第十九章 ADC实验
本章，我们将学习ESP32-S3的ADC外设，教会大家如何利用ADC去测量可调变阻器的电压值。
本章分为如下几个小节：
19.1 ADC介绍
19.2 硬件设计
19.3 软件设计
19.4 下载验证
19.1 ADC介绍
19.1.1 ADC简介
生活中接触到的大多数信息是醉着时间连续变化的物理量，如声音、温度、压力等。表达这些信息的电信号，称为模拟信号（Analog Signal）。为了方便存储、处理，在计算机系统中，都是数字0和1信号，将模拟信号（连续信号）转换为数字信号（离散信号）的器件就叫模数转换器（Analog-to-Digital Convert，ADC）。
ADC转换器可分为：并行比较型A/D转换器(FLASH ADC)、逐次比较型A/D转换器(SAR ADC)和双积分式A/D转换器(Double Integral ADC)。
A/D转换过程通常为4步：采样、保持、量化和编码，如下图所示。
图19.1.1.1 A/D转换过程图
采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。
保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。
量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的整数倍表示。
编码：把量化的结果用二进制代码表示。
采样和保持通常是在采样-保持电路中完成，量化和编码通常在ADC数字编码电路中完成。
19.1.2 ESP32-S3 ADC介绍
ESP32-S3集成了两个12位SAR ADC，ADC1和ADC2，支持20个模拟通道输入。这20个模拟通道输入对应着具体的IO，并不是随意的IO都有模拟输入功能，具备模拟输入功能的引脚如下表所示。
表19.1.2.1 具备模拟输入功能的引脚
ESP32-S3的ADC模块的分辨率为12位，所以AD转换后的值范围为0~4095。由于ESP32-S3的工作电压为3.3V，所以当AD值为4095时，对应的电压为3.3V；当AD值为0时，对应的电压为0V。对于AD值和电压值，这里就会有一个简单的关系，如下所示。
19.1.3 ADC函数介绍
本小节介绍到的函数可在以下文件中找到：
Arduino15\packages\esp32\hardware\esp32\2.0.11\cores\esp32\esp32-hal-adc.c
接下来，我们介绍一下本章节唯一用到的analogRead函数。
analogRead函数，该函数功能是从指定引脚读取模拟信号，获取返回值。
uint16_t analogRead(uin8_t pin);
参数pin为模拟输入引脚，可以查看一下表19.1.2.1确认该引脚是否有模拟输入功能；
返回值：ADC精度是12bit，默认范围为0~4095之间。
19.2 硬件设计
1. 例程功能
使用ADC采集通道7（IO8）上面的电压，在LCD上面显示ADC转换值以及换算成电压后的电压值。使用短路帽将P3端子中的AIN和RV1排针连接，使得IO8连接到电位器上，然后将ADC采集到的数据和转换后的电压值在LCD屏中显示。用户可以通过调节电位器的旋钮改变电压值。
2. 硬件资源
1）USART0
U0TXD-IO43
U0RXD-IO44
2）XL9555
IIC_SDA-IO41
IIC_SCL-IO42
3）SPILCD
CS-IO21
SCK-IO12
SDA-IO11
DC-IO40（在P5端口，使用跳线帽将IO_SET和LCD_DC相连）
PWR-IO1_3（XL9555）
RST-IO1_2（XL9555）
4）ADC
RV-AIN(IO8)（在P3端口，使用跳线帽将RV和AIN相连）
3. 原理图
ADC相关原理图，如下图所示。
图19.2.1 ADC原理图
本实验，我们通过ADC1的通道7（IO8）来采集外部电压值，开发板有一个电位器，可调节的电压范围是：0~3.3V。我们可以通过跳线帽将IO8与电位器连接，如下图所示：
图19.2.2 IO8（对应AIN排针）与电位器示意图
使用跳线帽将AIN和RV排针连接好后，并下载程序后，就可以用螺丝刀调节电位器变换多种电压值进行测量。
有的朋友可能还想测量其它地方的电压值，我们只需要1根杜邦线，一端接到AIN排针上，另外一端就接你要测试的电压点。一定要保证测试点的电压在0~3.3V的电压范围，否则可能烧坏我们的ADC，甚至是整个主控芯片。
19.3 软件设计
19.3.1 程序流程图
下面看看本实验的程序流程图：
图19.3.1 程序流程图
19.3.2 程序解析
1. ADC驱动代码
这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。ADC驱动源码包括两个文件：adc.cpp和adc.h。
下面我们先解析adc.h的程序。对模拟输入引脚做了相关定义。
/* 引脚定义 */ #define ADC_IN_PIN 8
我们选择使用IO8作为读取模拟信号引脚，使用到的是ADC1通道7。
下面，我们继续获取ADC值的函数adc_get，代码如下：
/**
* @brief 获取ADC值函数
* @param adc_pin：adc引脚
* @retval 获取到的ADC值
*/
uint16_t adc_get(uint8_t adc_pin)
{
return analogRead(adc_pin); /* 返回ADC值 */
}
在程序中，我们并不需要对ADC进行配置，就可以直接调用analogRead函数进行读取了。由于ADC的分辨率是12位，所以最终读取的值的范围在0 ~ 4095之间。
2. 13_adc.ino代码
在13_adc.ino里面编写如下代码：
#include "uart.h"
#include "xl9555.h"
#include "spilcd.h"
#include "adc.h"
uint16_t adc_value = 0;
float adc_vol = 0;
/**
* @brief 当程序开始执行时，将调用setup()函数，通常用来初始化变量、函数等
* @param 无
* @retval 无
*/
void setup()
{
uart_init(0, 115200); /* 串口0初始化 */
xl9555_init(); /* IO扩展芯片初始化 */
lcd_init(); /* LCD初始化 */
lcd_show_string(30, 50, 200, 16, LCD_FONT_16, "ESP32-S3", RED);
lcd_show_string(30, 70, 200, 16, LCD_FONT_16, "ADC TEST", RED);
lcd_show_string(30, 90, 200, 16, LCD_FONT_16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
lcd_show_string(30, 110, 200, 16, LCD_FONT_16, "ADC_VAL:", BLUE);
lcd_show_string(30, 130, 200, 16, LCD_FONT_16, "ADC_VOL:0.000V", BLUE);
}
/**
* @brief 循环函数，通常放程序的主体或者需要不断刷新的语句
* @param 无
* @retval 无
*/
void loop()
{
adc_value = adc_get(ADC_IN_PIN); /* 读取GPIO8引脚的ADC值 */
lcd_show_xnum(94, 110, adc_value, 5, LCD_FONT_16, NUM_SHOW_NOZERO, BLUE);
/* 显示ADC采样后的原始值 */
adc_vol = (float)adc_value * 3.3 / 4095; /* 换算得到电压值 */
adc_value = adc_vol; /* 赋值整数部分给adc_value变量，因为adc_value为u16整形 */
lcd_show_xnum(94,130,(uint16_t)adc_value,1,LCD_FONT_16,NUM_SHOW_NOZERO,BLUE);
/* 显示电压值的整数部分，3.1111的话，这里就是显示3 */
adc_vol -= adc_value; /* 把已显示整数部分去掉,留下小数部分，如3.1111-3=0.1111 */
adc_vol *= 1000; /* 小数部分乘1000,0.1111转换为111.1,相当于保留三位小数 */
lcd_fill(110, 130, 110 + 24, 130 + 16, WHITE);
lcd_show_xnum(110, 130, adc_vol, 3, LCD_FONT_16, NUM_SHOW_ZERO, BLUE);
/* 显示小数部分（前面转换为了整形显示），这里显示的就是111 */
delay(500);
}
在setup函数中，调用uart_init函数完成串口初始化，调用xl9555_init函数完成XL9555初始化，然后调用lcd_init函数完成LCD屏初始化，后面就是LCD显示实验信息。
在loop函数中，调用adc_get函数获取IO8的AD值，然后换算出电压值，通过LCD进行显示。
19.4 下载验证
下载代码后，可以看到LCD显示如下图所示。