📚 课程目录第4章 ADC模拟量采集

4、ADC模拟量采集：从原理到实战

各位同学，欢迎来到第四章。前面几章我们都在跟数字信号打交道——GPIO要么高要么低，简单粗暴。但从这一章开始，我们要进入模拟量的世界了。

说白了，现实世界里的物理量，比如光照强度、温度、声音大小，它们都是连续变化的，不是非0即1。ESP32要读懂这些信号，就得靠ADC——模数转换器。

本章核心目标：理解ADC工作原理，掌握ESP32的ADC特性，最终用光敏电阻做一个光照强度采集器，并通过串口把数据打印出来。

4.1 ADC原理：连续世界到离散数字的桥梁

ADC的全称是Analog-to-Digital Converter。它的任务很简单：把一个连续的电压值，映射成一个离散的数字值。

举个例子。假设你的ADC是10位分辨率，那么它能输出的数字范围是0~1023（2^10=1024个台阶）。如果参考电压是3.3V，那么输入0V对应数字0，输入3.3V对应数字1023。中间的值按比例线性映射。

关键公式：

数字值 = (输入电压 / 参考电压) × (2^分辨率 - 1)

反过来，从数字值算电压：

电压 = (数字值 / (2^分辨率 - 1)) × 参考电压

我在项目中遇到过一个问题：有个同事直接用这个公式算电压，结果发现读数总是偏大。后来排查发现，他用的参考电压是3.3V，但实际板子上的VREF只有3.2V。嗯，这里要注意——参考电压一定要以实际测量为准。

分辨率（位）	台阶数	3.3V下的最小分辨率	典型应用
8	256	12.89 mV	低精度传感器
10	1024	3.22 mV	Arduino经典配置
12	4096	0.81 mV	ESP32默认配置
16	65536	0.05 mV	高精度工业采集

你想想看，分辨率越高，台阶越密，能分辨的电压变化就越小。但也不是越高越好——分辨率高了，噪声也会更明显，转换速度也会变慢。

4.2 ESP32的ADC特性：你需要知道的坑

ESP32内置了两个ADC模块：ADC1和ADC2。每个模块有多个通道，但ADC2有个大坑——它跟Wi-Fi共用硬件。如果你同时开了Wi-Fi，ADC2的读数会变得乱七八糟。

重要警告：使用ESP32的ADC时，优先选择ADC1的通道（GPIO32~GPIO39）。ADC2的通道（GPIO0、GPIO2、GPIO4、GPIO12~GPIO15、GPIO25~GPIO27）在Wi-Fi开启时不可靠。我曾经因为没注意这个，调试了整整一个下午，最后发现是Wi-Fi在捣乱。

ESP32的ADC默认是12位分辨率，也就是0~4095。但它的线性度并不是完美的——尤其是在电压接近0V和接近3.3V的两端，非线性比较明显。我个人的习惯是，尽量让信号落在0.2V~3.1V之间，避开两端。

ESP32 ADC通道映射表：

ADC模块	可用通道	对应GPIO	Wi-Fi影响
ADC1	CH0 ~ CH7	GPIO36, 37, 38, 39, 32, 33, 34, 35	无影响
ADC2	CH0 ~ CH9	GPIO4, 0, 2, 15, 13, 12, 14, 27, 25, 26	Wi-Fi开启时不可用

4.3 电压读取：动手写代码

好，理论说完了，咱们直接上手。下面这段代码，用ADC1的通道6（GPIO34）读取模拟电压，然后通过串口打印出来。

#include <driver/adc.h>
#include <esp_adc_cal.h>

// 定义ADC参数
#define ADC_CHANNEL ADC1_CHANNEL_6   // GPIO34
#define ADC_WIDTH ADC_WIDTH_BIT_12   // 12位分辨率
#define ADC_ATTEN ADC_ATTEN_DB_11    // 衰减11dB，量程0~3.3V

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  
  // 配置ADC
  adc1_config_width(ADC_WIDTH);
  adc1_config_channel_atten(ADC_CHANNEL, ADC_ATTEN);
  
  Serial.println("ADC初始化完成，开始读取电压...");
}

void loop() {
  // 读取原始值
  int raw_value = adc1_get_raw(ADC_CHANNEL);
  
  // 计算电压（mV）
  uint32_t voltage = esp_adc_cal_raw_to_voltage(raw_value, &adc_chars);
  
  // 打印结果
  Serial.print("原始值: ");
  Serial.print(raw_value);
  Serial.print("  电压: ");
  Serial.print(voltage);
  Serial.println(" mV");
  
  delay(500);
}

个人经验：衰减（Attenuation）参数很关键。ADC_ATTEN_DB_0对应量程0~1.1V，ADC_ATTEN_DB_2_5对应0~1.5V，ADC_ATTEN_DB_6对应0~2.2V，ADC_ATTEN_DB_11对应0~3.3V。我一般直接用ADC_ATTEN_DB_11，省事。但如果你只需要测小信号，用低衰减能获得更好的精度。

4.4 光敏电阻实验：把光照变成电压

光敏电阻，也叫光依赖电阻（LDR）。它的特性很简单：光照越强，电阻越小；光照越弱，电阻越大。

但ESP32不能直接测电阻，它只能测电压。所以我们需要一个分压电路，把电阻变化转换成电压变化。

电路连接：

光敏电阻一端接3.3V
光敏电阻另一端接一个10kΩ固定电阻，再接地
光敏电阻和固定电阻的中间节点，接到ESP32的GPIO34（ADC输入）

这个电路就是一个典型的分压器。光照变化时，光敏电阻的阻值变化，中间节点的电压也跟着变化。ESP32读取这个电压，就能反推出光照强度。

分压公式：Vout = 3.3V × (R_fixed / (R_ldr + R_fixed))

当光照强时，R_ldr变小，Vout变大；光照弱时，R_ldr变大，Vout变小。

下面这个SVG图，把整个系统的数据流画清楚了：

4.5 完整实验代码与校准

下面是一个完整的光敏电阻实验代码。它读取ADC值，计算电压，并估算光照强度百分比。

#include <driver/adc.h>
#include <esp_adc_cal.h>

#define LDR_ADC_CHANNEL ADC1_CHANNEL_6  // GPIO34
#define LDR_PIN 34

// 校准用ADC特性参数
static esp_adc_cal_characteristics_t adc_chars;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  
  // 配置ADC
  adc1_config_width(ADC_WIDTH_BIT_12);
  adc1_config_channel_atten(LDR_ADC_CHANNEL, ADC_ATTEN_DB_11);
  
  // 校准ADC（使用VREF默认值1100mV）
  esp_adc_cal_characterize(ADC_UNIT_1, ADC_ATTEN_DB_11, ADC_WIDTH_BIT_12, 1100, &adc_chars);
  
  Serial.println("光敏电阻实验开始");
  Serial.println("原始值, 电压(mV), 光照百分比(%)");
}

void loop() {
  // 读取原始ADC值
  int raw = adc1_get_raw(LDR_ADC_CHANNEL);
  
  // 转换为电压（mV）
  uint32_t voltage_mv = esp_adc_cal_raw_to_voltage(raw, &adc_chars);
  
  // 计算光照百分比（假设3.3V对应100%光照）
  float light_percent = (voltage_mv / 3300.0) * 100.0;
  
  // 限制范围
  if (light_percent > 100.0) light_percent = 100.0;
  if (light_percent < 0.0) light_percent = 0.0;
  
  // 打印数据（CSV格式，方便串口绘图）
  Serial.print(raw);
  Serial.print(", ");
  Serial.print(voltage_mv);
  Serial.print(", ");
  Serial.println(light_percent, 1);
  
  delay(200);
}

避坑指南：我曾经直接用原始ADC值除以4095再乘以3.3V来计算电压，结果发现跟万用表测出来的总是差几十毫伏。后来才意识到，ESP32的内部参考电压并不是精确的3.3V，而是1.1V（经过内部倍压）。正确的做法是用esp_adc_cal_raw_to_voltage()函数做校准。这个函数会考虑芯片的个体差异，精度好很多。

4.6 实验验证与调试技巧

代码烧录进去之后，你可以做几个简单的测试：

用手遮住光敏电阻——串口打印的电压值应该下降，光照百分比接近0%
用手电筒照射光敏电阻——电压值上升，光照百分比接近100%
用万用表测量GPIO34的电压——跟串口打印的电压值对比，误差应该在±50mV以内

如果发现读数跳动很大，别慌。这是正常现象——ADC本身有噪声。我一般会在软件里做一下简单的滤波：连续读10次，去掉最大最小值，然后取平均。效果立竿见影。

// 简单的中位平均滤波
int readLDRFiltered() {
  const int SAMPLES = 10;
  int values[SAMPLES];
  
  // 采集10次
  for (int i = 0; i < SAMPLES; i++) {
    values[i] = adc1_get_raw(LDR_ADC_CHANNEL);
    delay(5);  // 稍微延时，让采样点分散
  }
  
  // 冒泡排序
  for (int i = 0; i < SAMPLES - 1; i++) {
    for (int j = 0; j < SAMPLES - i - 1; j++) {
      if (values[j] > values[j + 1]) {
        int temp = values[j];
        values[j] = values[j + 1];
        values[j + 1] = temp;
      }
    }
  }
  
  // 去掉最大最小，取平均
  int sum = 0;
  for (int i = 1; i < SAMPLES - 1; i++) {
    sum += values[i];
  }
  
  return sum / (SAMPLES - 2);
}

注意：ADC采样后不要立即进行下一次采样。ESP32的ADC内部有采样保持电容，需要一点时间放电。我习惯在两次采样之间加至少5ms的延时。如果你用连续采样模式，记得检查数据手册里的采样周期参数。

好了，这一章的内容就到这里。ADC是嵌入式开发里非常基础但又容易踩坑的部分。掌握了原理和ESP32的特性，后面做各种模拟传感器（温度、湿度、气体、声音）都会轻松很多。动手试试吧，把光敏电阻接上，看看你房间的光照变化曲线是什么样的。