4-20ma液位传感器在工业自动化和日常应用中非常常见，例如水位监测、液体储罐管理等。本文将结合STM32 HAL库，带你实现一个简单的液位监测demo，从电路设计到代码实现，实现通过单通道ADC采集4-20ma液位传感器的信号，并通过串口将采集到的液位百分比打印输出。具体流程包括：通过分压电阻将获得4-20ma液位传感器的分压电压，再利用运算放大器LM2904对信号进行放大，随后将信号输入STM32的ADC2模块读取通道6（对应引脚PA6）。最终，处理后的液位百分比数据通过串口1发送至串口助手进行实时显示。

目录

 一、开发环境

二、4-20ma投入液压式液位传感器

1.设计思路

2.电阻分压与增益计算：

2.1基本公式与定义

2.2不接传感器（开路）时的电压计算

2.3液位百分比为0%的换算

2.4液位百分比为 22%的换算

五、代码实现与部署

六、运行结果

1.液位百分比为0%的测试验证

2.液位百分比为 22%的测试验证

七、注意事项

八、总结

 一、开发环境

硬件：自己搭建采样电路

单片机：STM32F407ZGT6

Keil版本：5.32

STM32CubeMX版本：6.9.2

STM32Cube MCU Packges版本：STM32F4 V1.27.1

二、4-20ma投入液压式液位传感器

三、硬件电路

1.设计思路

4-20ma投入液压式液位变送器里面的压阻式压力传感器，经分压电路生成电压信号，信号经LM2904放大后输入MCU的ADC口。对于单片机来说，只能知道ADC引脚口的电压，知道电压再反推液位传感器的电流，再通过查4-20ma与液位曲线表来确定此时的液位高度百分比。

LM2904内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器。不经过LM2904运算放大器直接输入STM32的ADC可能会导致信号幅度不足、信号质量下降、ADC输入阻抗不匹配以及系统稳定性和可靠性降低等问题。因此，在大多数情况下，建议使用运算放大器LM2904来放大和调理传感器信号，以确保输入到ADC的信号具有足够的幅度、清晰度和稳定性。

2.电阻分压与增益计算：

  四、配置STM32CubeMX

1. 启动STM32CubeMX，新建STM32CubeMX项目：​
2. 选择MCU：在软件中选择你的STM32型号-STM32F407ZGT6。​

3. 选择时钟源：

4. 配置时钟：
5. ​使能Debug功能：Serial Wire
6. ​HAL库时基选择：SysTick
7. USART1配置：选择异步模式。

8. 开启外部时钟：配置系统时钟，确保ADC和串口的外部时钟已开启。

9. 配置ADC：

1）选择ADC2作为采集模块。

2）设置AD2的通道6（对应引脚PA6）为采集通道。

3）配置采样时间和分辨率。通常，采样时间越长，ADC的转换精度越高，但也会增加转换时间。

4）禁用扫描模式，因为我们只采集一个通道。

10.配置工程参数：在Project标签页中，配置项目名称和位置，选择工具链MDK-ARM。​ 11.生成代码：在Code Generator标签页中，配置工程外设文件与HAL库，勾选头文件.c和.h文件分开，然后点击Project > Generate Code生成代码。 

五、代码实现与部署

1.  main.c增加代码：main.c的第1行添加printf的头文件#include<stdio.h>，在 while（1）里增加数行代码。​​​​​ADC电压换算时用到公式：待测电压=(ADC的返回值/4095​)∗3.3V​.具体参考附件的完整代码。

   /* USER CODE BEGIN 0 */
   uint16_t adc_value = 0;  
   float adc_voltage_value = 0;  
   float input_voltage_value = 0;  
   char buffer[30];  
   
   #define R_0K150    150			//分压电阻值150
   #define R_4K99    4990			//分压电阻值4.99K
   #define R_6K80    6800			//分压电阻值6.80K  
   #define R_10K0   	10000			//并联电阻值10.0K
   #define   SENSOR_VDD			5303		//分压输入源
   
   
   float  Rzfl=148.67;		//总电阻值		R74和R69、R75并联后的总电阻记为Rzfl
   float V1;   //R74的分压电压
   float Ifl;   //液位传感器的电流
   float percent; 
   /* USER CODE END 0 */
   
   /**
     * @brief  The application entry point.
     * @retval int
     */
   int main(void)
   {
     /* USER CODE BEGIN 1 */
   
     /* USER CODE END 1 */
   
     /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
   
     /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
     HAL_Init();
   
     /* USER CODE BEGIN Init */
   
     /* USER CODE END Init */
   
     /* Configure the system clock */
     SystemClock_Config();
   
     /* USER CODE BEGIN SysInit */
   
     /* USER CODE END SysInit */
   
     /* Initialize all configured peripherals */
     MX_GPIO_Init();
     MX_USART1_UART_Init();
     MX_ADC1_Init();
     MX_ADC3_Init();
     MX_ADC2_Init();
     /* USER CODE BEGIN 2 */
   
     /* USER CODE END 2 */
   
     /* Infinite loop */
     /* USER CODE BEGIN WHILE */
     while (1)
     {
       /* USER CODE END WHILE */
   
       /* USER CODE BEGIN 3 */
   		
   		HAL_ADC_Start(&hadc2); // 启动ADC采集  
     
   		// 轮询ADC转换状态  
   		if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc2, HAL_MAX_DELAY) == HAL_OK)  
   		{  
   				adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc2); // 获取转换后的数字值  
   				adc_voltage_value = adc_value*1000/ 4095.0f* 3.3; // 获取转换后的adc电压值mv  
   			  V1  = adc_voltage_value /0.68f;   //R74的分压电压
   			  Ifl=V1/R_0K150+(SENSOR_VDD-V1)/(R_6K80+R_10K0)-(SENSOR_VDD-V1)/R_4K99;
   			
   				// 将液位百分比格式化为字符串  
   				percent=(Ifl-4)/16*100;
   
   			sprintf(buffer, "percent: %.1f%%\r\n",percent);  
   				// 发送液位百分比到串口  
   				printf("%s",buffer);  
   		}  
   
   		HAL_Delay(500); // 添加延时  
       }  
     
     /* USER CODE END 3 */
   }

2.  usart.c增加代码：usart.c的第1行添加头文件#include <stdio.h>
   #include <string.h>，在末尾用户代码区增加如下代码。printf调用“fputc()”,fgetc()，该函数会使用HAL_UART_Transmit发送数据。

   /*
   * 添加如下代码，可不在工程设置中勾选Use MicroLIB
   */
   #pragma import(__use_no_semihosting)
   
   struct __FILE
   {
   	int a;
   };
   
   FILE __stdout;
   FILE __stdin;
   
   void _sys_exit(int x)
   {
   }
   
   
   /*****************************************************
   *function: 写字符文件函数
   *param1: 输出的字符
   *param2: 文件指针
   *return: 输出字符的ASCII码
   ******************************************************/
   int fputc(int ch, FILE *f)
   {
   	HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)&ch, 1, 10);
   	return ch;
   }
   /*****************************************************
   *function: 读字符文件函数
   *param1: 文件指针
   *return: 读取字符的ASCII码
   ******************************************************/
   int fgetc(FILE *f)
   {
   	uint8_t ch = 0;
   	HAL_UART_Receive(&huart1, (uint8_t*)&ch, 1, 10);
   	return (int)ch;
   }

3. 连接USART1：用USB转TTL工具连接当前硬件USART1的PA9、PA10，GND。​​
4. 打开串口助手：​​
5. 编译代码：Keil编译生成的代码。

6. 烧录程序：将编译好的程序用ST-LINK烧录到STM32微控制器中。

六、运行结果

1.液位百分比为0%的测试验证

 如果用液位传感器在液位百分比为0%下测试时，此时的电流约4.1ma,ADC口的电压484mv。与上面电阻分压与增益计算和实际温度接近。

2.液位百分比为 22%的测试验证

如果用液位传感器在液位百分比为 22%下测试时，此时的电流约7.61ma，ADC口的电压834mv，与上面电阻分压与增益计算和实际温度接近。

七、注意事项

1.确保你的开发环境和工具已经正确安装和配置。

2.确保自己搭建采样电路连接没错，检查传感器连接和电源是否正确，从信号源到单片机引脚检查信号是否争取，接到相应的ADC口。

3.如果没有打印液位百分比值，尝试仿真。

八、总结

通过本文的实践，我们成功实现了基于STM32F407的HAL库进行4-20ma液位传感器信号采集与处理的完整流程。从电路设计到运算放大器LM2904的应用，再到STM32 ADC模块的配置与串口数据传输。如果觉得有帮助，请点赞、收藏并分享！想了解更多技术细节？欢迎在评论区讨论！