本人为初二学生，水平有限，难免会有疏漏，请谅解

 

B站视频链接：【立创·地文星】我把火山做进了电压电流电阻表？！_哔哩哔哩_bilibili

B站视频链接：【立创·地文星】我把火山做进了电压电流电阻表？！_哔哩哔哩_bilibili

B站视频链接：【立创·地文星】我把火山做进了电压电流电阻表？！_哔哩哔哩_bilibili

 

项目功能：

测量电压0~30V

电流0~3A

电阻0~4MΩ（共5档位，自动切换）

且可以标定、模拟测量、校准

 

相较于官方例程的改进与创新：

1.电阻测量及模拟

2.OLED屏幕显示

3.标定界面图形化显示

4.串口发送测量数据

5.未接入测量源检测

6.标定值恢复默认

7.电阻档位自动切换

8.电阻测量校准

 

本文档除部分代码解释外全为自己所写，没有复制官方项目文档

此项目已进行器件标准化检查，立创商城可直接下单

贴片电阻、电容均使用0805封装，方便焊接

 

修改记录：

2024.8.25：修改电阻测量的原理图错误

 

 

实物演示：

 

 

 

 

按键功能表：

 

 

1. 原理图及器件选型

 

 

 

1.1 电源电路

 

 

 

1.1.1LDO选型

本项目电压测量范围设定为0~30V，考虑到单独使用一路电源单独供电较为麻烦，故选用一颗输入电压高的LDO，在测量的同时也可供电。

数据手册：

SOT89的封装有更好的散热能力，同时PCB采用填充区域连接，并打上过孔，进一步加强散热。

 

 

 

1.1.2 电容

输入、输出处采用47uF电解电容+100nF进行滤波，大电容滤除低频干扰、小电容滤除高频干扰

 

注意：电流先经过大电容再经过小电容

 

 

 

1.1.3 二极管防反接

选用肖特基二极管，造成的压降更低

相较于官方例程，采用群友建议，将VP移至二极管前，防止测量电源反接，损坏电路

 

 

1.1.4 电阻

一颗10Ω的电阻，充当保险丝，同时可进行分压，减小LDO发热

 

 

 

1.1.5 LED指示灯

10K电阻限流

 

 

 

*1.1.6 单点接地

因布局水平有限，地线很难走通，所以本项目只做了铺铜时的隔离，没有采用单点接地

 

 

 

1.2 按键电路

按下按键后，GPIO口被拉至低电平，通过读取输入可获得按键状态

用三个按键实现模式切换、标定、返回的功能

 

 

 

1.3 LED指示灯

对应GPIO输出低电平，LED点亮

 

 

 

1.4 测量电路

本项目的核心

 

 

1.4.0 CW32ADC主要特性

 

 

 

1.4.1 电压采样

 

 

 

1.4.1.1 测量精度及范围计算分析（使用内部1.5V作为基准电压）

电压采样设置成两个档位，分别为22：1分压、1：1分压

采样电阻精度均为千一

设计上，此表测量电压为0~30V，

 

故第一档测量范围：0~30V

低侧电阻通常为10K，

高侧电阻计算：

30V*10K/(R+10K)=1.5V

为留出余量，选用E24中的220K电阻

 

第二档将范围设为0~3V

低侧电阻仍为10K，高侧电阻R：

3V*10K/(10K+R)=1.5V

高侧电阻也为10K

 

CW32内部ADC为12位，将输入电压分为2^12份，在1.5V基准下，每份为

1.5V/2^12=0.000366V

所以第一档的测量精度为

0.000366V*23=0.0084V

第二档的测量精度为

0.000366V*2=0.000732V

由此可见换挡的意义，可提高测量精度，当测量电压低于3V时，切换为第二档（其实第一档精度已经很高了，没有什么意义）

 

 

 

1.4.1.2 二极管及电容

二极管正向钳位，防止过高电压伤害单片机

电容进行滤波

 

 

 

1.4.2 电流采样

 

 

 

1.4.2.1 测量精度及范围计算分析（使用内部1.5V作为基准电压）

本项目设计上测量电流为0~3A

检流电阻阻值的选择不能无限制的追求过大或过小

综合多种因素，将阻值设定为100mΩ（即0.1Ω），

可计算出

3A*100mΩ=300mV，900mW

故选用1W封装的电阻

 

3A电流带来的压差为300mV，

所以精度为

3*0.000366V/300mV=0.00366A

 

因为设计电流测量范围不大，所以电流测量仅设计了一档

 

 

 

1.4.2.2 1K电阻作用

具有一定限流作用，可保护ADC引脚

与电容一同组成RC低通滤波器，滤除高频噪音

 

 

 

1.4.2.3 二极管及电容

二极管正向钳位，防止过高电压伤害单片机

电容进行滤波

 

 

*注意：进行模拟测量时，100mΩ检流电阻不焊接！！！！

 

 

 

1.4.3 电阻测量

 

 

 

1.4.3.1 测量精度及范围计算分析（使用内部1.5V作为基准电压）

整体测量思路：利用Pmos选择不同量程分压电阻，通过电阻分压原理实现电阻测量。

电阻测量共设置4个档位，分压电阻均为千一精度

 

Pmos原理：当栅极（G）与源极（S）之间的电压差低于阈值电压时，源极（S）和漏极（D）会导通。

说人话就是Pmos低电平导通。

所以想将谁接入电路，需要将对应IO口输出低电平

 

此mos导通后的电阻相对于KΩ、MΩ来说很小，可忽略不计

 

栅极加10K上拉电阻的原因：

1.防止不确定状态：MOS管在上电前，其栅极可能处于高阻状态，这时容易受到外部干扰，导致栅极电压不稳定。通过接上一个拉电阻，可以确保上电时栅极有一个确定的电平，避免不确定状态对MOS管的影响。

2.防止误导通：如果栅极在上电时受到干扰，可能会导致MOS管在不受控制的情况下导通，进而可能损坏电路中的其他元件。上拉电阻可以确保栅极电压在安全范围内，防止MOS管误导通。

3.寄生电容的存在：MOS管的栅极和源极之间存在寄生电容。当电路断电时，这个寄生电容会储存一定的电荷，如果没有放电路径，那么在下一次上电时，这些电荷可能会导致MOS管处于不受控制的导通状态。

 

对于第一档，高侧电阻为1K，ADC输入最大电压为1.5V，

测量最大值：

5V*R/(1K+R)=1.5V，R=428Ω

测量精度：

5V*△R/(1K+△R)=0.000366V，△R=0.073Ω

 

 

对于第二档，高侧电阻为10K，ADC输入最大电压为1.5V，测量最大值：

5V*R/(10K+R)=1.5V，R=4.28KΩ；

 

测量精度：

5V*△R/(10K+△R)=0.000366V，△R=0.73Ω

 

对于第三档，高侧电阻为100K，ADC输入最大电压为1.5V，

测量最大值：

5V*R/(1K+R)=1.5V，R=42.85KΩ；

测量精度：

5V*△R/(100K+△R)=0.000366V，△R=7.32Ω

 

对于第四档，高侧电阻为1M，ADC输入最大电压为1.5V，

测量最大值：

5V*R/(1K+R)=1.5V，R=428.57KΩ；

测量精度：

5V*△R/(1M+△R)=0.000366V，△R=73.21Ω

 

对于第五档，高侧电阻为10M，ADC输入最大电压为1.5V，

测量最大值：

5V*R/(1K+R)=1.5V，R=4.28MΩ；

测量精度：

5V*△R/(10M+△R)=0.000366V，△R=732.05Ω

 

 

 

1.4.3.2 二极管及电容

二极管正向钳位，防止过高电压伤害单片机

电容进行滤波

 

 

 

1.4.4 电压模拟测量及接口电路

 

 

 

1.4.4.1 电压模拟测量

考虑到手头没有可调电源，自行搭建实验平台也不方便，故增加一组模拟测量电路进行实验与标定

使用时利用跳线帽短接

选用一颗多圈可调电位器进行分压

此电位器行程长，适合进行模拟测量及标定

（这电位器好贵啊，5个花了十多块钱）

 

 

 

1.4.4.2 电压测量接口

TV、TGND为2mm香蕉座，用来连接万用表表笔。

可使用万用表进行标定，也可使用2mm香蕉头的万用表表笔进行测量。

VP引脚为开发板供电引脚

在没有使用DC端口供电时，可接入5V~30V的电源同时测量并供电

 

 

 

1.4.5 电流模拟测量及接口电路

 

 

 

1.4.5.1 电流模拟测量

考虑到手头没有可调电源，自行搭建实验平台也不方便，故增加一组模拟测量电路进行实验与标定

使用时利用跳线帽短接

选用一颗多圈可调电位器

此电位器行程长，适合进行模拟测量及标定

分压后的范围：

5V*10K/(10K+200K)=0.238V，

可模拟出0~0.238V的电压

 

此电压为检流电阻产生的压降，故可模拟0.238V/100mΩ即0~2.38A的电流

 

 

 

1.4.5.2 电流测量接口

TA、TI+为2mm香蕉座，用来连接万用表表笔。

可使用万用表进行标定，也可使用2mm香蕉头的万用表表笔进行测量。

在不使用外部电流表标定时，电流接入U9接口

当需要使用外部电流表进行标定时，电流接入U8的1引脚和U9的2引脚，香蕉座串联电流表

当进行模拟测量时，万用表接入TI+和电压接口的TGND，即可测量模拟电流的对应电压

 

 

 

1.4.6 电阻模拟测量及接口电路

 

 

 

1.4.6.1 电压模拟测量

考虑到手头电阻型号不全，电阻大多也都是贴片电阻，故增加一组模拟测量电路进行实验与标定

使用时利用跳线帽短接

选用一颗多圈可调电位器进行分压

此电位器行程长，适合进行模拟测量及标定

此电位器选用为100KΩ，模拟范围0~100KΩ的电阻

（这电位器也好贵啊，5个花了十多块钱）

 

 

 

1.4.6.2 电阻测量接口

TR1、TR2为2mm香蕉座，用来连接万用表表笔。

可使用万用表进行标定，也可使用2mm香蕉头的万用表表笔进行测量。

万用表接入香蕉座即可对电位器进行测量

 

但此方案不足

当进行模拟测量时，加入万用表就相当于并联进一个电阻，导致测量不准，不能进行同时测量，目前还没有解决方案，只能分开测

 

 

1.4.7 电压基准电路

 

 

 

1.4.7.1 TL431原理

TL431内部原理图：

TL431内部的电压比较器将参考端R的电压与内部的Vref基准电压进行比较。

其核心为一个运算放大器，充当电压比较器的作用。

当同相输入端的电压大于反向输入端时，输出高电平；反之输出低电平

ANODE可视为GND

当REF的电压大于2.5V时，比较器输出高电平，使输出开关管导通，从而拉低阴极（CATHODE）的电位，降低输出电压。

当REF的电压小于2.5V时，比较器输出低电平，输出开关管截止，REF点位回升

所以REF就几乎等于Vref（即2.5V）

 

此外TL431还具有可调输出的功能，本项目没有用到，故不做说明

 

 

 

1.4.7.2 电阻

根据数据手册，TL431的输入电流不应小于1mA

(5V-2.5V)/1mA=2.5KΩ

为减少使用电阻种类，选用1K大小

此时电流为(5V-2.5V)/1K=2.5mA

 

在TL431输出带载时，还需注意此电阻的功率封装

本项目没用用到，故不做说明

 

 

以上为本项目的原理图部分

 

 

 

 

2. PCB布局及走线要点

PCB（已隐藏彩色丝印及3D外壳）

 

 

 

2.1 电流采样部分

为通过大电流，使用填充区域进行连接

使用铺铜也可，但注意焊盘链接方式（与铜箔）不要使用默认的发散

同时，使用禁止区域隔离GND

 

 

2.2 GND

虽然I-网络与GND网络为同一网络，

但是需要注意I-会有大电流通过，属于“功率地”，

即使该点已经接地也会因为电流的波动造成网络电平变化，

因此我们可以将该网络视为一个“干扰源”；

而GND网络为表头电源负极，即“信号地”，

同时，由于单片机的AGND与表头GND并未进行隔离，

那此时可以将表头GND视为“敏感地”，

因此需要避免被干扰。在电路设计中，

切勿将所有的GND笼统的连接在一起。

 

 

2.3 散热设计

降压芯片在工作时会发出很大热量

需打过孔及铺铜散热

切勿忘记开窗

 

 

3. 元器件下单及焊接

此项目已进行器件标准化检查

所有元件均可在立创商城直接下单

 

焊接时注意：

1.焊接电源芯片及器件，焊好后先测量GND和电源有没有短路，然后通电测试，测量降压部分是否准确，没有问题后进行下一步

2.焊接贴片元件，从小到大、从低到高焊接

3.焊接插件，焊接排母时可先插到开发板的排针上，确保间距合适，避免焊好后开发板插不上的尴尬局面发生

4.用万用表通断档测量GND和电源有没有短路

5.注意二极管、电解电容、LED等有极性的器件，不要焊反（我焊错了一个，排查了2个小时）

 

注意：检流电阻在模拟测量时不焊接！！！

注意：检流电阻在模拟测量时不焊接！！！

注意：检流电阻在模拟测量时不焊接！！！

 

贴片电阻、电容均使用0805封装，方便焊接

 

 

4.程序编写及调试

代码文件见附件

代码详解见下文

 

4.1 江协科技OLED驱动库移植

修改GPIO定义及初始化即可

 

修改完成之后，点个屏

 

嘉立创，启动！！！！

 

 

4.2 移植官方例程

绝对不是我懒，实在是不想从头开始写了

将部分引脚适配

删除数码管驱动函数

改为OLED显示

感受一下ADC

 

 

4.3 放飞自我  增加功能

串口部分在官方例程的基础上修改

 

 

增加电阻测量功能

 

 

将标定界面改为图形化

 

 

增加未接入测量源检测功能

 

 

增加标定值恢复默认功能

具有防误触功能，连续按下两次后才会恢复默认

 

具体代码详解见下文

 

 

5. 代码详解

工程文件见附件

工程文件见附件

工程文件见附件

 

程序框图：

 

 

时钟树配置：

在CW32的库函数中找到cw32f030_rcc.h，头文件中有时钟树相关配置的函数，如下图：

 

 

配置时钟树的程序如下：

 

 

CW32 的外时钟默认是全部关闭,使用 GPIO 外设之前我们需要先开启对应的时钟。

在 CW32 提供的库函数中找到 cw32f030_rcc.h，这个头文件包含了所有时钟相关的函数接口。

外设时钟的接口如下图所示:

 

代码如下：

 

 

 

GPIO初始化：

GPIO初始化包含了模式,中断使能,io引脚位号。

CW32的GPIO初始化是先把所有初始化项写在一个结构体里面，然后把结构体传入带初始化函数里，完成初始化功能。

与GPIO相关的函数接口都在cw32f030_gpio.h头文件里面，我们先看GPIO模式有哪些，

如下图所示：

GPIO模式包含了模拟输入，数字输入，数字上拉输入，数字下拉输入，数字推挽输出，数字开漏输出模式。

 

中断使能包含了：无中断，上升沿，下降沿，低电平，高电平中断使能。

 

GPIO位号如下图所示：

 

引脚输出还需要配置GPIO的输出速度，有高低速两种速度设置，我们设置高速

 

以上配置就完成了GPIO的结构体初始化，

然后我们需要调用初始化函数，

在cw32f030_rcc.h里找到void GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init);

包含了两个参数，第一个参数是GPIO的基地址，第二个参数是初始化配置结构体。

 

 

LED测试灯引脚设为推挽输出模式

 

 

按键输入引脚设为上拉输入模式

 

 

电阻测量档位选择引脚设为开漏输出模式

之所以使用开漏输出是因为MOS管已接上拉电阻

 

 

至此，GPIO初始化已完成

 

 

下一步，初始化ADC、定时器及串口

 

CW32F030 内部集成一个 12 位精度、最高 1M SPS 转换速度的逐次逼近型模数转换器 (SAR ADC)，最多可将 16 路模拟信号转换为数字信号。现实世界中的绝大多数信号都是模拟量，如光、电、声、图像信号等，都要由 ADC 转换成数字信号，才能由 MCU 进行数字化处理。

 

CW32F030采用的是逐次逼近型的12位ADC，逐次逼近型ADC是一种常见的ADC工作原理，它的思想是通过比较模拟信号与参考电压之间的大小关系来逐步逼近输入信号的数字表示。在逐次逼近型ADC中，输入信号和参考电压被加入一个差分放大器中，产生一个差分电压。然后，这个差分电压被输入到一个逐步逼近的数字量化器中，该量化器以逐步递减的方式将其与一系列参考电压进行比较。具体来说，在每个逼近阶段，量化器将输入信号与一个中间电压点进行比较，将该电压点上方或下方的参考电压作为下一个逼近阶段的参考电压。这个过程一直持续到量化器逼近到最终的数字输出值为止。

 

 

需要注意的是在用户手册中的ADC章节有进行说明。参考电压使用内部1.5V，所以ADC的最大时钟频率为4MHz。因此我们使用ADC时，需要将挂载ADC的时钟总线频率分频到4MHz以下。

ADC时钟来源：

 

我们选择4分频，ADC的时钟为：

 

 

要操作 GPIO 引脚，必不可少的就是对 GPIO 进行配置，包括开启时钟、配置模式、配置输出、设置功能等

 

ADC配置好之后并不能开始工作，还需要去使能。

需要注意的是要先使能了ADC之后，才能开始进行自校准。

 

以下为ADC初始化函数：

 

 

 

CW32F030C8T6一共有8个定时器，包括1个高级控制定时器、4个通用定时器和3个基本定时器。

这次使用的是BTIM1基本定时器

主要特性如下：

 

使用定时器功能，都需要有以下几个步骤。

• 开启时钟（定时器时钟）
• 开启中断
• 配置定时器参数
• 使能中断事件和定时器
• 编写中断服务函数

 

配置代码如下：

 

中断服务函数：

具体功能一会儿再介绍

 

 

 

一般我们使用串口，都需要有以下几个步骤。

• 开启时钟（包括串口时钟和GPIO时钟）
• 配置GPIO复用模式
• 配置GPIO的模式
• 配置GPIO的输出
• 配置串口（配置一些参数）
• 使能串口（串口使能和发送使能）

 

本项目使用的是UART3，

PA9复用为TX

PA10复用为RX

 

相关参数已宏定义，方便修改

 

开启时钟：

 

配置GPIO及复用功能：

 

 

串口配置：

 

 

相关参数：

USART_InitStructure.USART_BaudRate：波特率

计算公式：

 - USART_Over = 00， BaudRate = UCLK / (16 * BRRI + BRRF)
 - USART_Over = 01， BaudRate = UCLK / (8 * BRRI)
 - USART_Over = 10， BaudRate = UCLK / (4 * BRRI)
 - USART_Over = 11， BaudRate = (256 * UCLK) / BRRI 

USART_InitStructure.USART_Over：采样方式

USART_InitStructure.USART_Source：传输时钟源UCLK

USART_InitStructure.USART_UclkFreq：USART时钟频率(和主频一致即可)

USART_InitStructure.USART_StartBit：起始位判定方式 

USART_InitStructure.USART_StopBits：停止位长度

USART_InitStructure.USART_Parity ：校验方式

USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl ：硬件流控

USART_InitStructure.USART_Mode ：发送/接收使能

 

 

接下来进行串口的重定向

使用printf这个函数，即可通过%d,%f打印整形和小数

相较于发送字符串更为方便

代码如下：

 

 

至此，ADC、定时器及串口已初始化完成

 

 

 

初始化已经完成，接下来开始搞事情

 

先介绍一下标定吧，

可以说是这个项目比较麻烦的地方

 

介绍一下概念（摘自官方）

 

程序中使用三点标定

其中，电压标定点为0V、5V、15V。

电流标定点为0A、0.5A、1.5A。

电阻进行简单的线性标定

 

 

此函数用于计算斜率K

相信上过初中就能理解

不多说了

 

 

对电压测量的原始值进行处理

以下为代码：

 

 

首先判断测量值在折线的哪一处线段

再根据斜率和标定点坐标计算出处理过后的数值

此数值以1000倍存储，进行四舍五入后变为实际值的100倍

显示时除以100即可

 

 

 

电流的标定同理，仅需修改相关变量

代码如下：

 

 

电阻的测量及标定比较复杂

因为设有多个档位

仅做了线性标定（绝对不是我懒）

 

定义变量RMode

用于切换不同档位

 

 

再编写用于切换电阻测量档位的函数：

 

 

对于不同的测量档位，使用不同的计算公式：

R_Buffer第一次计算先将测量值转为实际值

转换公式推导如下：（x表示ADC测量值，r表示待测电阻值）

 

第一档：单位Ω

解得：

 

之后几个档位推导公式大同小异

仅需修改分压电路中高侧电阻的阻值

这里直接放出结果：

 

第二档：（单位Ω）

 

第三档：（单位kΩ）

 

第四档：（单位kΩ）

 

第五档：（单位kΩ）

 

 

计算出初始测量值后，

根据标定数据进行校准

 

 

利用数学绘图软件输入随机取样的测量和实际数据

将其变为坐标系上的点

 

 

之后使用最佳拟合直线功能，求出校准函数

当测量值较小时，与校准函数不是很匹配

所以将小于1KΩ的数据再一次进行拟合

 

于是我们就得到了两条校准函数

 

 

将其写进程序：

 

 

电阻还需增加档位自动切换功能

以下为相关代码：

 

 

 

 

 

测量及标定部分完成

 

 

再说一下OLED的绘图部分

尤其是标定的绘图

看了是不是有点蒙？

待我向你娓娓道来

 

 

以电压的5V标定为例

 

X1Y1为第一个标定点的坐标

X2Y2为第二个标定点的坐标

 

 

VADC为ADC获取的原始电压数据，范围0~4096

OLED屏横向共有128个像素

 

VADC除以4096后再乘128即为对应横坐标

 

 

 

可能会有人疑惑，

595这个数是怎么来的

 

 

电压第一标定点为5V

根据前文计算的测量精度，

电压第一档分辨率为0.0084V

所以

 

595为5V经过1:22分压后在ADC测得的原始数值

 

因为坐标系纵向有48个像素

所以除以4096后乘48

 

 

15V标定点也是这个逻辑

 

 

只不过是把ADC的测量值改为存储在flash中的校准值罢了

 

 

折线绘制完成后，

需要将标定点向X轴作垂线

还需显示相关文字说明

 

效果如下：

 

 

 

电流的标定显示相差不大

唯一需要注意：

电流最大量程为3A，转化为电压是0.3V

而ADC的量程是1.5V，所以每一个坐标都要额外乘5

 

代码如下：

 

 

 

之后，需要将标定数据存储至flash

代码如下：

 

 

 

同时，在每一次的标定及测量前，也需要读取flash中的标定值

 

 

串口发送

此功能不难，将显示到屏幕上的内容发送至串口即可

注意，电压电流以100存储，显示时需*0.01

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

均值滤波算法（摘自官方文档）

 

 

 

碍于篇幅，较为细节的部分没有提及

如有问题，请下载附件中的程序，里面有详细的注释

 

 

 

 

6. 烧录教程

 

插入烧录器（我用的是STLink）

 

 

打开工程文件

点击魔法棒

 

 

 

 

选择对应芯片（需下载PACK包，在芯源半导体的官网上）

 

 

选择对应烧录器

 

 

编译后下载

 

如报错，是因为编译器默认不支持中文，这加入这样一段话：

--no-multibyte-chars

 

 

本工程使用GB2312编码

打开后如有乱码（像这样）

 

则需更改编码方式

 

点击小扳手，选择GB2312

 

 

 

 

 

7. 串口发送教程

 

连接USB转串口芯片

 

安装CH340的驱动（网上有教程）

 

打开串口助手（我用的是江协科技的）

 

选择串口号、9600波特率

其他设置如下：

 

打开串口即可收到数据

 

 

 

写在最后：

马上就要开学了，接下来很长一段时间都应该不会再碰这些东西了

第一次打了彩色丝印的板子，加上沉金是真得好看

 

 

 

面板也是第一次打样，很好看

 

 

 

3D外壳吊打淘宝

 

 

不得不说，白嫖真的香（）

所以，感谢嘉立创