玩转物联网人工智能小车：使用ESP32 ADC功能读取电源电压

摘要：本文主要介绍如何使用ESP32的ADC功能，读取物联网智能小车的电池电压

今天介绍一个ESP32的新功能——如何利用ESP32的引脚，采集模拟量信息。在前面GPIO的学习中我们知道，可以利用GPIO的引脚读取外部设备输出的高低电平信号，这种只有2种高低电平的信号是数字信号，而具有连续数值的信号则属于模拟信号，比如我们今天要读取的电源电压就属于模拟信号。

ADC（Analog to Digital Converter：模数转换器）的功能就是将外部设备的模拟电压信号，转换成数字量，从而让单片机能够识别和进行处理。在前面GPIO学习的时候，已经强调过了，虽然除了电源引脚之外的引脚都是GPIO引脚，但有些引脚只能输入，有些引脚已经被特殊功能给占用了，开发者是不能使用的。ADC功能同样如此，也是需要注意有哪些引脚可以使用，具体的对应关系如下表所示：

通过上表可以看到，ESP32芯片有两个ADC单元，分别是ADC1和ADC2，ADC单元就相当于可以独立完成ADC功能的机器，而这两个ADC单元可以工作在不同的工作模式，两者不会互相影响。

上表中一共列举了18个GPIO引脚，这就相当于给ADC单元供货的18个传送带，它们负责把外部的模拟信号，传递给ADC单元，这18个传送带的学名叫通道（Channel），与ADC1连接的有8个通道，分别命名为CH0、CH1、CH2……直到CH7。与ADC2连接的有10个通道，分别命名为CH0、CH1、CH2……直到CH9。所以，在将一个模拟信号接入到GPIO引脚的时候，一定要知道连接的是哪一个通道以及哪一个ADC单元。关于ADC通道引脚，有以下几个事项需要特别注意：

1. 只能将模拟信号接入上面表格中的GPIO引脚，接入其他引脚是无法进行ADC转换，无法采集模拟信号的。
2. 在使用ADC功能的时候，在GPIO一节中介绍的那些不能使用的GPIO引脚同样适用ADC功能，已经被内部占用的引脚同样不能用作ADC功能。
3. 当模块启用Wi-Fi的时候，ADC2单元会被占用，此时不能使用ADC2进行模数转换，只能使用ADC1来进行模数转换，需要将模拟信号接入到ADC1的10个通道。ADC2的10个通道全部都不能用作ADC功能了。
4. 要注意ADC引脚的可测量范围在0~3.3V，所以接入的模拟信号不要高于3.3V。

ESP32这两个ADC都是12位SAR（逐次逼近）ADC。也就是最高的精度为12位，即为 2^12 = 4096，先记住4096这个数字，后边会进一步的讲解。在实际使用中，也可以将ADC的精度通过软件设置位11位、10位或者9位。

ESP32的ADC单元有两种工作模式：

1. ADC单次读取模式：适用于低频采样。
2. ADC连续（DMA）模式：适用于高频连续采样。

好了，ADC功能先基本介绍到这里了，可能初次接触的一下觉得有些复杂，不好理解。下面就来看一下我们是如何实现电源电压采集的吧，使用的方法还是很简单的。

在上边已经介绍过了，ESP32的ADC通道引脚最多支持3.3V的输入电压，而我们的电源电压是12V左右的，是不能直接连接到GPIO引脚的。在这里我们就需要使用到分压模块，该模块的作用就是将电压分压到原来的五分之一，样子如下图所示，这样我们的电源电压就转换成了0~3V以内了。没有这个模块的，可以直接按照串联电阻分压原理，找2个合适的电阻，自己搭建一个也是可以的。

这个分压模块的原理如下图所示。

根据原理图，我们只需要把左侧的VCC连接电池的正极，GND连接电池的负极。右侧的“-”端连接到ESP32开发板的GND引脚，“S”端连接到ESP32的P35引脚（也可以使用别的引脚）就可以了。

接下来就可以使用Mixly进行开发读取电源电压值的程序了。在这个功能中，我们主要用到了“输入/输出”功能模块区的“模拟输入”功能，该功能可以直接将指定引脚的电压信号转换成数字信号。我们在程序中将这个采集的数字输出出来，就可以计算出我们电池的电源电压了。最简单的读取电压的程序如下图所示：

下面就运行一下，看看输入结果吧。我的输出结果如下图所示：

我们看到，每一次的输出，都是一个4位数的整数，那么如何转换成我们想要的电压值呢？这就要用到我们前面介绍的ADC转换精度的知识了。默认情况下，ADC使用的是12位的转换精度，那么转换的结果就是0~4095，也就是说0对应0V电压，4095对应3.3V的电压。那么把采集的数除以4095，然后再乘以3.3V就是GPIO引脚的输入电压了。最后别忘了，我们使用了分压电路，计算的结果还要再乘以5才是真正的电源电压。具体计算公式如下所示：

2855/4095*3.3*5=11.5

这就说明，我们电源的电压是11.5V。是不是很简单？你成功了吗？

最后，我们再看一下Mixly的源代码，了解一下用程序代码是如何工作的吧。

只需要调用analogRead()函数就把P35引脚的电压信号转换成数字值了。但实际上ADC的工作不是那么简单的，在读取模拟信号值之前也是要进行一系列配置的，只不过这个配置过程都由开发工具在背后默默的完成了，其使用到的参数都是参数的默认值。当我们需要进行个性定制话ADC转换的时候，就没这么简单了。这在以后遇到了再详细的讲解吧。

前边用Mixly生成C语言的方式获得了供电电压的数值。接下来再用MicroPython语言也实现这个功能，其实现方法和之前的C语言基本一样，只不过增加了一个参考电压的设置，参考电压的值越大，ADC可测量的输入的模拟信号的电压值越高，我们将其配置为3.3V，具体开发方法如下所示：

上传该程序后，在串口窗口输出了返回的结果，如下图所示：

输出值为45755，啊！和前面的输出值不同啊？别担心，没出问题。这是因为MicroPython将ADC的结果转换为了在0~65535之间，所以，这个测量结果在计算被测电压的时候，要除以的数值是65535，而不是4095了。具体计算公式如下：

45755/65535*3.3*5=11.5

没错，两次测量的结果是一样的。但是C语言与MicroPython在这里对处理结果的差别要注意一下，不然，计算出来的结果就不对了。Mixly生成的MicroPython代码如下所示：

自己尝试一下读懂它吧？