排查问题时，知道采样时间、参考电压、分压电阻各自的角色，一眼就能锁定问题；否则只能靠猜。平衡车项目后面还有电机驱动、姿态解算、控制环路，每一个环节都会回来用到ADC。把这第一步走扎实，后面的路会顺很多。