1. 为什么我要放弃库仑计，改用VREFINT
搞嵌入式电池供电项目的人，迟早会撞上一个绕不开的问题：怎么知道电池还剩多少电。我最早做手持设备的时候，第一反应就是上库仑计，比如TI的BQ系列或者MAXIM的燃料计芯片。贵，是真的贵，一颗芯片比主控还烧钱，而且外围还得配采样电阻，PCB面积也上去了。后来换了个思路，用STM32自带的ADC去测电池分压，结果发现读数飘得厉害，满电和快没电的时候电压差只有零点几伏，ADC参考电压本身又跟着VDD一起抖，测出来的值根本没法看。
直到我把STM32参考手册翻到VREFINT那一章，才意识到芯片内部藏了一个现成的“标尺”。VREFINT是内部参考电压，出厂时校准过，典型值1.20V左右，关键是它不随VDD变化。用它反推VDD，再用VDD去修正电池ADC读数，整个测量链路就稳了。这套方案不需要任何额外芯片，成本几乎为零，精度做下来在手持设备上完全够用。
这篇文章适合谁看？如果你正在做STM32的电池供电项目，手头没有库仑计，又想让电量显示别那么“玄学”，那这套方法可以直接抄。我会把原理、代码、踩过的坑全部摊开讲，代码基于STM32F1系列，但F0、F3、F4、G0、G4这些带VREFINT的型号思路完全一样，改改寄存器名就能跑。
注意：VREFINT不是所有STM32型号都有，拿不准的话先去参考手册搜“VREFINT”或者“Internal reference voltage”，确认你的芯片支持再往下看。
2. 核心原理拆解：VREFINT到底怎么当尺子用
2.1 先搞懂ADC的参考电压从哪来
STM32的ADC是逐次逼近型，它的输出公式很简单：
ADC_Value = (Vin / Vref) * Full_ScaleFull_Scale对于12位ADC就是4095。问题就出在Vref上。大部分低成本方案里，Vref直接接VDD，而VDD来自电池或者LDO。电池从4.2V掉到3.3V，Vref就跟着掉，同一个Vin测出来的ADC_Value完全不一样。这就是为什么直接用VDD当参考去测电池，读数会“越用越高”——因为尺子本身在缩短。
VREFINT的作用就是提供一把不缩水的尺子。它内部是一个带隙基准源，输出电压固定在1.20V左右（具体值看芯片数据手册，F1典型值1.20V，F4是1.21V）。这个电压不随VDD和温度大幅变化，芯片出厂时还会在特定条件下测一次，把校准值存到系统存储区里。
2.2 用VREFINT反推VDD的数学过程
思路很直接：既然VREFINT的电压是已知的，那我用ADC去测VREFINT，得到一个ADC读数，就能反推出当前VDD是多少。
设VREFINT的实际电压为Vrefint，ADC测VREFINT得到的读数为ADC_vrefint，那么：
VDD = Vrefint * 4095 / ADC_vrefint这里有个关键点：Vrefint不能直接用数据手册的典型值1.20V，因为每颗芯片都有个体差异，典型值只是统计中心。STM32在出厂时会把这个芯片的实际Vrefint校准值存在特定地址，F1系列存在0x1FFFF7BA（16位，单位mV），F4系列存在0x1FFF7A2A。读出来代入公式，精度能提高一大截。
拿到VDD之后，再去测电池分压：
Vbat = ADC_bat * VDD / 4095 * (R1 + R2) / R2R1和R2是分压电阻。这样整个链路里，VDD的波动被VREFINT修正掉了，电池电压的测量就只取决于分压电阻的精度和ADC本身的噪声。
2.3 为什么不用内部温度传感器或者别的基准
有人会问，STM32不是还有内部温度传感器吗，能不能用它来修正？可以，但温度传感器的绝对精度很差，F1的数据手册标的是±1.5°C，换算成电压误差很大，而且它本身也受VDD影响。VREFINT是专门为“提供稳定参考”设计的，温漂和电压调整率都比温度传感器好一个数量级。至于外部基准芯片，比如REF3030，精度确实高，但要多一颗料、多一路电、多一块PCB面积，对于成本敏感的项目来说不划算。
2.4 精度到底能做到多少
我实测过一批STM32F103C8T6，用出厂校准值修正后，VDD的测量误差在±20mV以内，电池电压经过分压还原后误差在±30mV左右。对于判断“满电、中等、低电、关机”这四个档位，这个精度绰绰有余。如果你要做电量百分比显示，建议做分段映射，不要直接线性换算，因为锂电池的放电曲线不是直线。
3. 硬件设计与参数计算：分压电阻怎么选
3.1 分压电阻的取值逻辑
电池电压最高4.2V，STM32的ADC输入不能超过VDD，通常VDD是3.3V。所以必须分压。分压比怎么定？假设R1是上臂，R2是下臂，电池接R1，R2接地，ADC接中间。
分压后的电压：
Vadc = Vbat * R2 / (R1 + R2)要求Vadc最大不超过3.3V，留点余量取3.0V。电池最高4.2V，那么：
R2 / (R1 + R2) = 3.0 / 4.2 ≈ 0.714取R1 = 10kΩ，R2 = 24kΩ，分压比0.706，4.2V时分压后2.96V，安全。但这里有个坑：电阻太大，ADC采样保持电容充电慢，读数会偏低；电阻太小，静态功耗大，电池还没用就没电了。
3.2 静态功耗与采样时间的平衡
STM32的ADC采样保持电容大概8pF，采样时间可配置。如果分压电阻是10k和24k并联，等效源阻抗约7kΩ。F1的ADC手册建议源阻抗不超过10kΩ，7kΩ勉强可以，但采样时间要拉长。我一般把采样时间设成239.5个ADC周期，这样充电充分，读数稳定。
静态功耗方面，分压电阻一直在耗电：
I = Vbat / (R1 + R2) = 4.2 / 34k ≈ 123μA123μA对于大容量电池不算什么，但对于小容量电池或者长期待机设备，这个电流不能忽略。我的做法是在分压电阻下臂串一个NMOS，平时关断，要测量的时候再打开，测完立刻关掉。这样平均功耗可以降到几微安。
3.3 滤波电容和PCB布局
ADC输入端并一个0.1μF电容到地，可以滤掉高频噪声。这个电容要尽量靠近MCU的ADC引脚，走线短而粗。分压电阻的接地点要和MCU的模拟地单点连接，不要和数字地混在一起。如果PCB空间允许，在电池输入端再并一个10μF的电容，应对电池内阻带来的瞬态压降。
提示：分压电阻选1%精度的金属膜电阻，温漂选50ppm/°C以内的。普通碳膜电阻温漂大，夏天和冬天测出来的电量能差一档。
4. 软件实现：从校准值读取到滤波输出
4.1 读取出厂校准值
F1系列的VREFINT校准值存在0x1FFFF7BA，是一个16位值，单位是mV。读的时候要注意，这个地址是系统存储区，直接指针访问即可：
#define VREFINT_CAL_ADDR ((uint16_t*)0x1FFFF7BA) uint16_t vrefint_cal = *VREFINT_CAL_ADDR; // 单位mV，典型值1200左右F4系列地址不同，是0x1FFF7A2A，而且F4的校准值是在VDD=3.3V、温度25°C条件下测的，单位也是mV。G0、G4系列有的型号校准值存在OTP区域，具体地址查参考手册的“Device electronic signature”章节。
4.2 ADC多通道配置与DMA搬运
我习惯用DMA来搬ADC数据，这样不占CPU，采样也稳定。配置两个通道：一个测VREFINT，一个测电池分压。用规则组扫描模式，DMA循环搬运到一个数组里。
// 伪代码，基于标准外设库 ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = ENABLE; ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE; ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 2; ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); // 通道0测电池，通道17测VREFINT ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5); ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_17, 2, ADC_SampleTime_239Cycles5); ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE); ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);VREFINT的通道号各系列不同，F1是17，F4是17，G0是13，具体查数据手册的“ADC channel selection”表。
4.3 计算VDD和电池电压
DMA搬回来的数组里，第一个是电池通道，第二个是VREFINT通道。计算顺序很重要：先用VREFINT算VDD，再用VDD算电池。
uint16_t adc_bat = adc_dma_buf[0]; uint16_t adc_vref = adc_dma_buf[1]; // 用校准值算VDD，单位mV uint32_t vdd_mv = (uint32_t)vrefint_cal * 4095 / adc_vref; // 算电池电压，单位mV，分压比R2/(R1+R2) uint32_t vbat_mv = (uint32_t)adc_bat * vdd_mv / 4095 * (R1 + R2) / R2;这里有个细节：vrefint_cal是mV，adc_vref是ADC读数，算出来的vdd_mv也是mV。整个计算用32位整数，避免溢出。4095是12位满量程，如果你开了过采样或者用了16位ADC，这里要改。
4.4 滑动平均滤波与异常值剔除
ADC读数一定有噪声，直接算出来的电压会跳。我一般做两级处理：先剔除明显异常的值，再做滑动平均。
#define FILTER_LEN 8 static uint32_t vbat_buf[FILTER_LEN]; static uint8_t buf_idx = 0; uint32_t vbat_filter(uint32_t new_val) { // 如果新值和当前平均值差太多，直接丢弃 uint32_t sum = 0; for (int i = 0; i < FILTER_LEN; i++) sum += vbat_buf[i]; uint32_t avg = sum / FILTER_LEN; if (new_val > avg + 200 || new_val < avg - 200) { return avg; // 丢弃异常值 } vbat_buf[buf_idx] = new_val; buf_idx = (buf_idx + 1) % FILTER_LEN; sum = 0; for (int i = 0; i < FILTER_LEN; i++) sum += vbat_buf[i]; return sum / FILTER_LEN; }200mV的阈值是根据我的分压比和电池特性调的，你可以根据实际情况改。滑动平均长度8，对应8次采样，如果采样率是10Hz，响应时间0.8秒，够快了。
4.5 电量分段映射
锂电池的放电曲线不是线性的，4.2V到3.7V之间掉得慢，3.7V到3.3V掉得快。直接线性映射百分比，会出现“前80%用很久，后20%瞬间没电”的体验。我一般做分段映射：
| 电池电压(mV) | 显示电量 | 说明 |
|---|---|---|
| ≥4100 | 100% | 满电 |
| 3900~4100 | 80% | 正常使用 |
| 3700~3900 | 50% | 中等 |
| 3500~3700 | 20% | 低电提醒 |
| 3300~3500 | 5% | 即将关机 |
| <3300 | 0% | 关机保护 |
这个表是根据我用的某款锂聚合物电池的放电曲线实测出来的，不同电池会有差异，建议自己用电子负载测一遍。
5. 实操中踩过的坑与排查技巧
5.1 VREFINT读数跳动大怎么办
第一次调的时候，VREFINT的ADC读数在±30个LSB之间跳，算出来的VDD也跟着跳。排查下来有几个原因：一是采样时间太短，源阻抗高，采样保持电容没充满；二是ADC时钟太快，F1的ADC时钟不能超过14MHz，我一开始设了72MHz分频6，正好12MHz，没问题，但后来换了个板子分频设错，ADC直接跑飞；三是VREFINT通道使能后需要稳定时间，数据手册建议第一次转换后丢弃，我一般连续采8次，丢掉前2次，取后6次平均。
5.2 电池电压测出来偏高或偏低
如果测出来的电压和万用表差很多，先检查分压电阻的实际阻值。我买过一批标称10k的电阻，实际测出来9.7k，分压比就偏了。另外，ADC输入引脚如果有漏电流，也会导致读数偏差。STM32的ADC输入漏电流在nA级别，一般不影响，但如果引脚上接了其他东西，比如LED或者上拉电阻，就会分流。测量引脚要专用，不要复用。
5.3 低电量时读数突然掉到0
电池快没电的时候，内阻变大，ADC采样瞬间的电流会导致电压瞬间跌落，采到一个很低的値。我的处理是在ADC采样前先打开分压电阻的NMOS，延时1ms再采样，采完立刻关断。这样分压电阻只在采样瞬间耗电，电池内阻的影响也小了。另外，软件上做异常值剔除，连续3次低于关机阈值才真正关机，避免误判。
5.4 不同批次的芯片校准值差异
我做过一批100台的小设备，发现不同芯片的VREFINT校准值从1190mV到1215mV都有，跨度25mV。如果不读校准值，直接用1.20V算，VDD误差能到2%，电池电压误差更大。所以校准值必须读，这是精度的关键。
5.5 常见问题速查表
| 现象 | 可能原因 | 排查方法 |
|---|---|---|
| VREFINT读数一直是0 | 通道号配错 | 查数据手册确认VREFINT通道 |
| VDD算出来是0 | 校准值地址读错 | 确认芯片型号对应的校准地址 |
| 电池电压跳动大 | 采样时间短/无滤波 | 加长采样时间，加滑动平均 |
| 低电量误关机 | 电池内阻导致瞬态跌落 | 采样前延时，连续多次确认 |
| 满电显示不满 | 分压电阻误差 | 实测电阻值，修正分压比 |
| 温度变化后电量不准 | 电阻温漂大 | 换低温漂电阻，或做温度补偿 |
注意：VREFINT的校准值是在特定温度下测的，虽然带隙基准温漂小，但在极端温度下还是会有偏差。如果产品要在-40°C到85°C工作，建议做温度补偿，用内部温度传感器读温度，查表修正。
6. 进阶优化：让电量监测更稳更准
6.1 用过采样提升有效位数
STM32的ADC是12位，但通过过采样可以提高到14位甚至16位。原理是连续采16次，求和后右移2位，得到14位结果。这样VREFINT和电池电压的分辨率都提高了，小信号变化也能捕捉到。代价是采样时间变长，16次采样如果每次239.5周期，在12MHz ADC时钟下大概要3.2ms，对于电量监测来说完全可以接受。
// 过采样16次，右移2位得14位结果 uint32_t adc_oversample(uint8_t channel) { uint32_t sum = 0; for (int i = 0; i < 16; i++) { ADC_RegularChannelConfig(ADC1, channel, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5); ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); while (!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC)); sum += ADC_GetConversionValue(ADC1); } return sum >> 2; // 14位结果 }6.2 动态调整采样率省电
电量变化很慢，没必要一直高频采样。我的做法是正常工作时每10秒测一次，低电量时每2秒测一次，关机前每0.5秒测一次。这样平均功耗可以压到很低。用RTC唤醒或者定时器中断来触发采样，采完就进低功耗模式。
6.3 结合电池内阻估算健康状态
电池用久了内阻会变大，同样的电压下，带载能力下降。我试过在采样瞬间打开一个已知负载（比如一个100Ω电阻），测带载前后的电压差，反推内阻。内阻超过初始值2倍时，提示电池老化。这个方法不需要额外硬件，但负载电阻要选好，太小了耗电，太大了压差测不准。
6.4 代码移植到其他STM32系列
F1到F4的移植主要是改校准值地址和VREFINT通道号。F4的ADC是12位，但参考电压计算方式一样。G0、G4系列有的型号VREFINT通道是13，校准值在OTP里，读法不同。H7系列ADC精度更高，但VREFINT原理一样。移植的时候先查参考手册的“Internal voltage reference”章节，确认校准值地址和通道号，再改宏定义就行。
我在实际项目里用这套方案做了三款产品，最长的已经跑了两年多，电量显示一直很稳。唯一一次出问题是因为分压电阻用了便宜的碳膜电阻，夏天高温时阻值漂移，导致电量显示偏高，换了金属膜电阻就好了。所以电阻别省那几分钱，选1%精度的，温漂50ppm以内的，整个方案的成本也就多一两毛。
最后分享一个小技巧：如果你觉得读校准值麻烦，可以在产线上用高精度电源给每台设备校准一次，把实际的VREFINT电压写进Flash，这样精度比出厂校准值还高。批量生产的话，这个校准步骤也就几秒钟的事。
