基于單片機的電壓測量器系統(tǒng)設(shè)計

彭冬玲

摘 要：單片機的電壓測量器系統(tǒng)是以STM32芯片為核心，通過測量信號和標準電壓比較，輸出脈沖值，并進行液晶顯示的電壓測量系統(tǒng)。該電壓測量器采用模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過硬件電路和軟件程序相結(jié)合思想來實現(xiàn)，可自定義量程測量±15V以內(nèi)的電壓；電壓格式的顯示和精度的改變通過軟件控制；具有人機交互體驗好、電路簡單、性能穩(wěn)定和性價比極高等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：自量程電壓測量器；STM32；ADC采樣；TFT觸摸屏

中圖分類號：TM247 文獻標識碼：A

1 引言

在電子產(chǎn)品設(shè)計調(diào)試或者使用過程中，電壓測量往往是一個必不可少的環(huán)節(jié)。原始的電壓測量器為指針式，存在容易磨損、測量精準不足、人為誤差較大、及讀數(shù)困難等各種缺陷。隨著單片機技術(shù)的飛速發(fā)展，由微控制器和A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)合形成的數(shù)字式電壓測量器逐漸占據(jù)了市場。數(shù)字電壓測量器（Digital Voltmeter）簡稱DVM，它是將測量的電壓與標準電壓進行比較，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并顯示出來。數(shù)字電壓測量器由于運用了數(shù)字化測量技術(shù)，顯示清晰直觀、準確度高、分辨率高、測量速率快、抗擾能力強。同時運用了單片機技術(shù)，具有可擴展性強、集成化高、功耗小，同時還可以與PC機進行及時通信等特點。

2 電壓測量原理

本設(shè)計是基于STM32單片機的自量程的電壓測量電路，電路主要包含兩部分：硬件電路及軟件程序。而硬件電路以STM公司的STM32F103ZET6作為主處理器，系統(tǒng)主要由自量程信號輸入電路、STM32單片機和內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理輸出、TFT觸摸液晶屏顯示器等幾個功能模塊構(gòu)成。系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

電壓測量器能測量30V以下的電壓，當電壓小于3V時能自動選擇小量程來提高測量精度，精度不小于0.01；當電壓大于3V時，自動選擇大量程，從而避免了手動調(diào)節(jié)量程的麻煩，提高使用方便度。

3 電壓測量器系統(tǒng)設(shè)計

3.1 自量程信號輸入電路

自量程信號輸入電路的作用是把不同大小的被測電壓規(guī)范到A/D轉(zhuǎn)換器所要求的電壓值。單片機數(shù)字電壓表所采用的STM32內(nèi)部的12位逐次逼近式ADC，它要求輸入電壓為0-3.3V。電路設(shè)計如圖2。

自量程電路可以自動選擇測量電壓量程，本儀表可以測±15V以內(nèi)的電壓，當電壓在±1.5V以內(nèi)的時候。自動跳到±1.5V小量程，精確到可以達到0.001，從而提高精度；當被測電壓超過±1.5V時，自動跳到±15V大量程，從而擴大量程。全過程不需要手動調(diào)節(jié)，從而使該數(shù)字電壓測量器的使用領(lǐng)域變得更加廣泛、使用更加簡單方便。

3.2 輸入電路分析

電路（見圖2）主要由繼電器選量程電路、電阻分壓電路、電壓跟隨電路和差分升壓電路組成。

電路采用5V繼電器來控制量程，當電壓在±1.5V以內(nèi)時，單片機PF7給出高電平信號驅(qū)動三極管Q1導(dǎo)通，此時繼電器線圈帶電驅(qū)動K1開關(guān)合并，被測電壓直接經(jīng)過AR1電壓跟隨器進入到AR2運算放大器與負5V經(jīng)R6和R8峰壓得到的負1.5V作差運算得到正電壓，再到STM32單片機的ADC電壓處理模塊。被測電壓U1=U2-1.5。U1是測量輸入電壓，U2是ADC采集到的電壓。此時精確到為0.001，滿足設(shè)計要求。

當電壓大于1.5V小于15V（或者時小于-1.5V大于-15V），PF7引腳輸出低電平，三極管Q1不導(dǎo)通繼電器不工作，K1開關(guān)不導(dǎo)通，此時被測電壓經(jīng)R1，R2兩個電阻分壓，然后經(jīng)過電壓跟隨器進入差分升壓電路再到STM32單片機ADC處理模塊。被測電壓U1=（U2-1.5）* （R1+R2）/ R1=10*（U2-1.5）。U1是測量輸入電壓，U2是ADC采集到的電壓。此時測量精度為0.004，滿足設(shè)計要求。

用AR1741運算放大器做雙電源電壓跟隨器，使得系統(tǒng)的輸入阻抗可以達到幾兆歐，對被測電壓的影響可以忽略不計，又能有效的減少的輸入電路對后面單片機的影響，從而提高了測量精度，在測試過程中，發(fā)現(xiàn)電壓跟隨器是必不可少的，不然在測量的小電壓的時候，誤差很大。

AR2運算放大器的作用是通過差分電路把前面的輸入電壓抬高1.5V，使得測量負電壓時也能滿足單片機ADC采集電壓0到3.3V的輸入要求。

繼電器K1是輸入電路部分的執(zhí)行機構(gòu)，也是選量程的核心部位，這里沒有選三極管作為開關(guān)的原因是三極管的不導(dǎo)通電阻只有4兆歐左右，其與輸入衰減網(wǎng)絡(luò)是并聯(lián)使用的，而衰減網(wǎng)絡(luò)的電阻也有1兆歐左右的電阻，對電路會產(chǎn)生很大影響。故選擇了繼電器，繼電器屬于機械開關(guān)型，有非常高的不導(dǎo)通電阻。

二極管D1起續(xù)流保護作用，D1為肖基特快速反應(yīng)二極管。由于繼電器內(nèi)部開關(guān)動作是由線圈完成的，而線圈是儲能元件，所以在下一次動作前，必須要釋放線圈上的電荷，才能保證下一次動作正常進行，也保護器件燒壞的風險。

二極管D2起過壓保護作用，當電壓大于3V時，回流給3.3V電源，防止STM32單片機引腳過壓燒壞。

R3是一限流電阻，阻值為1kΩ，避免三極管在燒壞的情況下，保護單片機引腳不被燒壞。

電阻R1與R2組成電壓衰減電路，可以擴大測量電壓范圍，在測試過程中，電阻阻值不能取的太大，但電阻大于一兆歐時，對小測量小于1V的電壓有誤差。這里選取900k和100k的精密電阻。

該部分是整個設(shè)計的核心，電路設(shè)計新穎，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，工作穩(wěn)定性非常高，達到了高性價比要求。

3.3 TFT觸摸液晶屏顯示器

TFT-LCD全稱為：Thin Film Transistor-Liquid CrystalDisplay，即薄膜晶體管液晶顯示器。顯示器具有320×240 的分辨率，16 位真彩顯示，自帶觸摸屏，可以用來作為控制輸入。顯示器電路如圖3所示。

該液晶的控制芯片是ILI9341。ILI9341液晶控制芯片自帶顯存，其顯存總大小為172800（240*320*18/8），即18位模式（26萬色）下的顯存量。在 16位模式下，ILI9341采取RGB565格式存儲顏色數(shù)據(jù)。從圖3中可以看出，ILI9341在16 位模式下面，數(shù)據(jù)線有效的是：D17～D13和D11～D1，D0和D12沒有用到，ILI9341的 D17～D13和D11～D1對應(yīng)MCU的D15～D0。

處理器的16位數(shù)據(jù)，最高5位為紅色，中間6位為綠色，最低5位代表藍色。數(shù)值越小，表示該顏色越淺。此外， ILI9341全部的指令都是8位的（高 8 位無效），且參數(shù)除了讀寫 GRAM 的時候是 16 位，其他操作參數(shù)，都是 8 位的。通過0XD3，0X36，0X2A，0X2B，0X2C，0X2E這6條指令來控制液晶顯示。一般TFT液晶顯示屏使用步驟如圖4所示。

4 電壓測量器程序設(shè)計流程

自定義量程液晶顯示電壓測量器的軟件程序由主程序，A/D轉(zhuǎn)換子程序、觸控子程序、觸摸中斷子程序和液晶顯示程序組成，如圖5所示。

5 總結(jié)

電壓測量器設(shè)計的原理主要是利用自量程輸入電路采集待測電壓信號送給STM32內(nèi)置12位的ADC處理，然后輸出數(shù)字信號給STM32內(nèi)部數(shù)據(jù)處理單元處理。最后，單元進行處理通過2.8英寸的TFT觸摸屏顯示待測電壓的數(shù)值，實現(xiàn)自動選量程的雙量程電壓測量目的，實用性更強。

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（本文審稿 李正發(fā)）