电压电流表

1.功能介绍

本项目使用嘉立创CW32开发板完成电压电流表设计与制作，目前已实现电压、电流、电容

电阻的测量，测量精度较高。

 

2.原理图说明

2.1 电源供电电路

考虑到电压电流表应具有方便携带以及使用的特点，电源供电采用USB+锂电池供电方案，当插入USB插座时，系统由USB供电并且给锂电池充电；当拔下插座后，整个电源由1节18650锂电池供电。

2.2供电电路的自动切换

实现供电电路的自动切换，关键在于使用了PNP型MOS管，当MOS管Vgs<0，且达到其导通电压后，MOS管导通。利用PMOS管这种特性，在电路中将其作为开关使用，通过控制Vgs电压的高低来实现电路的通断。使用USB供电时，PNP管G点电位由分压电阻拉高，Vgs>0，MOS管截止，锂电池不对外供电，当只有锂电池供电时，G点接地，电压为0V，Vgs<0,MOS管开启，且在USB输出端接入一颗二极管D1，使两电路不会相互影响。

 

2.3 5V升压电路

锂电池供电虽然方便，但是电池电压无法达到5V,且随着使用，电池电压会进一步降低，因此需要使用升压芯片对其升压到5V。本次升压芯片选用了芯鼎盛的X4310，此芯片在输入2.7~5V时会固定输出5V,且该芯片带有限流保护——当输出电流大于300mA,后，芯片会限制电流在300mA,保证了整个系统的安全。

2.4 锂电池充放电管理电路

关于锂电池充放电电路，本次使用了比较常用的TP4054充放电管理芯片，最大充电电流500mA，且该电流可以通过更改电阻进行调节，在充电过程中，芯片1脚接地，LED灯亮起，当电量充满后，芯片1脚更换为高组态，LED灯熄灭，可以根据LED灯亮灭判断电池充电状态。

2.5 显示电路

显示电路使用0.96寸OLED屏，该屏幕使用I2C进行通讯，因此仅需要4个引脚就可以实现数据的实时显示，能够极大程度上减少IO资源的使用

2.6 按键控制电路

本工程按键识别使用中断的方式进行，在每个按键周围增加100nF电容进行滤波去抖动，经过验证，使用该方式进行按键检测，检测精度较高，不会出现按键按下没反应以及单击按键出现双击的情况。

2.7 电流、电压采样电路

电压采样电路通过精度1%的分压电阻分压后，进入MCU的ADC采集端口，二极管D3、D5在此处起限压作用，避免高压进入采集端口损坏MCU。电压采样过程中，电压首先经过21倍衰减后，由MCU的ADC引脚采集并与内部参考电压对比，对比出电压数值后输出（如果输出小于3V，切换2倍衰减通道重新转换，提高测量精度）。内部参考电压选择1.5V参考；电流采样同理，只是将电压衰减电路中的电阻更换为100mΩ的采样电阻，使用ADC读取采样电阻电压从而获得电路电流。

 

2.8 电阻电容测量

本次电阻电容的测量使用了NE555方波发生的原理，首先将待测电容、电阻接入NE555电路中，使NE555电路输出不同频率的PWM波，之后利用CW32输入捕获功能捕获PWM波形频率，最后经过计算得到待测电阻、电容值，具体计算步骤如下：

上图为NE555产生方波时的接线图，而产生方波的频率、占空比计算公示如下（周期：T，频率F，占空比：D）：

因此，想要测量电容C1，只需要控制R1,R2为定值，并根据MUC捕获的PWM频率 F 计算即可，公式为：C1=1.44/(R1+2*R2)*F)

同理，电阻R2的值可根据公式：R2=1.44/(2*F*C1)-R1/2。

 

 

 

3、实物图

 

4、PCB设计说明

在PCB设计中，电源部分走线应该进行加粗处理，必要时使用铺铜进行连接。

在设计电流测试电路时，考虑到该路径会经过最大3A的电流，因此一定要进行焊盘全连接方式的铺铜处理，且铜皮宽度一定要宽，避免大电流使PCB发热，影响测量精度。

5、关键程序说明

5.1 按键识别中断配置

初始化IO口时，需要配置外部中断触发条件，然后打开外部中断。

中断服务函数：

本项目中所有GPIO端口共用一个中断服务函数，在函数中判断具体拿哪个IO口中断并更新标志位。

5.2 ADC配置

在ADC转换中，需要使用3个ADC口，因此配置ADC时需要使用多通道转换，同时需注意开启对应ADC转换通道。

5.3 定时器配置

电阻、电容测试均使用了定时器，定时器配置如下：

开始尝试使用一个定时器两个通道完成输入捕获的，但是发现同一个定时器输入捕获中断开始标志位只有一个，不能同时捕获两路不同频率的PWM波，

最终使用了两个定时器完成。

 

6、物料购买

在项目例中，所有物料均可以在立创商城中购买，推荐使用立创商城！

7、装配说明

该项目所有阻容均使用0603封装，初学者简易更换为插件式封装降低焊接难度，外壳和PCB通过4颗M3螺丝固定，18650锂电池放在外壳内。