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MicroPython 开发ESP32应用教程之 ADC及应用实例：电池电量检测并显示

news 来源：原创 2025/5/1 9:17:08

MicroPython 中的 ADC（模数转换器）模块为嵌入式开发提供了便捷的模拟信号采集功能，其核心实现基于 machine.ADC 类。以下是关键要点：

一、 ‌ADC 基本原理‌

ADC 的作用是将连续变化的模拟信号（如电压、光照强度）转换为离散的数字信号，以便微控制器处理。其核心参数包含 ‌分辨率‌（如 10 位或 12 位）和 ‌输入电压范围‌。

1、. ‌硬件差异与配置‌

‌ESP32 系列‌：如 ESP32-S3 支持 ‌0-3.3V‌ 输入，12 位分辨率（返回值 0-4095）。需注意 ADC2 通道与 Wi-Fi 功能冲突，MicroPython 固件通常仅支持 ADC1。
‌输入衰减设置‌：可通过 atten() 方法调整 ADC 输入电压范围，例如 ESP32 支持 0dB（0-1.1V）、6dB（0-1.5V）等衰减等级，以适配不同传感器信号。

2. ‌核心 API 使用方法‌

‌构造对象‌：adc = machine.ADC(Pin(17))。
‌读取原始值‌：adc.read() 返回原始 ADC 数值adc_value 。
‌电压转换公式‌：
```
电压值 = (ADC原始值adc_value  / 最大分辨率) * 参考电压 
```
例如 ESP32-S3 计算电压：voltage = (adc_value / 4095) * 3.3。

3. ‌应用示例‌

‌电位器电压采集‌：通过 ADC 读取引脚电压并显示在 OLED 屏幕，循环采样间隔可根据实际需要设置。
‌光敏传感器‌：结合 ADC 读取光照强度，动态调整 LED 亮度（需配合 PWM 模块）。

4. ‌注意事项‌

‌噪声抑制‌：ADC 易受电源干扰，建议硬件设计时增加滤波电路。
‌精度限制‌：ESP 系列 ADC 线性度较差，高精度场景需外部 ADC 芯片。

通过合理配置衰减、采样精度及数据处理逻辑，MicroPython ADC 可广泛应用于传感器数据采集、环境监测等物联网场景。

二、Micropython ADC的配置与使用

在 ESP32 上使用 MicroPython 的 ADC 模块时，需注意其特有的硬件配置和限制。以下是详细的配置步骤和代码示例（以锂电池的电量检测为例）：

‌1. 硬件准备‌

‌ESP32s3 开发板‌（ ESP32-s3-WROOM-1）。
‌ADC 输入源‌（锂电池电量检测）。电路如下所示：

‌接线‌：将需要检测的电压信号点连接到 ESP32 的 ‌ADC 引脚‌（GPIO17）。需要注意的是，在检测之前需要将GPIO18置高，否则无法检测有效的锂电池电量。

‌2. 初始化 ADC‌

ESP32 的 ADC 通道分为 ‌ADC1‌ 和 ‌ADC2‌，但 ‌ADC2 与 Wi-Fi 功能冲突‌，因此在 Wi-Fi 启用时只能使用 ADC1。
‌

from machine import ADC,Pinadc = ADC(Pin(17))

‌3. 配置输入电压范围（衰减设置）‌

ESP32 ADC 默认支持 ‌0-1.1V（11dB 衰减）‌，但可以通过 atten() 方法调整输入范围：

衰减值	电压范围	适用场景
`ADC.ATTN_0DB`	0-1.1V	低电压传感器（如光敏）
`ADC.ATTN_2_5DB`	0-1.5V	中等电压
`ADC.ATTN_6DB`	0-2.2V	常用范围
`ADC.ATTN_11DB`	0-3.3V	高电压（如电位器）

‌设置衰减‌

adc.atten(ADC.ATTN_11DB) # 允许输入 0-3.3V 电压

‌4. 设置分辨率‌

ESP32 ADC 支持 ‌9-12 位分辨率‌，通过 width() 方法调整：

adc.width(ADC.WIDTH_12BIT) # 12 位分辨率（0-4095）

‌5. 读取原始值并转换为电压‌

‌读取原始 ADC 值‌

    def read_battery_voltage():raw = adc.read()  # 读取原始值voltage = raw / 4095 * 3.3  # 转换为电压（分压后的电压）return voltage * 2 # 计算实际电池电压，之所以乘以2与我们的电路有关，请参考上面的电路

‌6. 注意事项‌

‌ADC2 与 Wi-Fi 冲突‌：
使用 ADC2 时需禁用 Wi-Fi，否则会抛出异常：
‌噪声抑制‌：
- 在信号线上并联 ‌0.1μF 电容‌。
- 软件端可通过 ‌均值滤波‌ 提高稳定性：
‌ADC 线性度问题‌：
ESP32 内置 ADC 的精度较低（非线性误差约 ±5%），高精度场景建议使用 ‌外部 ADC 芯片‌（如 ADS1115）。

三、锂电池电量检测方法介绍

锂电池电量检测的核心原理基于电池电化学特性与电参数关联性，主要方法可分为以下三类：

‌一)、电压测量法‌

‌原理‌
通过测量电池端电压估算剩余电量，依赖锂电池电压与荷电状态（SOC）的非线性关系。例如：
- 满电电压 ≈ 4.2V（对应 100% SOC）
- 欠压截止 ≈ 3.2V（对应 0% SOC）
‌实现方式‌
- 静态检测：空载时直接读取电压，适用于低功耗场景（如待机模式）
- 动态补偿：结合负载电流对压降的实时修正，公式为：
```
V_corrected = V_measured + I_load × R_internal 
```
  其中 R_internal 为电池内阻。但实际应用中，我们往往很难准确获取电流及电池电阻，所以补偿电压很多时候也是一个大概的经验值。在我们的实例中，甚至没有作动态补偿。
‌优缺点‌
- ‌优点‌：成本低、实现简单，适用于静态负载设备（如电子秤）
- ‌缺点‌：
  - 电压-SOC 曲线非线性显著（如 3.7-4.2V 区间变化剧烈）
  - 动态负载下电压波动导致误差（如电动车启动时电量显示骤降）

‌二)、充放电曲线法（OCV 法）‌

‌原理‌
基于电池开路电压（OCV）与 SOC 的对应关系建立查表数据库，通过实测电压反向映射剩余电量。
‌实现步骤‌
- ‌标定阶段‌：使用高精度库仑计记录不同 SOC 下的 OCV 值，生成校准曲线
- ‌应用阶段‌：设备休眠时测量 OCV，结合温度补偿算法查表输出 SOC
‌优化方案‌
- 分段线性化处理电压-SOC 曲线，降低查表复杂度
- 引入老化因子动态修正曲线（如循环次数对容量的影响）

‌三)、库仑计法（电流积分法）‌

‌原理‌
通过实时监测充/放电电流，对时间积分计算电荷量：
Q_remaining = Q_initial ± ∫I(t)dt

其中 Q_initial 为初始电量
‌硬件实现‌
- ‌检流电阻‌：串联在电池回路中（常用 10mΩ-100mΩ 阻值）
- ‌ADC 采样‌：采集电阻两端压差计算电流
- ‌温度补偿‌：集成 NTC 传感器修正内阻温漂误差
‌校准机制‌
- ‌满充复位‌：充电至截止电压时自动重置容量计数器
- ‌开路电压校验‌：定期休眠测量 OCV，修正累积误差

‌四)、复合算法与扩展技术‌

‌融合模型‌
结合电压法、库仑计及电池模型（如等效电路模型），提升全工况精度：
- 低 SOC 时依赖电压阈值
- 高 SOC 时启用电流积分
‌电化学阻抗谱（EIS）‌
通过施加交流扰动信号分析阻抗频谱，推算电池健康状态（SOH）与 SOC
‌AI 预测‌
基于循环伏安（CV）数据训练神经网络，实现动态负载下的 SOC 预估

‌五)、典型应用场景对比‌

‌方法‌	精度误差	成本	适用场景	代表方案
电压测量法	10-20%	低	低端玩具、电动自行车	LED 分级显示
充放电曲线法	5-10%	中	手机、智能穿戴设备	OCV 查表算法
库仑计法	1-3%	高	医疗设备、电动汽车	TI BQ 系列芯片

‌四、实例讲解

本例采用的是电压测量法，有兴趣的朋友可以自行探索后面两种锂电池电量的检测方法。

显示部分请参考：MicroPython for ESP32开发st7789 TFT显示屏驱动、ST7735TFT 显示屏驱动

1、 BatteryStatus（电池电量检测模块）

为了方便，我们将电池电量检测功能封装成了class BatteryStatus：

from micropython import const
#import time# 锂电池电压与电量对应关系（以3.7V LiPo为例）
VOLTAGE_MIN = const(3.2)  # 电量0%对应电压
VOLTAGE_MAX = const(4.2)  # 电量100%对应电压class BatteryStatus:CheckBATInterval = 0voltage_min = VOLTAGE_MINvoltage_max = VOLTAGE_MAXdef __init__(self, adc, adc_atten,adc_width,power=None):# 初始化ADC引脚（示例使用GPIO34）self.adc = adcself.adc.atten(adc_atten)self.adc.width(adc_width)self.power = power    #根据前面的电路图，我们知道，检测电池电量前GPIO18必须置高def bat_config(self,v_min,v_max):self.voltage_min = v_minself.voltage_max = v_maxdef read_battery_voltage(self):if self.power is not None:self.power(1)     #根据前面的电路图，我们知道，检测电池电量前GPIO18必须置高raw = self.adc.read()  # 读取原始值if self.power is not None:self.power(0)voltage = raw / 4095 * 3.3  # 转换为电压（分压后的电压）return voltage * 2 # 计算实际电池电压，之所以乘以2与电路有关，请参考前面的电路图def voltage_to_percent(self,voltage):if voltage >= self.voltage_max:return 100elif voltage <= self.voltage_min:return 0else:percent = (voltage - self.voltage_min) / (self.voltage_max - self.voltage_min) * 100return round(percent, 1)def battery_monitor(self):
#        while True:v = self.read_battery_voltage()percent = self.voltage_to_percent(v)
#        print(f"Voltage: {v:.2f}V, Percent: {percent}%")return percent
#            time.sleep(6)  # 每分钟检测一次

结合前面的知识点及代码中的注释，相信大家很容易能明白，这部分代码就不多讲解。

2、增加显示电量的接口

在现有的显示模块ST7789中增加显示电池电量的接口：

    def  battery_status(self,x,y,width = 24,height = 16,percent=90,c=color(0,0xff,0)):self.rect(x,y,width,height,c)width = int((width - 4) * percent / 100)self.rect(x + 2, y + 2,width,height - 4,c,True)

3、电池电量检测模块的初始化

def battery_status_init():bat_power = Pin(18,Pin.OUT)adc = ADC(Pin(17))batstatus = BatteryStatus(adc,ADC.ATTN_11DB,ADC.WIDTH_12BIT,bat_power)batstatus.bat_config(3.2,4.18)  #设置最低电压及最高电压return batstatus

4、定时检测电池电量

    tim = Timer(3)tim.init(period = MOINTOR_Interval,mode=Timer.PERIODIC,callback=monitor)def monitor(t):global bat_intervalglobal chgbat_statusbat_interval += 1if bat_interval >= (BAT_Interval / MOINTOR_Interval):bat_interval = 0chgbat_status = TruePowerOn = Truetft.showstring("电池电量监测实验",40,60)while True:if chgbat_status or PowerOn:percent = batstatus.battery_monitor()tft.battery_status(H_Pixel - 20,0,20,12,percent)tft.show()PowerOn = False

这里利用定时器中断来实现定时检测电池电量。

关于定时器中断，大家可以参考：MicroPython 开发ESP32应用教程之 Timer、GPIO中断

最后，完整代码可以参考：micropythonforesp32s3电池电量检测并显示资源-CSDN文库