基于STM32F103C8T6的AD采集与电机调速Proteus仿真实战指南

1. 项目概述与硬件选型

做嵌入式课设的时候，AD采集和电机调速真的是经典组合了。我自己用STM32F103C8T6这块板子做过好几次类似的项目，性价比真的高，资源够用又不会太浪费。Proteus仿真环境对学生特别友好，不用买实物硬件就能验证方案，特别适合课程设计和毕业设计。

STM32F103C8T6是ST的经典款，72MHz主频的Cortex-M3内核，64KB闪存，20KB RAM，完全够处理AD转换和电机控制任务。最重要的是它有2个12位的ADC，最多16个输入通道，采样速率最高1MHz，做双通道AD采集绰绰有余。电机驱动我用的是L298N，这模块驱动能力够强，能同时带两个直流电机，正反转控制也简单。

OLED显示屏我选了0.96寸的SSD1306，I2C接口的，接线简单不占IO口。显示个电压值、电机状态什么的完全够用。滑动变阻器就是普通的10kΩ可调电阻，用来模拟电压输入。

提示：STM32F103C8T6和R6系列引脚兼容，如果你的老师要求用R6，直接在Keil里改个设备型号就行，代码都不用动。

2. Proteus原理图设计与实战技巧

画原理图这块，新手最容易卡在找元件和接线上了。我刚开始用Proteus的时候，光是找输入输出端子就找了半天。

2.1 核心元件添加与连接

打开Proteus，点击左侧的"P"按钮进入元件库。STM32F103C8T6直接搜"STM32F103C8"，别输全称反而找不到。L298N搜"L298"，OLED搜"OLED"，滑动变阻器搜"POT-HG"。

接线的时候注意，STM32的PA0和PA1用作ADC输入，接两个滑动变阻器的中间引脚。L298N的输入IN1-IN4接STM32的PA4-PA7，这样用4个IO口就能控制两个电机的正反转。OLED的SDA和SCL分别接PB7和PB6，我用的是I2C1。

2.2 常见问题解决方案

AD采集有问题是我踩过最大的坑。一开始电压读数老是乱跳，查了半天才发现是VBAT引脚没接。STM32的VBAT是后备供电引脚，不接的话ADC参考电压会不稳定。简单粗暴的解决方法就是直接把它和VDD连起来。

找输入输出端子有个小技巧：点击左侧工具栏的"Terminals Mode"，选"INPUT"或"OUTPUT"就能放置了。放好后双击可以修改标号，我一般直接用引脚名，比如"PA0"、"PA1"这样，不容易乱。

电压探针在"Probe Mode"里，选"VOLTAGE"就能放置。把它放到PA0引脚上，运行时就能实时显示电压值了，调试特别方便。

示波器在"Virtual Instruments"里，图标是个小 oscilloscope。有时候不小心关了示波器窗口，别慌，点菜单的"Debug" -> "Reset Debug Popup Windows"，选"Yes"就回来了。

3. 软件编程与代码解析

代码结构我分了几个模块，这样清晰好维护。主程序负责调度，AD采集、PWM生成、电机控制都单独写成模块。

3.1 主程序逻辑设计

主程序里我先初始化各个外设，然后进入循环读取两个ADC的值，根据大小关系决定电机转向和转速。中间值2047对应3.3V/2=1.65V，这样就能根据电位器位置控制正反转了。

#include "stm32f10x.h"
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "AD.h"
#include "PWM.h"
#include "MOTOR.h"

uint16_t ADValueA, ADValueB;

int main(void)
{
    OLED_Init();
    AD_Init();
    PWM_Init();
    MOTOR_Init();
    
    OLED_ShowString(1, 1, "ADValue:");
    OLED_ShowString(2, 1, "State:");
    
    while(1)
    {
        ADValueA = AD_GetValue(ADC_Channel_0);
        ADValueB = AD_GetValue(ADC_Channel_1);
        Delay_ms(50);
        
        if(ADValueA > ADValueB)
        {
            // 电机A正转或反转逻辑
            if(ADValueA > 2047){
                GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);
                move(1, 1, (ADValueA-2047)*100/2048);
            }
            // 其他状态处理...
        }
        else
        {
            // 电机B控制逻辑
        }
    }
}

3.2 ADC采集模块实现

ADC配置要注意时钟分频和采样时间。我设的是6分频，因为APB2时钟是72MHz，6分频后ADC时钟是12MHz，在允许范围内。采样时间设为55.5个周期，这样转换时间足够准确。

void AD_Init(void)
{
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
    
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
    ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
    ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
    ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
    
    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
    ADC_ResetCalibration(ADC1);
    while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
    ADC_StartCalibration(ADC1);
    while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));
}

uint16_t AD_GetValue(uint8_t ADC_Channel)
{
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);
    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
    while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC));
    return ADC_GetConversionValue(ADC1);
}

3.3 PWM生成与电机控制

PWM用TIM2生成，频率设为2kHz，这个频率对直流电机来说正合适，既听不到噪音控制效果也好。ARR设为100-1，这样调速分辨率是1%，够用了。

void PWM_Init(void)
{
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
    
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 100 - 1;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 36 - 1;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);
    
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
    TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;
    
    TIM_OC3Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);
    TIM_OC3PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);
    TIM_OC4Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);
    TIM_OC4PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);
    
    TIM_ARRPreloadConfig(TIM2, ENABLE);
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

电机控制函数里，我用select参数选择电机，FX参数控制方向，PWM参数控制速度。L298N的IN1和IN2控制一个电机的方向，ENABLE脚接PWM信号控制速度。

void move(uint8_t select, uint8_t FX, uint16_t PWM)
{
    if(select == 1)  // 电机A
    {
        if(FX == 1)  // 正转
        {
            GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);
            GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);
            PWM_SetCompare3(PWM);
        }
        else if(FX == 2)  // 反转
        {
            GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);
            GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);
            PWM_SetCompare3(PWM);
        }
    }
    // 电机B控制类似...
}

4. 调试技巧与性能优化

仿真调试的时候，有几个小技巧能省不少时间。首先是ADC读数校准，最好在程序开始时连续读几次丢弃掉，因为前几次读数可能不太准。

PWM频率选择很重要，我用2kHz是因为频率太低电机会有噪音，太高了MOS管开关损耗又大。如果控制的是小型直流电机，1-5kHz都是不错的选择。

注意：Proteus仿真速度比实物慢很多，特别是开了示波器之后。如果仿真卡顿，可以暂时关闭示波器，需要的时候再打开。

电源去耦很重要，虽然在仿真里不太明显，但实际做板子时每个芯片的VCC和GND之间都要加0.1uF的瓷片电容。STM32的VDDA和VSSA也要单独加电容，这对ADC精度影响很大。

如果发现电机干扰ADC读数，可以在软件里加个滤波算法。简单的移动平均滤波就很有效，取10次平均值就能让读数稳定很多。

#define SAMPLE_COUNT 10

uint16_t AD_GetFilteredValue(uint8_t ADC_Channel)
{
    uint32_t sum = 0;
    for(uint8_t i=0; i<SAMPLE_COUNT; i++)
    {
        sum += AD_GetValue(ADC_Channel);
        Delay_ms(1);
    }
    return sum / SAMPLE_COUNT;
}

5. 常见问题与解决方案

做这个项目最容易遇到的就是电机干扰问题。表现在仿真里就是ADC读数跳变，电机转动时读数不准。除了加滤波算法外，还可以在硬件上做好隔离。

L298N的供电最好和STM32分开，如果用同一个电源，电机启动时的电流波动会影响ADC参考电压。在Proteus里可以给电机驱动部分单独加个电源，实际做板子时也可以用光耦或者磁耦隔离。

另一个常见问题是PWM输出没反应。先检查时钟配置对不对，TIM2是APB1上的，时钟频率是36MHz。再检查GPIO是否配置为复用推挽输出，普通推挽输出是产生不了PWM的。

OLED显示不正常的话，检查I2C地址对不对。0.96寸OLED的地址通常是0x78或0x7A，用0x78的时候要多。如果显示乱码，可能是初始化序列没写对，江科大的库我用过挺稳的。

ADC读数始终为0的话，先检查VBAT接了吗，然后看看GPIO模式是不是设成了模拟输入(AIN)。如果用库函数开发，还要记得开启ADC和GPIO的时钟，这个很容易忘。

最后提醒一下，Proteus仿真和实物还是有区别的。仿真能跑通不代表实物就一定行，特别是电机这类大电流负载，实际做板子时一定要留足余量，电源线要够粗，地线要完整。