模拟传感器读取

概述

本节介绍使用模拟液位传感器（如电位器式浮球液位计、压力传感器、电容式传感器等）替代超声波传感器的方案。学习完成后，您将能够：

理解 ESP32 的 ADC 功能和模拟传感器接口
实现模拟传感器读取和校准
根据不同液位传感器类型选择合适的方案
对比数字传感器和模拟传感器的优劣

ESP32 ADC Overview

ESP32 内置两个 12 位 SAR ADC 模块：

参数	规格
分辨率	12 位 (0-4095)
输入电压	0 - 3.3V
采样率	最高 200ksps (单通道)
可用通道	ADC1: 8 通道 (GPIO 32-39)
	ADC2: 10 通道 (共用 Wi-Fi)
衰减配置	0dB, 2.5dB, 6dB, 11dB

⚠️ 注意: ADC2 在与 Wi-Fi 共用时会降低精度。推荐始终使用 ADC1 (GPIO 32-39) 读取模拟传感器。

Analog Level Sensor Options

传感器类型	原理	输出信号	精度	适用场景	成本
电位器浮球	浮球带动电位器	0-3.3V	±5%	清水/非腐蚀液体	$
压力传感器	液体压力 → 电压	0.5-4.5V	±1%	密闭容器底部	$$
电容式	液位 → 电容 → 电压	I2C/模拟	±2%	腐蚀性液体/泡沫	$$$
电阻式探针	液体导电率	0-3.3V	±10%	导电液体	$

电位器浮球传感器接线

                  3.3V
                    │
                   ┌┴┐
                   │R│ 10kΩ 电位器 (可选)
                   └┬┘
                    │
          ┌─────────┼─────────┐
          │         │         │
        ┌─┴─┐    ┌──┴──┐     │
        │VCC│    │ OUT │    GND
        │   │    │     │     │
        │浮球│    └──┬──┘     │
        │   │       │        │
        └───┘       │        │
                    │        │
              GPIO 34       GND
              (ADC1_CH6)

ADC Reading Implementation

// 模拟传感器读取
#define LEVEL_SENSOR_PIN  34   // ADC1_CH6 (GPIO 34)

void setupADC() {
    // 配置 ADC 衰减 (扩大输入范围)
    // ADC_ATTEN_DB_0:   0 - 1.1V   (100mV 分辨率)
    // ADC_ATTEN_DB_2_5: 0 - 1.5V
    // ADC_ATTEN_DB_6:   0 - 2.2V
    // ADC_ATTEN_DB_11:  0 - 3.3V (推荐)
    analogReadResolution(12);  // 12 位精度
    analogSetAttenuation(ADC_ATTEN_DB_11);  // 0-3.3V
}

// 读取模拟液位传感器
// 返回值: 0-4095 (原始 ADC 值)
int readAnalogLevel() {
    int rawValue = analogRead(LEVEL_SENSOR_PIN);
    return rawValue;
}

// 转换为电压值 (mV)
float rawToVoltage(int rawValue) {
    return rawValue * (3300.0 / 4095.0);
}

// 转换为液位百分比 (需校准)
// rawEmpty: 空容器时的 ADC 值
// rawFull: 满容器时的 ADC 值
int rawToLevelPercent(int rawValue, int rawEmpty, int rawFull) {
    if (rawValue <= rawEmpty) return 0;
    if (rawValue >= rawFull) return 100;

    int level = ((rawValue - rawEmpty) * 100) / (rawFull - rawEmpty);
    return constrain(level, 0, 100);
}

Calibration Procedure

// 校准流程 (通常只需首次执行)
struct CalibrationData {
    int rawEmpty;    // 空容器 ADC 值
    int rawFull;     // 满容器 ADC 值
    int sampleCount; // 采样次数
};

CalibrationData cal = {0, 0, 50};

// 校准函数
CalibrationData calibrateSensor(int pin) {
    CalibrationData result;

    Serial.println("=== Calibration: Empty container ===");
    Serial.println("Please ensure container is EMPTY, then press any key");
    while (!Serial.available());  // 等待用户确认
    Serial.read();

    // 采样空容器值
    long emptyTotal = 0;
    for (int i = 0; i < result.sampleCount; i++) {
        emptyTotal += analogRead(pin);
        delay(20);
    }
    result.rawEmpty = emptyTotal / result.sampleCount;
    Serial.printf("Empty value: %d\n", result.rawEmpty);

    // === 满容器校准 ===
    Serial.println("=== Calibration: Full container ===");
    Serial.println("Please fill container to FULL, then press any key");
    while (!Serial.available());
    Serial.read();

    long fullTotal = 0;
    for (int i = 0; i < result.sampleCount; i++) {
        fullTotal += analogRead(pin);
        delay(20);
    }
    result.rawFull = fullTotal / result.sampleCount;
    Serial.printf("Full value: %d\n", result.rawFull);

    Serial.println("Calibration complete!");
    return result;
}

Noise Filtering

// 移动平均滤波
const int FILTER_SIZE = 10;
int filterBuffer[FILTER_SIZE];
int filterIndex = 0;

void initFilter() {
    for (int i = 0; i < FILTER_SIZE; i++) {
        filterBuffer[i] = 0;
    }
}

int movingAverageFilter(int newValue) {
    filterBuffer[filterIndex] = newValue;
    filterIndex = (filterIndex + 1) % FILTER_SIZE;

    long sum = 0;
    for (int i = 0; i < FILTER_SIZE; i++) {
        sum += filterBuffer[i];
    }
    return sum / FILTER_SIZE;
}

// 使用示例
int rawValue = analogRead(LEVEL_SENSOR_PIN);
int filteredValue = movingAverageFilter(rawValue);
int levelPercent = rawToLevelPercent(filteredValue, cal.rawEmpty, cal.rawFull);

ESP32 Integration

void handleGetData() {
    // 读取模拟传感器
    int rawValue = analogRead(LEVEL_SENSOR_PIN);
    int filteredValue = movingAverageFilter(rawValue);
    float voltage = rawToVoltage(filteredValue);

    // 转换为液位百分比
    int levelPercent = rawToLevelPercent(filteredValue,
                                         cal.rawEmpty, cal.rawFull);

    Serial.printf("ADC: %d, Voltage: %.2fV, Level: %d%%\n",
                  filteredValue, voltage / 1000, levelPercent);

    // 发送到 Node-RED
    String payload = "{\"sensor_type\":\"analog\"," +
                     String("\"adc_value\":") + String(filteredValue) +
                     ",\"voltage\":" + String(voltage / 1000, 2) +
                     ",\"level\":" + String(levelPercent) +
                     ",\"state\":\"get_data\"}";

    client.publish("esp32/dosing/info", payload.c_str());
    currentState = STATE_WAIT;
}

Analog vs Digital Comparison

对比维度	模拟传感器 (ADC)	超声波传感器 (GPIO)
成本	$1-5	$2-3
精度	±5-10% (受 ADC 噪声影响)	±3mm
抗干扰	易受电源噪声影响	受泡沫/粉尘影响
安装要求	需接触液体	非接触式
维护	定期校准	清洁传感器表面
防腐蚀	需选用耐腐蚀材料	不需要接触液体
多路扩展	占用 ADC 通道 (有限)	占用普通 GPIO (较多)

Common Customer Questions

Q1: ESP32 ADC 精度不足怎么办？

ESP32 ADC 线性度约 ±2%，可通过以下方式改善：

使用外部 ADC 模块（如 ADS1115, 16 位 I2C）
软件校准（多点校准 + 插值）
电源增加 LC 滤波

// 外部 ADS1115 ADC (I2C)
#include <Adafruit_ADS1X15.h>
Adafruit_ADS1115 ads;

void setup() {
    ads.setGain(GAIN_ONE);  // ±4.096V
    ads.begin(0x48);
}

int readADS1115() {
    int16_t value = ads.readADC_SingleEnded(0);
    // 15 位分辨率 (0-32767)
    float voltage = ads.computeVolts(value);
    return map(value, 0, 32767, 0, 4095);  // 映射到 12 位兼容
}

Q2: 模拟传感器需要定期校准吗？

建议每 3-6 个月或更换液体后重新校准。可以在 Node-RED 中实现远程校准：

// Node-RED Function: 远程校准命令
msg.topic = "esp32/dosing/command";
msg.payload = "calibrate_empty";  // 或 "calibrate_full"
return msg;

最佳实践

✅ 推荐做法:

始终使用 ADC1 (GPIO 32-39) 避免 Wi-Fi 干扰
开启 11dB 衰减以覆盖 0-3.3V 输入范围
使用移动平均滤波（10 次采样）
定期校准补偿传感器漂移
电源增加 100nF + 10μF 去耦电容

❌ 避免做法:

长距离 (>30cm) 传输模拟信号无屏蔽
ADC2 与 Wi-Fi 同时使用
忽略 ADC 输入管脚的 RC 滤波
单次采样即作为最终结果

Summary

ESP32 ADC: 12 位分辨率, 0-3.3V 输入, 推荐 ADC1 (GPIO 32-39)
传感器类型: 浮球/压力/电容式液位传感器
校准: 空/满容器两点校准 + 软件插值
滤波: 移动平均减少 ADC 噪声
外部 ADC: ADS1115 提供 16 位精度