ADC获取NTC
ADC获取NTC
一、NTC介绍
NTC是Negative Temperature Coefficient的缩写，一般指负温度系数半导体器件，而在我们物联网实验中，称为NTC热敏电阻。NTC热敏电阻阻值计算公式如下：
式中 RT、 RT0 分别为温度 T 、 T0 时的电阻值，Bn为材料常数。
对于 T0=25 ℃，R0=10KΩ ，Bn=3950 的电阻-温度曲线如下所示：
由此可见，温度越高，阻值越小。对于NTC的电路相对简单，如下图 ：
当NTC阻值发生变化时，Vout也随之发生变化，通过采样Vout电压，然后根据欧姆定律计算出电阻值，再由电阻值可算出对应的温度值。
二、NTC例程
由上节可知，我们需要采样Vout的值，需要用到ESP32的ADC功能，esp-idf库对ADC的操作已经封装的相当好，直接引出API给我们使用，虽然如此，但依然有一些东西我们要注意，开发板中的Vout接到了GPIO36上，关于ESP32的ADC，ESP32上具有两个ADC转化模块，分别是ADC1和ADC2，每个ADC模块均具有8路，由于在启用ADC2时，无法使用WIFI功能，因此本例程不介绍ADC2，也不推荐大家使用ADC2。然后并不是所有的GPIO口都具有ADC功能，只有如下GPIO口具有ADC功能：
1)GPIO32 ADC1_CH4
2)GPIO33 ADC1_CH5
3)GPIO34 ADC1_CH6
4)GPIO35 ADC1_CH7
5)GPIO36 ADC1_CH0
6)GPIO37 ADC1_CH1
7)GPIO38 ADC1_CH2
8)GPIO39 ADC1_CH3
以下是部分初始化代码：
/** * 温度检测初始化 * @param 无 * @return 无 */ void temp_ntc_init(void) { adc_oneshot_unit_init_cfg_t init_config1 = { .unit_id = ADC_UNIT_1, //WIFI和ADC2无法同时启用，这里选择ADC1 }; //启用单次转换模式 ESP_ERROR_CHECK(adc_oneshot_new_unit(&init_config1, &s_adc_handle)); //-------------ADC1 Config---------------// adc_oneshot_chan_cfg_t config = { .bitwidth = ADC_BITWIDTH_12, //分辨率 .atten = ADC_ATTEN_DB_12, //衰减倍数，ESP32设计的ADC参考电压为1100mV,只能测量0-1100mV之间的电压，如果要测量更大范围的电压 //需要设置衰减倍数 /*以下是对应可测量范围 ADC_ATTEN_DB_0 100 mV ~ 950 mV ADC_ATTEN_DB_2_5 100 mV ~ 1250 mV ADC_ATTEN_DB_6 150 mV ~ 1750 mV ADC_ATTEN_DB_12 150 mV ~ 2450 mV */ }; ESP_ERROR_CHECK(adc_oneshot_config_channel(s_adc_handle, TEMP_ADC_CHANNEL, &config)); //-------------ADC1 Calibration Init---------------// do_calibration1 = example_adc_calibration_init(ADC_UNIT_1, ADC_ATTEN_DB_12, &adc1_cali_handle); //新建一个任务，不断地进行ADC和温度计算 xTaskCreatePinnedToCore(temp_adc_task, "adc_task", 2048, NULL,2, NULL, 1); }
这里先说下adc_oneshot_new_unit这个函数，这个函数是启用单次转换，ESP32中有两种转化模式，分别是单次转换和连续转换，单次转换的意思是，我启动ADC转换，ADC模块就只转换一次值然后停止，连续转换是启动ADC转换后，ADC模块会不断地执行ADC转换，除非我们手动调用停止。经过我本人亲自的试验，连续转换的精度非常差，而且还受其他通道影响，可能之后乐鑫官方后续推出的系列芯片会修复这些问题，因此本教程只用单次转换。
然后需要填充adc_oneshot_chan_cfg_t结构体，这个结构体只有两项，分辨率和衰减系数，分辨率的意思是，采样回来的最大值，比如说我们满量程是2450mV，分辨率设置成12位，如果外部输入的电压是2450mV则，我们通过adc_oneshot_read读取到的值是2^12-1=4095。
本例程中ADC_BITWIDTH_12配置成12位分辨率。.atten = ADC_ATTEN_DB_12这个特性可以说是ESP32较特殊的特性，ESP32内部的ADC参考电压只有1100mV，理论上最大只能采样1100mV，如果我们要采样大于这个值，我们就必须设置衰减，让外部电压到了ESP32内部后进行衰减，然后整体来看，我们就可以采用大于1100mV电压。以下是衰减对应的测量范围
1)ADC_ATTEN_DB_0 100 mV ~ 950 mV
2)ADC_ATTEN_DB_2_5 100 mV ~ 1250 mV
3)ADC_ATTEN_DB_6 150 mV ~ 1750 mV
4)ADC_ATTEN_DB_12 150 mV ~ 2450 mV
由此可见，最大的衰减倍数，最高能测量的电压是2450mV，当输入大于这个值（注意，不能超过3300mV，否则会损坏芯片），程序中读取到的值都是4095。
example_adc_calibration_init函数里面用ESP32芯片内部预烧录的参数值对电压采样结果进行校准。
最后新建一个temp_adc_task函数不断读取ADC值
我们接下来看一下temp_adc_task这个函数
static void temp_adc_task(void* param) { uint16_t adc_cnt = 0; while(1) { adc_oneshot_read(s_adc_handle, TEMP_ADC_CHANNEL, &s_adc_raw[adc_cnt]); if (do_calibration1) { adc_cali_raw_to_voltage(adc1_cali_handle, s_adc_raw[adc_cnt], &s_voltage_raw[adc_cnt]); } adc_cnt++; if(adc_cnt >= 10) { int i = 0; //用平均值进行滤波 uint32_t voltage = 0; uint32_t res = 0; for(i = 0;i < ADC_VALUE_NUM;i++) { voltage += s_voltage_raw[i]; } voltage = voltage/ADC_VALUE_NUM; if(voltage < ADC_V_MAX) { //电压转换为相应的电阻值 res = (voltage*NTC_RES)/(ADC_V_MAX-voltage); //根据电阻值查表找出对应的温度 s_temp_value = get_ntc_temp(res); } adc_cnt = 0; } vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100)); } }
adc_oneshot_read函数触发一次转换，并且将转换后的值返回。
adc_cali_raw_to_voltage函数将读取的ADC值转化成相应的电压值
这个任务重每个周期会执行10次转换，并且将转化值保存在s_voltage_raw中，10次转换后，通过计算平均值，达到滤波的效果。
由上节的采样电路图以及欧姆定律可知，电阻计算公式如下：
R=(V*10K)/(3.3V-V);
其中V是采样得到的数值。10K是NTC参考电阻。3.3V是电路中的参考电压（非ESP32内部ADC参考电压）
计算得到电阻值后，我们就可以通过电阻值R获取到温度值了。
那问题来了
这个公式这么复杂，代入进去计算基本算不出来，一般我们不这样做，我们一般通过查表来得到温度值。如何做呢？
当我们买了NTC热敏电阻后，厂家一般都会给我们一份NTC电阻温度对应表。如下所示：
具体的还要参考厂家提供。那我们如何在程序中使用这个表呢？首先我们需要建一个常量数组，把这些值保存起来，在本例程中是这样做的。
这个数组单元是一个结构体，第一个成员是温度值，第二个成员是电阻值。
现在有两个问题
1）查找效率
2）值问题
先看查找效率，我们计算出电阻值后，如果查找。一种最笨的方法是遍历，但相对耗时，还有一种是二分查找，二分查找的前提是，表是按顺序排列的，我们看这个表，阻值是从大大小的顺序排列的，因此我们可以用二分查找的方法进行查找，代码如下：
/** 二分查找，通过电阻值查找出温度值对应的下标 * @param res 电阻值 * @param left ntc表的左边界 * @param right ntc表的右边界 * @return 温度值数组下标 */ static int find_ntc_index(uint32_t res,uint16_t left, uint16_t right) { uint16_t middle = (left + right) / 2; if (right <= left || left == middle) { if (res >= s_ntc_table[left].res) return left; else return right; } if (res > s_ntc_table[middle].res) { right = middle; return find_ntc_index(res,left, right); } else if (res < s_ntc_table[middle].res) { left = middle; return find_ntc_index(res,left, right); } else return middle; }
再看问题2
我们计算出的电阻值，很有可能在这个表上查不到。那我们如何处理呢？上述经过二分查找后，我们会返回一个下标，这个下标对应数组中的电阻值会比计算出来的电阻值稍小，而这个下标的下一个数组值又会比计算出来的电阻值稍大。伪代码就是：
R >= s_ntc_table[index].rec;
R< s_ntc_table[index+1].rec;
R是我们采样电压计算出来的电阻值，index是二分查找返回的数组下标
假设我们刚查到这个电阻值在表中，那么很简单，直接用下标对应的温度即可。但很多时候我们不会这么理想，大多数情况都是R>s_ntc_table[index].rec && R < s_ntc_table[index+1].rec。
这种情况我们该如何处理最好？
有两种处理方式，
第一种我们直接用s_ntc_table[index].temp或s_ntc_table[index+1].temp就行，简单粗暴，这种没有计算出小数点，因为表中的温度值全部是整数。
第二种就是使用线性插值
何为线性插值？请看下图 、
假设y=f(x)是一段较复杂的曲线方程，而坐标(X0，Y0)和(X1，Y1)是落在这条曲线上的两点，因为这个方程比较复杂，我们如果有一些点需要计算，直接代入到原方程计算比较困难，如果要计算的点满足1）落在X0，X1之间，2）X0和X1距离比较近，这时后我们就可以把坐标(X0，Y0)和(X1，Y1)之间当成是一条直线。通过两点式计算出这条直线的方程，然后再将要计算的值代入这条直线方程，计算就简单多了。代码如下：
/* @param x 需要计算的X坐标 * @param x1,x2,y1,y2 两点式坐标 * @return y值 */ static float linera_interpolation(int32_t x,int32_t x1, int32_t x2, int32_t y1, int32_t y2) { float k = (float)(y2 - y1) /(float)(x2 - x1); float b = (float)(x2 * y1 - x1 * y2) / (float)(x2 - x1); float y = k * x + b; return y; }
本例程中，
X1=s_ntc_table[index].res
X2=s_ntc_table[index+1].res
Y1=s_ntc_table[index].temp
Y2=s_ntc_table[index+1].temp
X = R(采用电压对应计算出来的值)
而返回了的Y值就是线性插值计算出来的温度值
app_main()函数比较简单
void app_main(void) { temp_ntc_init(); while(1) { ESP_LOGI(TAG,"current temp:%.2f",get_temp()); vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); } }
每隔1000ms获取温度值并且打印
完成的例程可以参考esp32-board/ntc
最后附上相关资料：
ESP32教程资料链接：
https://pan.baidu.com/s/1kCjD8yktZECSGmHomx_veg?pwd=q8er
提取码：q8er
配套源码下载地址：
esp32-board: esp32开发板配套的经典例程
ESP32开发板，包含部分传感器模块，1.69寸LCD高亮屏，Type-C一键下载，方便大家学习和做各种实验。开发板链接如下：
浙公网安备 33010602011771号