Аналоговые входы ESP32: особенности, подводные камни и калибровка

ADC (Analog-to-Digital Converter) в ESP32 позволяет считывать аналоговые сигналы (напряжение) и переводить их в цифровые значения. Это основа для работы с потенциометрами, фоторезисторами, датчиками напряжения аккумулятора и др.

Особенности АЦП ESP32

• Количество каналов: до 18 входов (ADC1 и ADC2). Часть входов (ADC2) недоступна при активном Wi-Fi/BT, т.к. блок разделяется с радиомодулем.
• Разрядность: 12 бит (диапазон отсчётов 0…4095).
• Диапазон напряжений: обычно 0…3,3 В (зависит от выбранной аттенюации). Типовая аттенюация ADC_11db позволяет измерять до ≈3,6 В (рекомендуется придерживаться 3,3 В).

Таблица пинов ADC (ESP32)

Примечание: пины ADC2 недоступны при включённом Wi-Fi/BT. Пины GPIO34…GPIO39 — только вход, без внутренних подтяжек.

Итог: для стабильных измерений при активном Wi-Fi/BT используйте каналы ADC1 (GPIO32…GPIO39).

Пример программы (базовое чтение)

// Пример: чтение с ADC1 GPIO34 (только вход)
#include <Arduino.h>

const int adcPin = 34; // ADC1_CH6

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  // Настройка ширины и аттенюации (опционально для Arduino-ESP32 core)
  analogReadResolution(12);                 // 0..4095
  analogSetPinAttenuation(adcPin, ADC_11db); // до ≈3.6 В (реалистично 3.3 В)
}

void loop() {
  int raw = analogRead(adcPin);
  // Грубая оценка напряжения (без калибровки):
  float v = (float)raw / 4095.0f * 3.30f; // если питание 3.3 В
  Serial.printf("RAW=%d  V=%.3f V\n", raw, v);
  delay(250);
}
  

Настройка ADC: analogReadResolution и analogSetPinAttenuation

Для более гибкой работы с АЦП в ESP32 можно использовать дополнительные функции настройки:

analogReadResolution()

Эта функция позволяет задать разрядность результата преобразования. По умолчанию ESP32 работает с 12 бит (значения от 0 до 4095). В некоторых случаях можно уменьшить точность для ускорения обработки или упрощения вычислений.

• analogReadResolution(9) → диапазон 0–511.
• analogReadResolution(10) → диапазон 0–1023.
• analogReadResolution(11) → диапазон 0–2047.
• analogReadResolution(12) → диапазон 0–4095 (рекомендуется).

analogSetPinAttenuation()

Эта функция позволяет изменять аттенюацию (ослабление сигнала), чтобы адаптировать входной диапазон напряжений для конкретного пина. По умолчанию ESP32 измеряет напряжение примерно в пределах 0–1.1 В, но диапазон можно расширить.

• ADC_0db → диапазон 0–1.1 В (по умолчанию, наибольшая точность).
• ADC_2_5db → диапазон 0–1.5 В.
• ADC_6db → диапазон 0–2.2 В.
• ADC_11db → диапазон 0–3.3 В (для работы с полным диапазоном питания).

Пример кода

#include <Arduino.h>

void setup() {
  Serial.begin(115200);

  // Устанавливаем разрядность 12 бит (0–4095)
  analogReadResolution(12);

  // Расширяем диапазон измерения пина 34 до 3.3 В
  analogSetPinAttenuation(34, ADC_11db);
}

void loop() {
  int val = analogRead(34);
  Serial.println(val);
  delay(500);
}

Таким образом можно настроить точность и диапазон измерения для каждого аналогового входа ESP32 отдельно.

Пример программы с программным фильтром сигнала

Для подавления шума применим скользящее среднее и медианный фильтр.

#include <Arduino.h>

const int adcPin = 34;         // ADC1_CH6
const int N = 15;              // размер окна усреднения
int buf[N];
int idx = 0;
bool filled = false;

int median3(int a, int b, int c) { // медиана из 3
  if ((a <= b && b <= c) || (c <= b && b <= a)) return b;
  if ((b <= a && a <= c) || (c <= a && a <= b)) return a;
  return c;
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  analogReadResolution(12);
  analogSetPinAttenuation(adcPin, ADC_11db);
}

void loop() {
  // Медиана по 3 мгновенным отсчётам
  int r1 = analogRead(adcPin);
  int r2 = analogRead(adcPin);
  int r3 = analogRead(adcPin);
  int med = median3(r1, r2, r3);

  // Скользящее среднее
  buf[idx] = med;
  idx = (idx + 1) % N;
  if (idx == 0) filled = true;

  long sum = 0;
  int count = filled ? N : idx;
  for (int i = 0; i < count; i++) sum += buf[i];
  int avg = (int)(sum / max(1, count));

  float v = (float)avg / 4095.0f * 3.30f;
  Serial.printf("RAW_med=%d   AVG=%d   V=%.3f V\n", med, avg, v);
  delay(50);
}
  

Подводные камни ESP32 ADC

• Нелинейность: реальное напряжение часто не совпадает с идеальной прямой преобразования, особенно на краях диапазона или при разных аттенюациях.
• Влияние Wi-Fi: активный Wi-Fi/BT делает ADC2 недоступным и добавляет помехи. Для стабильных измерений используйте ADC1.
• Разные характеристики ADC1/ADC2: шум, чувствительность и доступность отличаются. Рекомендация: для ответственных измерений — только ADC1.

Калибровка и улучшение точности

Калибровка через esp_adc_cal

Для учёта нелинейности и реального опорного напряжения используйте API esp_adc_cal (работает и из Arduino-ядра).

// Калиброванное измерение в мВ с esp_adc_cal
#include <Arduino.h>
#include "esp_adc_cal.h"
#include "driver/adc.h"

#define ADC_CHANNEL   ADC1_CHANNEL_6   // GPIO34
#define ADC_UNIT      ADC_UNIT_1
#define ADC_ATTEN     ADC_ATTEN_DB_11  // до ~3.6 В
#define ADC_WIDTH     ADC_WIDTH_BIT_12

esp_adc_cal_characteristics_t adc_chars;

void setup() {
  Serial.begin(115200);

  // Настройка ширины/аттенюации низкоуровневым API
  adc1_config_width(ADC_WIDTH);
  adc1_config_channel_atten(ADC_CHANNEL, ADC_ATTEN);

  // Характеризация (калибровка): eFuse -> Two Point/ Vref / Default
  esp_adc_cal_value_t cal = esp_adc_cal_characterize(
      ADC_UNIT, ADC_ATTEN, ADC_WIDTH, 1100, &adc_chars); // 1100 мВ дефолтный Vref

  Serial.printf("Calibration source: %d (0:TwoPoint 1:eFuseVref 2:Default)\n", cal);
}

void loop() {
  uint32_t raw = adc1_get_raw(ADC_CHANNEL);
  uint32_t mv  = esp_adc_cal_raw_to_voltage(raw, &adc_chars); // в мВ
  Serial.printf("RAW=%lu  V=%lu mV\n", raw, mv);
  delay(200);
}
  

Как отключать/включать ADC для экономичности

Если АЦП используется редко, его можно выключать для экономии энергии. Это особенно заметно в проектах на батарее.

#include "driver/adc.h"

void adcPowerSaveExample() {
  // Выключить блок АЦП
  adc_power_off();      // отключает питание ADC (оба блока)
  // ... выполнить другие действия/сон ...
  adc_power_on();       // включить обратно перед чтением
}
  

Советы: отключайте Wi-Fi/BT на время критических измерений; делайте серию быстрых чтений (burst) и усредняйте; подбирайте аттенюацию ADC_0db/2_5db/6db/11db под ваш диапазон.

Выводы

• Для бытовых задач (потенциометр, LDR, мониторинг батареи с делителем) — ADC1 с фильтрацией и калибровкой даёт достаточную точность.
• При активном Wi-Fi/BT используйте только ADC1 и уменьшайте помехи (экранирование, фильтры, усреднение).
• Для задач, где важны высокая точность, повторяемость и линейность (прецизионные датчики), целесообразно применить внешний АЦП с опорным источником (MCP3201/ADS1115/ADS1015 и т.п.).