电流电压表的设计与实现1205

第 三 大组 第 二 小组 课程设计报告 课程设计名称 ： 电流、电压表的设计与实现 姓名： 学号： 专业： 电子信息工程 班级： 指导老师： 完成时间 ： 目 录 摘摘 要要1 1、设计任务1 1.1 设计的要求1 2、方案设计与论证2 2.1 主控系统2 2.2 电压采集模块芯片4 2.3 电流采集模块芯片4 3、硬件电路5 3.1 控制电路5 3.2 电流采集电路6 3.3 电压采集电路7 3.4 显示电路7 4、软件流程图8 5、总结8 参考文献8 附录9 PCB 图.9 课程设计电流、电压表的设计与实现 1 摘摘 要要 本设计以 STM32 单片机为核心设计的一个电流电压表。电流电压表分别具有两个测 量档位，能够对输入的 01mA、020mA 的电流和 01V、020V 的电压进行测量，并通 过一个 OLED 液晶显示屏进行显示。设计主要由四大模块组成：电流电压采集模块、A/D 模数转换模块、单片机控制模块和显示模块。采用 STM32 单片机主控，内设 A/D 转换器， 可直接对输入量进行 A/D 转换控制，并使用 Altium Designer6.9 软件绘制电路原理图以及 PCB 图，经设计后的系统具有灵活性强、易于开发、维护、扩展等特点。最后结合了软件 进行调试，该系统达到设计的目的，较高精度地实现了所测量的电压电流值。 关键词关键词 stm32 单片机； 模数转换； 电压电流采集； 液晶显示屏； Abstract In the STM32 MCU as the core to design a current meter. Current voltage meter, respectively, with two measuring gear, to be able to enter 0 1 ma, 0 to 20 ma current and 0 1 v, 0 20 v voltage is measured, and through an OLED LCD display. Design is mainly composed of four modules: current voltage acquisition module, A/D analog-to-digital conversion module, single-chip microcomputer control module and display module. USES STM32 microcontroller master, with A/D converter, can be directly to A/D conversion control input, and use Altium Designer6.9 software rendering circuit principle diagram and PCB diagram, after design of the system has strong flexibility, easy development, maintenance, expansion, etc. Finally combined with software debugging, the system achieve the purpose of design, realized the measured voltage current value more accurately. Key words stm32 microcontroller; Analog-to-digital conversion; Voltage current collection; Liquid crystal display; 1、设计任务设计任务 自主设计硬件电路，实现高精度的多功能电压、电流表。由单片机控制， 具有液晶显示测量值等功能。 1.1 设计的要求 （1）掌握电流、电压测试仪的设计、组装与调试方法； （2）学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握数字电路系统设计 的基本方法、设计步骤； （3）进一步熟悉和掌握常用数字电路元器件的应用； （4）设计键盘输入电路和程序并调试。掌握显示（OLED）配合使用的方 法和技巧； （5）掌握硬件和软件联合调试的方法； （6）完成系统硬件电路的设计和制作； （7）完成系统程序的设计。 2、方案设计与论证方案设计与论证 2.1 主控系统 本设计主要分为两部分：硬件电路及软件程序。而硬件电路采用 stm32 作 为主处理器，系统主要分为四个模块：电压、电流采集电路、A/D 转换电路、 单片机控制电路和显示模块。各部分模块电路的设计及原理将会在单元模块设 计部分详细介绍；软件程序的设计使用 C 语言编程，利用 Keil 软件对其编译和 仿真，详细的设计算法将会在程序设计部分详细介绍。 系统框图（图 2-1）如下： 图 2-1 硬件原理框图 设计的总原理图如图 2-2 所示: 课程设计电流、电压表的设计与实现 3 图 2-2 设计总原理图 硬件电路各模块功能如下： （1）电压、电流采集电路：通过 stm32f103 内置 AD 转换器采集采样电阻 上的数据，测出外部信号的电压电流值 （2）单片机控制电路：单片机控制模块是整个系统的核心中枢，对外围进 行控制，对数据进行运算处理，是连接各部分的纽带。它主要包括 stm32 单片 机芯片和其工作所必须的外围电路。 （3）显示模块：采用 OLED 对所测数据进行显示。该模块接口方式简单、 操作指令方便，低电压低功耗，可以显示 84 行 1616 点阵的汉字，也可完成 图形显示。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶 显示模块相 比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多。 2.2 电压采集模块芯片 OPA2365 芯片： OPA2365 是由 TI 公司生产的单电源(2.5V5.5V)供电、低噪声、低偏移、 高共模抑制比放大器。OPA2365 集成了两个放大器，可以一个作为电压跟随器 对输出信号进行缓冲与滤波，另一个作为后端放大，在一定程度上能减少电路 板面积。如图 2-3 所示，为 OPA2365 的引脚定义。 图 2-3 OPA2365 引脚图 2.3 电流采集模块芯片 INA282 芯片： INA282 芯片是电压输出电流并联监控器，此监控器能够感测共模电压上- 14V 至+80V 的压降，与电源电压无关。零漂移架构的低偏移使得电流感测在整 个分流器上的最大压降低至 10mV 的满量程。这个电流分流监控器由+2.7V 至 +18V 电源供电运行，使用最大 900A 的电源电流。可用增益：50V/V 图 2-4 INA282 引脚图 课程设计电流、电压表的设计与实现 5 表 3.1 INA282 芯片引脚说明 引脚编号引脚编号名称名称说明说明 1-IN连接到分流电阻器的负输入一侧。 2GND接地 3REF2基准电压连接-连接选项请见应用部分。 4NC 这个引脚不是内部连接，NC 引脚应该保持悬空或者连接到 GND。 5OUT输出电压 6V+电源 7REF1基准电压连接-连接选项请见应用部分。 8+IN连接到分流电阻器的正输入一侧。 3、硬件电路硬件电路 3.1 控制电路 MCU 电路如图 3-1 所示。MCU 采用两片 STM32F103 单片机芯片，分别为 电压模块和电流模块。电压模块负责电压值测量，再将测量结果通过串口电路 发送给电流模块，再将电流模块采集到的电流值一起通过 OLED 显示。 图 3-1 单片机控制电压模块 图 3-2 单片机控制电流模块 3.2 电流采集电路 如图 3-3 所示，外部待测信号经过采样电阻，经过 INA282 进行 50 倍增益 的放大，再由单片机内置 A/D 转换器对输入量直接进行 A/D 转换，将结果处理 之后送入 OLED 显示，并通过开关进行 1mA 与 20mA 的档位切换，开关处于 断开状态时，它的量程是 1mA 档，所工作的电压为： 511mA50=2.55V3.3V，机的工作电压内；当开关被按下时，它的量程是 20mA 档，所工作的电压为：在单片 2.420mA50=2.4V3.3V，也在单片机 的工作电压内。 图 3-3 电流采集电路 课程设计电流、电压表的设计与实现 7 3.3 电压采集电路 如图 3-4 所示，当开关处于断开状态时，它的量程是 20V 档，所工作的电 压为：20V1/50050=23.3V，在单片机的工作电压内；当开关被按下时，它 的量程是 1V 档，所工作的电压为：1V1/5050=1V3.3V，也在单片机的工作 电压内。 图 3-4 电压采集电路 3.4 显示电路 采用 0.96 英寸 OLED 模块采用高亮度，低功耗的 OLED 屏，显示颜色纯正， 在阳光下有很好的可视效果。模块供电可以是 3.3V 也可以是 5V，不需要修改 模块电路，同时兼容 3 种通信方式：4 线 SPI、3 线 SPI、IIC，通信模式的选择 可以根据提供的 BOM 表进行跳选。该模块一共有三种颜色：蓝色、白色、黄 蓝双色。OLED 屏具有多个控制指令，可以控制 OLED 的亮度、对比度、开关 升压电路等指令。操作方便，功能丰富。 图 3-5LCD 显示部分电路 4、软件流程图软件流程图 开始 系统初始化 启动A/D转换 采集A/D转换值 是否采集5次？ 对5次求平均值 显示数值 Y N （1）设计中出现的问题及相应的解决方案 1.电压模块采集电路不能准确测量出电压值，在后来的测试中，无法用 INA282 进行准确测量，改为外部信号经过电阻分压之后直接通过电压跟随器 OPA2365 测量。 2.没有意识到切换档位所用的“开关”是有两组单刀双掷触点，也没有连 接单片机 IO 口，无法直接判断开关状态，不能切换档位，改为用外接洞洞板时， 一组单刀双掷触点用于连线单片机 IO 口，能时刻检测开关状态，另外一组用于 切换电压电流的采样电阻。 3.电压电流模块本是通过数字隔离器 ADUM1201 芯片进行通信,经过测试发 现无法通信，改为直接连接单片机内部串口 IO 进行通信。 课程设计电流、电压表的设计与实现 9 5、总结总结 （1）本次课程设计的优缺点 本课程设计实现了对输入的 01.29mA、027.5mA 电流和 03.3V、033V 的电压测量，并通过 OLED 液晶显示屏显示的功能。经过本次设计的系统具有 灵活性强、易于开发、维护等特点，最后结合了软件调试，使该系统达到了设 计的要求，较高精度地实现了所测量的电压电流值，有良好的实用性。缺点可 测范围小，抗干扰能力弱。 （2）心得体会 本文介绍了基于 stm32 单片机的电压表电流表的设计及制作方法，也是对 这一个多月以来课程设计工作的记录。文章从两个方面进行阐述，即硬件设计 与制作，软件设计与制作。软件在设计过程中采用模块化设计，为调试提供了 很大的方便。硬件的调试主要根据电路图，按照理论分析一步一步检验。实现 了基本的功能要求。 课程设计是一个综合性的实践课程，是将理论联系到实际中的实验过程， 是对大学这两年所学知识的最好体现。从拿到设计任务后，开始查阅资料，到 设计电路，软件上的程序编写与仿真、调试，硬件上元器件确定、选型及电路 搭建，软硬件联调，直到论文文本的撰写。这一过程锻炼了我们对单片机应用 系统的设计及动手能力。 通过本次课程设计的学习，了解团队合作的重要性，学习了硬件调试的方 法与思维，准确的使用测量仪器对出现的电路问题进行调试与测量。在不断的 学习与讨论中，我对单片机知识