STM32 片上温度传感器与 VREFINT 校准：从原理到实战

一、为什么需要片上温度传感器与 VREFINT？

在许多嵌入式应用中，温度监测是刚需。虽然外部传感器（如 DS18B20、NTC）精度高，但成本、布线和体积都是问题。STM32 内部集成了温度传感器和 VREFINT（内部参考电压），只需一个 ADC 即可同时测量芯片温度和供电电压，非常适合做过热保护、环境温度粗测等场景。

但片上温度传感器有一个痛点：其输出受供电电压影响。如果 VDD 不稳定，直接读取的 ADC 值会偏离真实温度。而 VREFINT 是一个固定的内部基准（典型值 1.2V），通过它我们可以反推出当前 VDD 的实际值，进而校准温度读数。这就是 VREFINT 校准的核心价值。

二、原理剖析：ADC 采样与温度换算

2.1 片上温度传感器

STM32 的温度传感器通过 ADC 的特定通道（如 STM32F1 的通道 16，F4 的通道 18）输出模拟电压，该电压与温度近似线性关系。数据手册给出典型公式：

Temperature (°C) = (V_sense - V_25) / Avg_Slope + 25

其中：

V_25：25°C 时的典型电压（如 1.43V）
Avg_Slope：温度系数（mV/°C，如 4.3 mV/°C）

注意：这些参数因芯片型号而异，务必查阅对应数据手册。

2.2 VREFINT 校准原理

ADC 转换结果是一个数字量，与输入电压和参考电压的关系为：

ADC_Value = (V_input / V_REF) * 4095   (12位ADC)

如果 V_REF 就是 VDD，那么当 VDD 波动时，同样的 V_input 会得到不同的 ADC_Value。而 VREFINT 的电压是固定的（约 1.2V），因此我们可以通过测量 VREFINT 通道的 ADC 值来反推 VDD：

VDD = (VREFINT_Cal / ADC_VREFINT) * 1.2V

其中 VREFINT_Cal 是工厂在 3.3V 下校准的 VREFINT ADC 值（通常存放在系统存储区）。然后，用这个 VDD 作为实际参考电压，重新计算温度传感器的电压：

V_sense = (ADC_Temp / 4095) * VDD

这样，即使 VDD 漂移，也能得到准确的 V_sense，从而正确换算温度。

三、硬件与软件准备

硬件：任意 STM32 开发板（本文以 STM32F103 为例）
软件：STM32CubeMX + HAL 库（或标准外设库）
无需外部元件，直接使用内部资源

四、配置步骤（以 STM32CubeMX 为例）

打开 STM32CubeMX，选择芯片型号，配置时钟（如 HSI 8MHz）。
在 Analog 选项卡中，启用 ADC1，将 IN16（温度传感器）和 IN17（VREFINT）均设为 Enabled。
在 ADC 配置中，设置采样时间为最大（如 239.5 cycles），以提高精度。
生成代码，工程会自动添加 ADC 初始化函数。

五、完整代码示例

以下代码基于 HAL 库，实现读取温度传感器和 VREFINT，并输出校准后的温度值。

#include "main.h"
#include <stdio.h>

ADC_HandleTypeDef hadc1;

// 从系统存储区读取 VREFINT 校准值（STM32F1 系列）
#define VREFINT_CAL_ADDR   ((uint16_t*)0x1FFFF7BA)  // 注意：不同型号地址不同

float read_temperature(void)
{
    uint16_t adc_temp, adc_vrefint;
    float vdd, v_sense, temperature;
    uint16_t vrefint_cal = *VREFINT_CAL_ADDR;

    // 读取温度传感器通道
    ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
    sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_16;
    sConfig.Rank = 1;
    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_239CYCLES_5;
    HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100);
    adc_temp = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    HAL_ADC_Stop(&hadc1);

    // 读取 VREFINT 通道
    sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_17;
    HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100);
    adc_vrefint = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    HAL_ADC_Stop(&hadc1);

    // 计算实际 VDD（假设 VREFINT 典型值为 1.2V）
    vdd = (vrefint_cal / (float)adc_vrefint) * 1.2f;

    // 计算温度传感器电压
    v_sense = (adc_temp / 4095.0f) * vdd;

    // 温度换算（以 STM32F103 为例：V_25=1.43V, Avg_Slope=4.3mV/°C）
    temperature = (v_sense - 1.43f) / 0.0043f + 25.0f;

    return temperature;
}

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_ADC1_Init();

    while (1)
    {
        float temp = read_temperature();
        printf("Temperature: %.2f °C\n", temp);
        HAL_Delay(1000);
    }
}

六、注意事项与优化技巧

校准地址：不同 STM32 系列的 VREFINT 校准值地址不同，务必查阅参考手册。例如 F0 系列在 0x1FFFF7BA，F4 系列在 0x1FFF7A2A。
采样时间：温度传感器输出阻抗较高，建议使用最大采样时间，否则读数会偏小。
连续转换：如果频繁读取，可以开启 ADC 连续转换模式，减少启动开销。
滤波：温度变化缓慢，可对多次采样取平均，或使用滑动滤波，以降低噪声。
误差来源：VREFINT 典型值 1.2V 有 ±5% 误差，若需更高精度，可读取芯片出厂校准的 VREFINT 电压值（部分型号提供）。
功耗：温度传感器和 VREFINT 在读取前需使能，读取后可关闭以省电（通过 ADC 控制寄存器）。

七、总结

通过 VREFINT 校准，我们可以在不增加硬件成本的情况下，显著提升 STM32 片上温度传感器的精度，使其在电源波动环境下依然可靠。本文的代码可直接移植到大部分 STM32 系列，只需调整通道号和校准参数。掌握这一技巧，你的嵌入式项目将多一个实用的“免费”传感器。