ADC简介

    STM32F103系列有3个ADC，精度为12位，每个ADC最多有16个外部通道。其中ADC1和ADC2都有16个外部通道，ADC3一般有8个外部通道，各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断执行，ADC转换的结果可以左对齐或右对齐储存在16位数据寄存器中。ADC的输入时钟不得超过14MHz，其时钟频率由PCLK2分频产生。

ADC功能框图讲解

    学习STM32开发板上的外设时首先要了解其外设的功能框图，如下：

2 d: w+ W" o5 m9 u3 d' m. G, v

    功能框图可以大体分为7部分，下面一一讲解：

电压输入范围

    ADC所能测量的电压范围就是VREF- ≤ VIN ≤ VREF+，把 VSSA 和 VREF-接地，把 VREF+和 VDDA 接 3V3，得到ADC 的输入电压范围为：0~3.3V。

! j6 c% k, w6 c4 b

输入通道

    ADC的信号输入就是通过通道来实现的，信号通过通道输入到单片机中，单片机经过转换后，将模拟信号输出为数字信号。STM32中的ADC有着18个通道，其中外部的16个通道已经在框图中标出，如下：

* T* |9 m0 Q+ f7 X6 A. f8 l  v

  J, P- g7 y2 I/ m! g# [! q

    这16个通道对应着不同的IO口，此外ADC1/2/3 还有内部通道：ADC1 的通道 16 连接到了芯片内部的温度传感器， Vrefint 连接到了通道 17。ADC2 的模拟通道 16 和 17 连接到了内部的 VSS。

9 w( d+ j% n) ], R

    ADC的全部通道如下图所示：

, M" @$ D' S! j% D" ?

% N4 G: h7 e) B% l1 o9 k

    外部的16个通道在转换时又分为规则通道和注入通道，其中规则通道最多有16路，注入通道最多有4路（注入通道貌似使用不多），下面简单介绍一下两种通道：

    规则通道顾名思义就是，最平常的通道、也是最常用的通道，平时的ADC转换都是用规则通道实现的。

    注入通道是相对于规则通道的，注入通道可以在规则通道转换时，强行插入转换，相当于一个“中断通道”吧。当有注入通道需要转换时，规则通道的转换会停止，优先执行注入通道的转换，当注入通道的转换执行完毕后，再回到之前规则通道进行转换。

/ L3 v; f, v/ [( L

转换顺序

    知道了ADC的转换通道后，如果ADC只使用一个通道来转换，那就很简单，但如果是使用多个通道进行转换就涉及到一个先后顺序了，毕竟规则转换通道只有一个数据寄存器。多个通道的使用顺序分为俩种情况：规则通道的转换顺序和注入通道的转换顺序。

    规则通道中的转换顺序由三个寄存器控制：SQR1、SQR2、SQR3，它们都是32位寄存器。SQR寄存器控制着转换通道的数目和转换顺序，只要在对应的寄存器位SQx中写入相应的通道，这个通道就是第x个转换。具体的对应关系如下：

( n5 N' `: F- S7 p9 ]

: X9 P; Z, N; ?+ i6 E6 L7 A) g2 L

    通过SQR1寄存器就能了解其转换顺序在寄存器上的实现了：

4 u& n8 B$ c& b

    和规则通道转换顺序的控制一样，注入通道的转换也是通过注入寄存器来控制，只不过只有一个JSQR寄存器来控制，控制关系如下：

+ [' V7 J( ^# a0 b# _

    需要注意的是，只有当JL=4的时候，注入通道的转换顺序才会按照JSQ1、JSQ2、JSQ3、JSQ4的顺序执行。当JL<4时，注入通道的转换顺序恰恰相反，也就是执行顺序为：JSQ4、JSQ3、JSQ2、JSQ1。

; d; Y! z% _# m, d# A

    配置转换顺序的函数如下代码所示：

1. /**
   
2.   * @brief  Configures for the selected ADC regular channel its corresponding
   & `/ W3 w- w! p% K
3.   *         rank in the sequencer and its sample time.
   
4.   * @param  ADCx: where x can be 1, 2 or 3 to select the ADC peripheral.
   7 k: v. \% H4 l4 |* B
5.   * @param  ADC_Channel: the ADC channel to configure.
   # e: \0 j: k8 w5 P" y$ Q7 y& y% U: c5 H
6.   *   This parameter can be one of the following values:
   
7.   *     @arg ADC_Channel_0: ADC Channel0 selected
   
8.   *     @arg ADC_Channel_1: ADC Channel1 selected
   " t. \8 F, B( z: V& I. m
9.   *     @arg ADC_Channel_2: ADC Channel2 selected
   
10.   *     @arg ADC_Channel_3: ADC Channel3 selected
    
11.   *     @arg ADC_Channel_4: ADC Channel4 selected
    
12.   *     @arg ADC_Channel_5: ADC Channel5 selected
    
13.   *     @arg ADC_Channel_6: ADC Channel6 selected
    - t; E; k' j8 V+ P9 q% p
14.   *     @arg ADC_Channel_7: ADC Channel7 selected
    
15.   *     @arg ADC_Channel_8: ADC Channel8 selected
    & ^. M! w& E0 N& |5 L: \
16.   *     @arg ADC_Channel_9: ADC Channel9 selected
    
17.   *     @arg ADC_Channel_10: ADC Channel10 selected
    # S, H2 w/ q: k3 v( J% R" ^5 d- S) N
18.   *     @arg ADC_Channel_11: ADC Channel11 selected
    
19.   *     @arg ADC_Channel_12: ADC Channel12 selected
      y3 R9 B3 w9 X! h
20.   *     @arg ADC_Channel_13: ADC Channel13 selected
    1 x& f' [% ?' N9 q1 P8 Q3 \
21.   *     @arg ADC_Channel_14: ADC Channel14 selected
    ! V2 P. l& d2 r& I
22.   *     @arg ADC_Channel_15: ADC Channel15 selected
    ' j8 {: W0 }' |# y  M
23.   *     @arg ADC_Channel_16: ADC Channel16 selected
    
24.   *     @arg ADC_Channel_17: ADC Channel17 selected
    
25.   * @param  Rank: The rank in the regular group sequencer. This parameter must be between 1 to 16.
    7 D4 j/ W8 A: X- w) Y
26.   * @param  ADC_SampleTime: The sample time value to be set for the selected channel.
    
27.   *   This parameter can be one of the following values:
    
28.   *     @arg ADC_SampleTime_1Cycles5: Sample time equal to 1.5 cycles
    
29.   *     @arg ADC_SampleTime_7Cycles5: Sample time equal to 7.5 cycles
    
30.   *     @arg ADC_SampleTime_13Cycles5: Sample time equal to 13.5 cycles
    
31.   *     @arg ADC_SampleTime_28Cycles5: Sample time equal to 28.5 cycles
    
32.   *     @arg ADC_SampleTime_41Cycles5: Sample time equal to 41.5 cycles
    
33.   *     @arg ADC_SampleTime_55Cycles5: Sample time equal to 55.5 cycles
    
34.   *     @arg ADC_SampleTime_71Cycles5: Sample time equal to 71.5 cycles
    " }- R' S7 F4 p
35.   *     @arg ADC_SampleTime_239Cycles5: Sample time equal to 239.5 cycles
    
36.   * @retval None
    
37.   */
    3 r: H6 H& w! k2 M
38. void ADC_RegularChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel, uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime)
    
39. {
    
40.   函数内容略;
    
41. }

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9 a) D& O8 |3 B0 c" k; r* o

触发源

    ADC转换的输入、通道、转换顺序都已经说明了，但ADC转换是怎么触发的呢？就像通信协议一样，都要规定一个起始信号才能传输信息，ADC也需要一个触发信号来实行模/数转换。

    其一就是通过直接配置寄存器触发，通过配置控制寄存器CR2的ADON位，写1时开始转换，写0时停止转换。在程序运行过程中只要调用库函数，将CR2寄存器的ADON位置1就可以进行转换，比较好理解。

    另外，还可以通过内部定时器或者外部IO触发转换，也就是说可以利用内部时钟让ADC进行周期性的转换，也可以利用外部IO使ADC在需要时转换，具体的触发由控制寄存器CR2决定。

   ADC_CR2寄存器的详情如下：

5 B: S2 A: k" w( c3 w& T. h$ x

% s% ~5 a- }% V; F

转换时间

    还有一点，就是转换时间的问题，ADC的每一次信号转换都要时间，这个时间就是转换时间，转换时间由输入时钟和采样周期来决定。

    由于ADC在STM32中是挂载在APB2总线上的，所以ADC的时钟是由PCLK2（72MHz）经过分频得到的，分频因子由 RCC 时钟配置寄存器RCC_CFGR 的位 15:14 ADCPRE[1:0]设置，可以是 2/4/6/8 分频，一般配置分频因子为8，即8分频得到ADC的输入时钟频率为9MHz。

    采样周期是确立在输入时钟上的，配置采样周期可以确定使用多少个ADC时钟周期来对电压进行采样，采样的周期数可通过 ADC采样时间寄存器 ADC_SMPR1 和 ADC_SMPR2 中的 SMP[2:0]位设置，ADC_SMPR2 控制的是通道 0~9， ADC_SMPR1 控制的是通道 10~17。每个通道可以配置不同的采样周期，但最小的采样周期是1.5个周期，也就是说如果想最快时间采样就设置采样周期为1.5.

转换时间=采样时间+12.5个周期

    12.5个周期是固定的，一般我们设置 PCLK2=72M，经过 ADC 预分频器能分频到最大的时钟只能是 12M，采样周期设置为 1.5 个周期，算出最短的转换时间为 1.17us。

数据寄存器

    转换完成后的数据就存放在数据寄存器中，但数据的存放也分为规则通道转换数据和注入通道转换数据的。

    规则数据寄存器负责存放规则通道转换的数据，通过32位寄存器ADC_DR来存放：

$ |$ B9 ?; Z" U2 i+ _9 j

! A, d& z4 l+ Q: ?# Y

    当使用ADC独立模式（也就是只使用一个ADC，可以使用多个通道）时，数据存放在低16位中，当使用ADC多模式时高16位存放ADC2的数据。需要注意的是ADC转换的精度是12位，而寄存器中有16个位来存放数据，所以要规定数据存放是左对齐还是右对齐。

    当使用多个通道转换数据时，会产生多个转换数据，然鹅数据寄存器只有一个，多个数据存放在一个寄存器中会覆盖数据导致ADC转换错误，所以我们经常在一个通道转换完成之后就立刻将数据取出来，方便下一个数据存放。一般开启DMA模式将转换的数据，传输在一个数组中，程序对数组读操作就可以得到转换的结果。

    注入通道转换的数据寄存器有4个，由于注入通道最多有4个，所以注入通道转换的数据都有固定的存放位置，不会跟规则寄存器那样产生数据覆盖的问题。ADC_JDRx 是 32 位的，低 16 位有效，高 16 位保留，数据同样分为左对齐和右对齐，具体是以哪一种方式存放，由ADC_CR2 的 11 位 ALIGN 设置。

) V9 y' Z! D  S  y) S3 D: S
1 m( a: l& b* M0 c3 N  U! M9 L

中断

   

    从框图中可以知道数据转换完成之后可以产生中断，有三种情况：

• 规则通道数据转换完成之后，可以产生一个中断，可以在中断函数中读取规则数据寄存器的值。这也是单通道时读取数据的一种方法。
• 注入通道数据转换完成之后，可以产生一个中断，并且也可以在中断中读取注入数据寄存器的值，达到读取数据的作用。
• 当输入的模拟量（电压）不再阈值范围内就会产生看门狗事件，就是用来监视输入的模拟量是否正常。
  
  ( \( [. g9 S  N! C0 k" U+ r( v# w1 H

    以上中断的配置都由ADC_SR寄存器决定：

- C4 s( s8 q, z9 A6 P

    当然，在转换完成之后也可以产生DMA请求，从而将转换好的数据从数据寄存器中读取到内存中。

电压转换

    要知道，转换后的数据是一个12位的二进制数，我们需要把这个二进制数代表的模拟量（电压）用数字表示出来。比如测量的电压范围是0~3.3V，转换后的二进制数是x，因为12位ADC在转换时将电压的范围大小（也就是3.3）分为4096（2^12）份，所以转换后的二进制数x代表的真实电压的计算方法就是：

• y=3.3* x / 4096
  

初始化结构体

    每个外设的核心就是其对应的初始化结构体了，ADC的初始化结构体代码如下：

1. typedef struct
   ' B- K* P% x2 y6 ^; U
2. {
   5 J" T, J: I3 Z( C, z" h# R7 F  R
3. uint32_t ADC_Mode; // ADC 工作模式选择
   
4. FunctionalState ADC_ScanConvMode; // ADC 扫描（多通道）或者单次（单通道）模式选择
   
5. FunctionalState ADC_ContinuousConvMode; // ADC 单次转换或者连续转换选择
   
6. uint32_t ADC_ExternalTrigConv; // ADC 转换触发信号选择
   
7. uint32_t ADC_DataAlign; // ADC 数据寄存器对齐格式
   & [8 I" X6 q8 p
8. uint8_t ADC_NbrOfChannel; // ADC 采集通道数
   * J/ E1 P3 z# P# ^
9. } ADC_InitTypeDef;

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    通过配置初始化结构体来设置ADC的相关信息。

单通道电压采集

    用这个程序来简单熟练一下ADC的单通道电压采集吧，程序使用了ADC1的通道11，对应的IO口是PC^1，因为博主的开发板上PC ^1引脚没有任何复用，使用中断，在中断中读取转换的电压。

头文件

    为了提高文件的可移植性，头文件中定义了一些与ADC和中断相关的量，在移植程序的时候只需要修改头文件中的定义即可。

1. #ifndef __ADC_H
   
2. #define __ADC_H
   
3. #include "stm32f10x.h"
   & k0 [+ j7 U$ N: o
4. /* 采用ADC1的通道11  引脚为PC^1 模式必须是模拟输入*/
   
5. #define ADC_GPIO_RCC     RCC_APB2Periph_GPIOC
   
6. #define ADC_GPIO_PORT    GPIOC
   ' k  Z6 A8 u0 n  g& m" u/ N
7. #define ADC_GPIO_PIN     GPIO_Pin_1
   
8. #define ADC_GPIO_MODE    GPIO_Mode_AIN  
   9 l9 k+ M: t' G
9. /* 配置与中断有关的信息 */
   3 b; t' F4 T+ E# |# P: I
10. #define ADC_IRQn         ADC1_2_IRQn
    
11. #define ADC_RCC          RCC_APB2Periph_ADC1
    
12. /* 配置ADC初始化结构体的宏定义 */
    
13. #define ADCx                          ADC1
    
14. #define ADCx_ContinuousConvMode       ENABLE                      //连续转换模式
    4 p2 Z# e9 X% O$ n- q$ M% a
15. #define ADCx_DataAlign                ADC_DataAlign_Right         //转换结果右对齐
    
16. #define ADCx_ExternalTrigConv         ADC_ExternalTrigConv_None      //不使用外部触发转换，采用软件触发
    
17. #define ADCx_Mode                     ADC_Mode_Independent        //只使用一个ADC，独立模式
    % X, X) G1 N( Q# r
18. #define ADCx_NbrOfChannel             1                          //一个转换通道
    
19. #define ADCx_ScanConvMode             DISABLE                     //禁止扫描模式，多通道时使用
    
20. /* 通道信息和采样周期 */
    + l! w( B& t( V1 ~, i4 ^) `
21. #define ADC_Channel                   ADC_Channel_11
    6 H# \$ X( K9 u9 ~; c  W0 L+ L
22. #define ADC_SampleTime                ADC_SampleTime_55Cycles5
    
23. /* 函数声明 */
    5 ]7 b4 v1 b' `
24. void ADC_COnfig(void);
    
25. void ADC_NVIC_Config(void);
    4 n% Z; N) a! d* Q5 N( C+ N1 i9 k
26. void ADC_GPIO_Config(void);
    
27. void ADCx_Init(void);
    
28. #endif  /* __ADC_H */

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, k% i3 F4 G& P% y- m5 H! U: c, ]

引脚配置函数

    首先配置相应的GPIO引脚，毕竟模拟信号是通过GPIO引脚传输到开发板的，注意的是，引脚的模式一定要是模拟输入！

1. void ADC_GPIO_Config(void)
   
2. {
   1 [( |5 Z; ?+ s8 \, W
3. GPIO_InitTypeDef   GPIO_InitStruct;
   " O) B: X8 G. u% S& x( N  f$ b
4. RCC_APB2PeriphClockCmd(ADC_GPIO_RCC,  ENABLE);
   
5. GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = ADC_GPIO_PIN ;
   ) m* n/ F5 C  A) U2 x8 k" D
6. GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = ADC_GPIO_MODE ;
   # d# K' w! H' j$ D$ C& w$ ]2 _+ _
7. GPIO_Init(ADC_GPIO_PORT , &GPIO_InitStruct);
   
8. }

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! d  ^5 i4 I$ z

    配置引脚就是老套路：声明结构体变量、开启时钟、写入结构体、初始化GPIO。

& O: w0 ?% l. Q& [3 z

NVIC配置函数

    因为我们是在转换完成后利用中断，在中断函数中读取数据，所以要首先配置中断函数的优先级，因为程序中只有这一个中断，所以优先级的配置就比较随意。

1. void ADC_NVIC_Config(void)
   # M# {" y# R" h
2. {
   
3. NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct ;
   0 w6 t3 h1 `+ D: r9 _. m
4. /* 配置中断优先级分组(设置抢占优先级和子优先级的分配)，在函数在misc.c */
   * l$ [* ]. J/ K7 x! O% i. I5 i
5. NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1) ;
   
6. /* 配置初始化结构体 在misc.h中 */
   , a/ C8 h: ?7 U+ |# Y. z
7. /* 配置中断源 在stm32f10x.h中 */
   
8. NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = ADC_IRQn ;
   
9. /* 配置抢占优先级 */
   + J# v0 E8 e# o% j; L+ N
10. NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1 ;
    * Q# {; z% i  x) v( D0 ~
11. /* 配置子优先级 */
    
12. NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1 ;
    , k3 P: ]5 D& o6 ]7 k2 ^
13. /* 使能中断通道 */
    6 ?/ L& G+ f7 U
14. NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE ;
    
15. /* 调用初始化函数 */
    + u* g3 ~8 K2 K; U7 C
16. NVIC_Init(&NVIC_InitStruct) ;
    , }( \) N2 c0 Y- J6 {2 H5 M
17. }

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, Z) R' `( K7 b/ s- X' a8 k! [$ i  U

ADC配置函数

    ADC的配置函数是ADC的精髓，在这个函数中包含的内容有：ADC的初始化结构体配置、配置了时钟分频、配置了通道转换顺序、打开转换中断、进行校准、软件触发ADC采集等。

    函数中都有详细的注释：

1. void ADC_COnfig(void)
   
2. {
   
3.   ADC_InitTypeDef  ADC_InitStruct;
   6 R3 v& B$ F) ^
4.   RCC_APB2PeriphClockCmd(ADC_RCC,  ENABLE);
   
5.   /* 配置初始化结构体，详情见头文件 */
   $ D/ X* ^. l% E. `3 s0 y
6.   ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = ADCx_ContinuousConvMode  ;
   
7.   ADC_InitStruct.ADC_DataAlign = ADCx_DataAlign ;
   
8.   ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADCx_ExternalTrigConv ;
   
9.   ADC_InitStruct.ADC_Mode = ADCx_Mode ;
   ( q& i4 T  b9 d6 d
10.   ADC_InitStruct.ADC_NbrOfChannel = ADCx_NbrOfChannel ;
    
11.   ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode = ADCx_ScanConvMode ;
    ; T3 }$ g0 e9 Z6 }
12.   ADC_Init(ADCx, &ADC_InitStruct);
    
13.   /* 配置ADC时钟为8分频，即9M */
    ; p9 }0 s( l. U; D( j) I, ?3 G
14.   RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div8);
    
15.   /* 配置ADC通道转换顺序和时间 */
    
16.   ADC_RegularChannelConfig(ADCx, ADC_Channel, 1, ADC_SampleTime );
    
17.   /* 配置为转换结束后产生中断 在中断中读取信息 */
    2 \8 \; H5 ]4 O* M
18.   ADC_ITConfig(ADCx, ADC_IT_EOC,ENABLE);
    ) j  b$ E( n8 g: |% {$ A: P* }
19.   /* 开启ADC，进行转换 */
    
20.   ADC_Cmd(ADCx, ENABLE );
    ) M, p2 S" h3 k. L" {2 U
21.   /* 重置ADC校准 */
    & |( @* d( d+ Y, K
22.   ADC_ResetCalibration(ADCx);
    
23.   /* 等待初始化完成 */
    - k$ G7 L: f2 U+ j$ m- q
24.   while(ADC_GetResetCalibrationStatus( ADCx))
    7 j# h. }: I/ d+ R
25.     /* 开始校准 */
    6 }1 E9 N/ V6 O& }
26.     ADC_StartCalibration(ADCx);
    
27.   /* 等待校准完成 */
    
28.   while (ADC_GetCalibrationStatus(ADCx));
    . b3 Z+ J& y6 ?  {6 {( y
29.   /* 软件触发ADC转换 */
    
30.   ADC_SoftwareStartConvCmd(ADCx, ENABLE);
    # M' W% J1 ?2 E1 g1 _" {
31. }

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/ Y2 X/ d$ S; j2 p1 x6 b# V7 w

中断函数

    在中断函数中进行读取数据，将数据存放在变量result中，此处使用关键字extern声明，代表变量result已经在其他文件中定义，关

于extern的介绍在之前发的文章中有extern关键字的介绍。

1. extern uint16_t resurt;
   + ^% G8 j+ Q: J4 v3 S( f% _( Q! [
2. void ADC1_2_IRQHandler(void)
   
3. {
   
4.     /* 判断产生中断请求 */
   
5.   while(ADC_GetITStatus(ADCx, ADC_IT_EOC) == SET)
   # C+ d# M! _0 _7 e, E
6.     resurt=ADC_GetConversionValue(ADCx);
   
7.   /* 清除中断标志 */
   
8.   ADC_ClearITPendingBit(ADCx, ADC_IT_EOC);
   
9. }

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# K' c" [% ~! _* F  G7 @/ v

主函数

    主函数负责接收转换的值，并将其转换为电压值，然后通过串口打印在计算机上，便于调试。

    变量result是主函数中的全局变量，注意最后的结果应该转换为浮点型。

1. #include "stm32f10x.h"
   - }$ }  B. K+ d: N
2. #include "usart.h"
   
3. #include "adc.h"
   7 }% F/ @9 X8 u, p% V  D
4. uint16_t result;
   ; l8 D! g$ M  X
5. void delay(void)
   
6. {
   
7.   uint16_t k=0xffff;
   ! u7 C1 V+ P+ P; j$ p' [
8.   while(k--);
   # \# Y- p! m* p3 E" }
9. }
   : z* w- f! r4 W- E" ^4 O: J1 C
10. int main(void)
    9 p. M. p$ c6 W" _1 x+ G% i) i
11. {
    
12.   float voltage;
    & W; A) Y! B  I5 @$ H
13.   /* 串口调试函数 */
    
14.   DEBUG_USART_Config();
    
15.   /* 与ADC相关的函数打包在此函数中 */
    
16.   ADCx_Init();
    
17.   while(1)
    
18.   {
    
19.       /* 强制转换为浮点型 */
    
20.     voltage = (float) result/4096*3.3;
    
21.     printf("\n电压值为：%f\n",voltage);
    
22.     delay();
    
23.   }
    
24. }

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" M/ X5 G; X4 [' H, ]' r& P$ C/ E
" `; ~% H' r# N/ O