基于嵌入式单片机的多用测量仪表设计_马文博.pdf

16|电子制作 2023 年 6月电子电路设计与方案0 引言万用表、示波器等测量仪表在电子领域有着广泛的应用，号称电子工程师的“眼睛”。如何充分利用运放、模拟开关等常见器件完成多用仪表的设计，在保证精度的前提下提高易用性和扩展性是需要解决的问题。本文结合软件和硬件，用尽可能少的电子元器件，并优化系统软硬件，完成系统设计。1 系统的方案设计系 统 主 控 采 用 STM32F103 C8T6 核心板。它是一款基于 ARM Cortex-M 内核的 32 位微控制器，其具有 72MHz 时钟主频、37 个 GPIO引脚，12位ADC，价格低廉，使用广泛，可以方便地完成设计。2 硬件设计 2.1 电源电路本电路采用两级 LM1117 LDO 芯片串联组成。第一级将输入电压转换为 5V 输出；第二级将 5V 电压转换为3.3V，从而满足系统各模块的供电需求。系统中运算放大器、模拟开关、电流采样芯片、继电器均采用 5V 供电，STM32 单片机、OLED显示屏采用3.3V供电。LDO芯片具有外围电路简单、低压差下效率高、输出纹波小等优点。2.2 主控电路本电路基于 STM32F103C8T6 核心板进行设计，引出部分 GPIO 接口用于连接和控制系统各外设。核心板已集成基于嵌入式单片机的多用测量仪表设计马文博，蒋玉华，闭金杰，廖志贤，黄国现（广西师范大学，广西桂林，541004）基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目资助，编号：202210602080。摘要：现阶段，测量仪表的发展离不开数字技术的应用。常见的测量仪表包括万用表、示波器等。为实现丰富的测量功能，并具有一定扩展性，设计采用STM32F103C8T6单片机设计一款多用测量仪表。其具有电压、电流、电阻测量等功能，并能够实现自动量程切换。电路设计中加入了适当的保护功能，避免输入超过量程要求时损坏设备。该设计外围电路稳定可靠、价格低廉。经测试，该设计测量结果准确可靠，可准确测量036V电压、02A电流、0100k电阻，精度误差控制在1%以内。关键词：数字万用表；STM32；示波器STM32f103C8T6运算放大器模拟开关电压输入电流感应放大器电流输入MOS选择网络缓冲器电阻输入矩阵键盘OLED屏电源电路串口SWD接口图 1 系统框图GND1VOUT2VIN3TAB4U11GND1VOUT2VIN3TAB4U12C110uFC20.1uFC30.1uFC40.1uFC510uFC60.1uFC710uFC810uF+9V+5VGND+5VGNDGNDGND+3.3V132DC1GND图 2 电源输入电路原理图DOI:10.16589/11-3571/|17电子电路设计与方案晶振电路、下载接口等电路。U6+3.3V+5VGNDGND+3.3VGNDRELAY2RELAY1ADC_RADC_VADC_IR_Q3R_Q2R_Q1OLED_GPIO3OLED_GPIO2OLED_GPIO1CD4052_A1CD4052_A0ADC_I2C_SDAADC_I2C_SCLOLED_SPI_SCKOLED_SPI_MOSIKEY4_4UART_RXUART_TXKEY1_1KEY4KEY3KEY1KEY2KEY2_2KEY3_3图 3 最小系统板外围电路图 2.3 电压检测调理电路本电路需要将外部的电压输入按比例放大或缩小，转换为 STM32 单片机 ADC 端口可以接受的 0-3.3V 电压，并通过模拟开关实现量程切换功能。运放芯片采用 LM324，该芯片具有 4 路独立运放单元。其中，第一、二路构成跟随器，根据电阻分压：212oiRUURR=+式(1)第一和二路输入电压分别衰减为输入的 1/11、1/4。第三路构成同相比例放大器，放大倍数关系为：31130outinRVVR=+|式(2)其中 R32 为平衡电阻，阻值计算方法为：3231/30RRR=3231/30RRR=。第三路的放大倍数为11 倍。量程切换功能通过模拟开关实现，型号为 CD4052。其A0、A1 连接至单片机 GPIO 作为控制端，Y0B、Y1B、Y2B 作为输入端，ZB 作为输出端连接至单片机 ADC 端口。单片机控制 A0、A1 以选通不同电压等级输入作为模拟开关的输出。表1 设计量程与电阻的关系量程分压电阻/运放电阻调整比例00.7VR30=1k R31=3k4倍0.79VR10=10k R11=1k1/4936VR28=10k R29=1k1/11 2.4 电流检测电路电路需要将外部的电流输入进行采样，经过处理后送入单片机 ADC 引脚，并通过继电器实现量程切换功能。在设计中尽量减小回路阻抗，以减小测量电路对被测电路的影响。R5、R6 为采样电阻，阻值选取分别为 1、0.1，分别测量 0100mA、100mA2A 电流。测量时，电流由 I_IN+流入，由 I_IN-流出。电流感应放大芯片 U1 选取 MAX4080，其放大倍数为20 倍。测量时，I_IN+、I_IN-两端（包含采样电阻）分得的电压输入 MAX4080 的 RS+、RS-，芯片将该电压放大 20倍后由 OUT 端输出。OUT 端连入单片机 ADC 引脚。继电器 K1、K2 为量程切换开关。当继电器 K1 吸合 K2断开时，采样电阻R5接入电路；当继电器K2吸合K1断开时，Y0B1Y2B2ZB3Y3B4Y1B5E#6VEE7VSS8A19A010Y3A11Y0A12ZA13Y1A14Y2A15VDD16R9GND+5VC120.1ufGNDR181kV_0R261kGNDV_1R271kGND123411U2.1657U2.29108U2.3+5VGNDR2810KR291KGNDV_INV1_OUTR103KR111KGNDV_INV2_OUTR301KR313KR32750GNDV_INV3_OUTV2_OUTCD4052_A0CD4052_A1V3_OUTV1_OUTV_OUT图 4 电压检测调理电路图K1D1Q4+5V+5VGNDK2R1R4I_1RS+1VCC2N.C.3GND4OUT5N.C.6N.C.7RS-8U1R5R6GND+5VC90.1ufGNDR161kD2Q1+5V+5VGNDRR3I_2F1F2RELAY1I_IN+I_IN+I_IN-I_OUTI_IN1I_IN2RELAY2I_IN+I_IN1I_IN2图 5 电流检测电路图18|电子制作 2023 年 6月电子电路设计与方案采样电阻 R6 接入电路。表2 量程与采样电阻的关系量程采样电阻调整比例（电压数值（V）/电流数值（A）0100mA1约20倍100mA2A0.1约2倍 2.5 电阻检测电路电路需要将外部接入的电阻进行适当处理，接入单片机ADC 输入引脚，并通过控制 MOS 管通断选取不同的分压电阻，实现量程切换功能。设计中加入运放（U2.4）构成的跟随器进行隔离，从而避免错误的输入损坏单片机。图中，P 沟道 MOS 管 Q2、Q3、Q5 的栅极连接至单片机 GPIO，当单片机输出低电平时，漏源极导通。R2、R7、R8 为分压电阻。实际电路中，为实现自动量程切换功能，开关 U3、U4、U5 用 MOS管代替。R33、R34、R35 为不同量程的分压电阻，R1 为待测电阻，阻值未知。该电路利用电阻分压原理，单片机通过读取待测电阻上分得电压，进而计算得到待测阻值。表3 电阻测量中量程与分压电阻的关系量程分压电阻01k1001k10k1k10k10k根据电阻分压公式(1)得被测电阻阻值计算公式(3)：()3.3 1cxcU RRU=测 式(3)式中 Rx 为不同量程分压电阻，Uc 为 3.3V 基准电压。2.6 其他辅助电路（1）外接 44 矩阵键盘用于模式切换等功能，其行、列线与单片机 GPIO 相连。（2）OLED 屏幕使用中景园电子 1.91 英寸 SH1108，其接口类型为 SPI。（3）设计有串行通信接口，可将程序运行中的数据传至上位机，方便调试和分析。657U2.4.2R_INR_OUTR33100R1+3.3V2211U3R341K+3.3V2211U4R3510K+3.3V2211U5GND图 7 量程切换典型电路图3 软件设计软件主要运行于 STM32F103C8T6 单片机上，编写过程分为初始化代码生成和主程序逻辑代码编写。其中初始化代码配置采用 STM32CubeMX 工具生成 HAL 库代码。主程序基于该代码，添加用户逻辑代码部分。其主要目的是实现量程切换电路的控制、按键状态读取、测量结果处理和送入OLED 屏幕显示等。K4-66_THKEY31234K4-66_THKEY41234K4-66_THKEY11234K4-66_THKEY21234K4-66_THKEY61234K4-66_THKEY51234K4-66_THKEY81234K4-66_THKEY71234K4-66_THKEY101234K4-66_THKEY91234K4-66_THKEY121234K4-66_THKEY111234K4-66_THKEY141234K4-66_THKEY131234K4-66_THKEY161234K4-66_THKEY151234HDR-M-2.54_1x8J112345678图 8 44 矩阵键盘电路图100R21KR710KR8+3.3VQ3Q2Q5R_2+3.3VR1910kR_1+3.3VR2410kR_3+3.3VR2510k657U2.4.2R_INR_OUTR_INR_Q2R_Q3R_Q1图 6 电阻检测电路|19电子电路设计与方案CSDCRESSDASCLVCCGND+3.3VGND11223344556677U26GNDOLED_SPI_SCKOLED_SPI_MOSIOLED_GPIO1OLED_GPIO2OLED_GPIO3 图 9 OLED 屏幕接口 3.1 初始化配置(1)系统时钟(HSE)来源配置为外部时钟，运行频率设置为 72MHz。(2)继电器、模拟开关、电阻量程切换 MOS管 GPIO 配置为推挽输出模式。(3)矩阵键盘行线配置为输出，列线配置为输入。(4)使能 ADC2 的 4、5、6 通道用于电压、电流、电阻ADC 采集。使能多通道扫描模式、非连续转换模式、软件触发、设置通道数为 3。为最大程度提高精度，ADC 周期配置为最大（239.5Cycles）。(5)SPI2 配置为 Full-Duplex Master（全双工主模式）用于驱动 OLED 屏幕。(6)使能串口 1 用于程序调试与上位机数据展示和下发。3.2 主程序设计主程序共涉及电压测量、电流测量、电阻测量、矩阵键盘读取、量程切换控制、串口通信、OLED 屏幕显示等模块。其中，电压测量、电流测量、电阻测量模块通过矩阵按键进行切换，最终将处理后的测量结果输出至 OLED 屏幕进行显示、输出至串口用于上位机展示功能。（1）电压测量模式根据电压检测硬件电路，设计实际电压换算公式(4)。*3.3*4096.0resulttrueADCVc ba=+式(4)式中trueV为被测电压真实值，resultADC为ADC转换结果，c 为比例系数，参数 b、a 为线性拟合系数，用于提高结果准确性。根据表1所示电压测量电路挡位与调整比例的关系，参数 c 在三种挡位分别取值 1/4、4、11。根据 STM32F103系列 12 位 ADC 转换器原理，resultADC将 03.3V 电压表示为 04096 之间的整数。上式首先将resultADC转换为真实电压值，再乘以比例系数 c，最后根据进行线性拟合校正参数b、a 得到真实被测电压值。系统主程序数据采集和处理人机交互量程切换控制电压输入电压输入电阻输入模拟开关（电压）继电器（电流）MOS管（电阻）OLED显示屏矩阵键盘串口通信图 12 系统软件总框图图11 时钟树配置11223344H1+5VGNDUART_RXUART_TX图10 串行通信接口20|电子制作 2023 年 6月电子电路设计与方案开始读取ADC挡位1挡位2挡位3ADC读数/4ADC读数*4ADC读数*11显示结果NNYYY结果11结果0.7?0.7结果11?切换为1档切换为2档切换为3档NNYYY结束滤波图 13 电压测量流程图程序首先连续读取 20 次 ADC 电压端口转换结果，送入滑动窗口滤波器进行滤波处理得到参数resultADC，随后根据公式(4)计算得到被测电压真实值。之后程序将电压真实值送入 OLED 屏幕向用户展示，并向串口打印测量数据。除此之外，该程序还需根据表 1 量程关系判断当前的挡位是否合适，若不合适则自动进行挡位切换。若真实电压为00.7V 范围则切换为 1 档；若真实电压为 0.79V 范围则切换为 2 档；若真实电压为大于 9V 范围则切换为 3 档。切换档位后，程序在下次测量时将根据切换后的挡位参数重新计算真实测量结果。（2）电流、电阻测量模式电流、电阻测量模式与电压测量模式实现方法基本相似，此处不展开详细论述。4 系统主要功能测试以及分析电压、电流挡的测试方法为：由数控可调电源输入一固定电压（或电流），连接至设备，同时接入 UNI-T UT71C型号万用表进行准确性比对。逐次调节电压（或电流）输入，记录设备读数和万用表读数，计算误差，并验证其自动切换量程功能。电阻挡测量方法为在电阻测量端口与 GND 端口间接入不同阻值的定值电阻，并用万用表测量电阻阻值，与设备测量结果进行比对。以上过程均重复 20 次求平均值。表4 三种模式测量平均误差统计模式平均误差电压0.74%电流0.96%电阻0.85%图 14 样机测试过程根据测试数据，三种模式测量精度均符合预期指标。在电流测量模式中，较小电流（约 0100mA）测量时会存在较大误差，原因是较小测量电流下，采样芯片和 STM32 的ADC 分辨率不足，可以通过换用较大采样电阻的方法以降低小电流测量误差。5 总结与展望本文主要研究一种多用测量仪表，以 STM32F103C8T6 为主要控制单元，从硬件和软件两方面对该系统进行了详细阐述。最后实验结果表明 STM32F103C8T6 能够正常获取采样数据并进行相应处理，能够实现自动挡位切换功能，在OLED 屏幕上显示正确测量结果，输出结果准确稳定，满足系统设计要求指标。当前常用的万用表已作为电子工程师的必备设备进入大众视野。通过串行通信接口，可以方便地将万用表与上位机软件结合起来，从而实现更加丰富的功能。当前本设计运行稳定，可靠性良好，成本低，为后续智能化测量仪器的设计开发与研究奠定了基础。本设计包含完善的保护电路，在外部输入超过设计测量能力时，不会造成设备损坏。参考文献 1 郭小烨,王洋.基于 STM32 的手持式气体检测仪 J.计算机测量与控制,2022,30(09):265-271.2 郭晓,姚政,贺秋瑞.基于单片机的数字电子秤设计 J.电子制作,2022,30(18):73-75.3 蔡建义,林琦,刘娜娜,孙鹏,孙卫,梁莹.基于 STM32 智能静态阻值测量仪的设计与实现 J.电子制作,2022,30(17):18-21+64.