آموزش مبدل ADC در میکروکنترلر STM32 تبدیل سیگنال‌های آنالوگ به دیجیتال

آموزش مبدل ADC در میکروکنترلر STM32 تبدیل سیگنال‌های آنالوگ به دیجیتال استفاده از میکروکنترلرها در پردازش سیگنال‌های آنالوگ و تبدیل آن‌ها به داده‌های دیجیتال، یکی از اصلی‌ترین نیازهای پروژه‌های الکترونیکی است. در این میان، میکروکنترلر STM32 به دلیل داشتن امکانات پیشرفته در بخش ADC (Analog to Digital Converter) انتخاب محبوبی برای بسیاری از توسعه‌دهندگان محسوب می‌شود. در این مقاله به نحوه کار با ADC در STM32 می‌پردازیم و گام‌های لازم برای تبدیل سیگنال‌های آنالوگ به داده‌های دیجیتال را به همراه نکات عملی توضیح می‌دهیم.

مفهوم ADC و اهمیت آن در STM32

ADC یا مبدل آنالوگ به دیجیتال، یکی از اجزای مهم در میکروکنترلرها است که سیگنال‌های آنالوگ پیوسته مانند ولتاژهای خروجی سنسورها را به داده‌های دیجیتال تبدیل می‌کند تا میکروکنترلر بتواند آن‌ها را پردازش و تحلیل کند. در STM32، ADC با رزولوشن‌ها و سرعت‌های متفاوتی ارائه می‌شود که امکان تبدیل دقیق و سریع سیگنال‌ها را فراهم می‌کند. به کمک ADC، می‌توان اطلاعات دقیقی از محیط فیزیکی (مانند دما، فشار، نور و غیره) به دست آورد و آن‌ها را در برنامه‌های مختلف مانند کنترل سیستم‌ها و پردازش سیگنال‌ها به کار گرفت.

پیکربندی ADC در STM32

برای استفاده از ADC در STM32، ابتدا باید آن را پیکربندی کنیم. این کار معمولاً از طریق نرم‌افزار STM32CubeMX و یا مستقیماً از طریق برنامه‌نویسی در محیط‌های توسعه‌ای مانند Keil یا STM32CubeIDE انجام می‌شود.

1. انتخاب کانال ADC: در STM32 چندین کانال برای ADC وجود دارد که هر کانال امکان خواندن یک سیگنال آنالوگ جداگانه را فراهم می‌کند. برای مثال، در یک پروژه می‌توانید ولتاژ چندین سنسور را با استفاده از کانال‌های مختلف ADC بخوانید.
2. تنظیمات رزولوشن (Resolution): رزولوشن ADC در STM32 می‌تواند از 6 بیت تا 16 بیت متغیر باشد. هرچه رزولوشن بیشتر باشد، دقت اندازه‌گیری بیشتر خواهد بود. مثلاً در رزولوشن 12 بیتی، خروجی می‌تواند مقادیر از 0 تا 4095 را به خود بگیرد.
3. انتخاب سرعت نمونه‌برداری (Sampling Rate): سرعت نمونه‌برداری ADC به مقدار داده‌ای که در یک ثانیه دریافت می‌شود بستگی دارد. برای مثال، اگر سنسور تغییرات سریعی دارد، باید از سرعت نمونه‌برداری بالاتری استفاده کنید.
4. مدهای مختلف ADC: در STM32، ADC می‌تواند به صورت تک‌کاناله (Single-Channel) و یا چندکاناله (Multi-Channel) پیکربندی شود. در حالت تک‌کاناله، ADC فقط از یک ورودی آنالوگ استفاده می‌کند، در حالی که در حالت چندکاناله می‌توان چندین ورودی را به صورت متوالی نمونه‌برداری کرد.

نحوه برنامه‌نویسی ADC در STM32

برای برنامه‌نویسی ADC در STM32، می‌توان از کتابخانه‌های HAL استفاده کرد که توسعه‌دهنده را از نوشتن کدهای پیچیده برای مدیریت سخت‌افزار بی‌نیاز می‌کند. به عنوان مثال، برای خواندن داده‌های ADC از طریق کتابخانه HAL، مراحل زیر را دنبال می‌کنیم:

راه‌اندازی ADC: ابتدا ADC را از طریق کتابخانه HAL فعال کنید. این کار می‌تواند به سادگی با استفاده از توابع از پیش تعریف شده انجام شود.

HAL_ADC_Start(&hadc1); // شروع کار ADC

شروع نمونه‌برداری و انتظار برای پایان: بعد از فعال‌سازی ADC، نمونه‌برداری آغاز می‌شود و می‌توانید منتظر پایان آن باشید.

HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10); // انتظار برای پایان تبدیل

خواندن داده‌های ADC: وقتی نمونه‌برداری تمام شد، مقدار دیجیتال خوانده شده را دریافت کنید.

uint32_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); // دریافت مقدار ADC

توقف ADC: پس از اتمام کار، ADC را متوقف کنید.

HAL_ADC_Stop(&hadc1); // توقف ADC

تفسیر داده‌های خروجی ADC

داده‌های خروجی ADC، عددی بین 0 تا مقدار ماکزیمم بر اساس رزولوشن تنظیم شده است. برای مثال، در رزولوشن 12 بیتی این مقدار از 0 تا 4095 خواهد بود. برای تبدیل این مقدار به ولتاژ واقعی سیگنال ورودی، می‌توان از رابطه زیر استفاده کرد:

ولتاژ ورودی = (مقدار ADC * ولتاژ مرجع) / ماکزیمم مقدار ADC

به عنوان مثال، اگر ولتاژ مرجع ADC 3.3 ولت باشد و مقدار ADC برابر با 2048 باشد، ولتاژ سیگنال ورودی تقریباً برابر با 1.65 ولت خواهد بود.

کاربردهای عملی ADC در STM32

در کاربردهای عملی، ADC معمولاً برای خواندن سیگنال‌های مختلف از سنسورها به کار می‌رود. به عنوان مثال:

• خواندن دمای محیط: با استفاده از یک سنسور دما مانند LM35 که خروجی ولتاژ آن متناسب با دما است، می‌توان دمای محیط را به کمک ADC اندازه‌گیری و تبدیل کرد.
• خواندن ولتاژ باتری: در دستگاه‌های پرتابل، اندازه‌گیری ولتاژ باتری با ADC می‌تواند به حفظ عمر باتری کمک کند.
• کنترل سرعت موتور: از طریق اندازه‌گیری سیگنال‌های آنالوگ مانند ولتاژ، می‌توان سرعت موتورهای DC را با دقت بیشتری کنترل کرد.

نکات مهم در کار با ADC

• استفاده از فیلترها: سیگنال‌های آنالوگ ممکن است دارای نویز باشند. برای بهبود دقت اندازه‌گیری، می‌توان از فیلترهای دیجیتال مانند فیلترهای میانگین‌گیری استفاده کرد.
• پرهیز از اضافه‌بار ADC: از استفاده از ولتاژهایی که از محدوده ولتاژ ورودی ADC بیشتر هستند، خودداری کنید.
• کالیبراسیون ADC: در پروژه‌های حساس به دقت، کالیبراسیون ADC ضروری است تا خطای اندازه‌گیری کاهش یابد.

نتیجه‌گیری

استفاده از ADC در STM32 امکان بهره‌برداری از سیگنال‌های آنالوگ در پروژه‌های مختلف را فراهم می‌کند و قابلیت‌هایی مانند نمونه‌برداری سریع، پشتیبانی از چند کانال و دقت بالا را به ارمغان می‌آورد. با پیکربندی صحیح ADC و استفاده از روش‌های بهینه‌سازی مانند فیلتر کردن و کالیبراسیون، می‌توان داده‌های آنالوگ را با دقت بیشتری پردازش کرد و نتایج دقیقی به دست آورد.

آموزش مبدل ADC در میکروکنترلر STM32 تبدیل سیگنال‌های آنالوگ به دیجیتال

مطلب پیشنهادی

آموزش وقفه‌ها در میکروکنترلر STM32 تعریف و استفاده از Interrupt داخلی و خارجی