CW32电压电流表

一、项目功能介绍

该项目的功能包括：

1. 电压测量：能够精确测量直流电压，显示实时电压值。
2. 电流测量：能够精确测量直流电流，显示当前电流值。
3. 校准功能：提供校准接口和方法，确保测量结果的准确性。

实物展示：

二、硬件设计

1. MCU的选型：该项目选用的是立创·地文星CW32F030C8T6

CW32在本项目中的重要优势：

·宽工作温度：-40~105℃的温度范围

·宽工作电压：1.65V~5.5V （STM32仅支持3.3V系统）

·超强抗干扰：HBM ESD 8KV 全部ESD可靠性达到国际标准最高等级(STM32 ESD2K)

·本项目重点-更好的ADC：12位高速ADC 可达到±1.0LSB INL 11.3ENOB 多种Vref参考电压... ...（STM32仅支持VDD=Vref）

·稳定可靠的eFLASH工艺。

 

2.供电电路：LDO选择了SE8550K2，最高可输入40V电压，但为了安全！！！尽量不要接入大于30V的电压。同时也可以使用开发板上的Type-C接口或者烧录口进行供电。

 

3.电压采样电路：设计了可以采集高达100V的电压，但为了安全，实际配置为0-30V。选择220KΩ和10KΩ电阻组成分压电路，使得分压比例为22:1。ADC参考电压，本项目中为1.5V。在电路中使用1N4148二极管作为钳位二极管，防止因输入电压过高而损坏MCU。二极管钳位能够限制电压幅度，保护电路不受过电压损坏。还增加一组电压采样电路，根据实际电压选择不同的采样通道，以提高测量精度。在0-3V范围内切换到更高精度的通道进行测量。

 

4.电流采样电路：采用低侧电流采样电路进行电流检测，采样电路的低侧与开发板表头接口共地。选择100mΩ(一定要选择大封装，例如2512 或者使用插件电阻)的采样电阻来检测最高3A的电流。

这两个元件是2mm香蕉头，可以在公开库中找到。

 

5. 电压测量校准的TL431电路设计：额外增加了一个TL431电路用来提供一个2.5V的基准电压，可用于给芯片一个用于校准AD的外部电压基准。

 

6.数码管显示：使用了两个0.28寸的三位共阴数码管作为显示器件，数码管的限流电阻为300Ω。

 

7.LED指示灯：在供电电路中加入一个电源指示灯，和一个和单片机PC13口连接的LED灯。

 

8. 按键电路设计：设置了三个按键供用户使用。

 

9. PCB设计：

电流采样电阻的开尔文接法：

在放置DC电源接口和连接开发板的排母时需要注意放置的位置和距离(连接开发板的排母的中心间距为600mil)

DC电源输入端要按原理图的顺序依次放置元件

电流采样部分使用铺铜时与焊盘连接方式不要使用默认的发散，要选择直连或者直接使用填充。

DRC设计的注意事项：

电源走线应尽可能宽，约在20~60mil之间。

普通信号线：10mil左右

ADC信号走线：10mil或8mil。太宽则在线路过长时，有可能影响信号的完整性。

 

三、软件部分

1. 标定的概念

 标定是通过测量标准器的偏差来补偿仪器系统误差，从而改善仪器或系统准确度、精度的操作。为了提高电压电流表在测量时的测量精度和准确度，需要对电压电流进行标定校准。

常见的标定原理如下：

假设一个采样系统，AD部分可以得到数字量，对应的物理量为电压（或电流）；

1.若在“零点”标定一个AD值点Xmin，在“最大处”标定一个AD值点Xmax，根据“两点成一条直线”的原理，可以得到一条由零点和最大点连起来的一条直线，这条直线的斜率k很容易求得，然后套如直线方程求解每一个点X（AD采样值），可以得到该AD值对应的物理量（电压值）：

上图中的斜率k：

k =（Ymax-Ymin）/（Xmax-Xmin）

（因为第一点为“零点”，故上面的Ymin = 0）

所以，上图中任一点的AD值对应的物理量：

y = k×（Xad- Xmin）+0

上面的算法只是在“零点”和“最大点”之间做了标定，如果使用中间的AD采样值会带来很大的对应物理量的误差，解决的办法是多插入一些标定点。

如下图，分别插入了标定点(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)、(x4，y4) 四个点：

这样将获得不再是一条直线，而是一条“折现”（相当于分段处理），若欲求解落在x1和x2之间一点Xad值对应的电压值：

y = k×（Xad– X1）+ y1

由上看出，中间插入的“标定点”越多，得到物理值“精度”越高。

在电压电流表测量可以使用“电压电流标定板”“万用表”等配合适合，对采集的电压电流进行标定处理。标定点越多，测量越精确。

2.程序部分：

在源程序中使用了3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。但因为我目前没有15V以上的供电设备所以电压标定点重新设为0V、5V、10V。所以下面的程序都是围绕这三个值来编写的。

主程序代码如下：

标定代码计算斜率函数如下：

校准存储函数如下:

3.烧录注意：在烧录时要选对烧录器(根据自己的烧录器选择)

 

四、标定设置

1.五种显示模式，四种标定选择：

模式0： 显示正常的电压电流值（上一排数码管显示电压值*.V或.*V自动切换，下一排显示电流值，_.**A）

模式1： 电压5V标定值设置。上一排数码管显示U.05. 。下一排显示当前电压值*.**V。在该模式下，应将万用表测量被测位，调到5.00V。 按下K2键后，将当前值标定为5V电压值。

模式2： 电压10V标定值设置。上一排数码管显示U.10. 。下一排显示当前电压值*.**V或**.*。在该模式下，应将万用表测量被测位，调到10.0V。 按下K2键后，将当前值标定为10V电压值。

模式3： 电流0.5A标定值设置。上一排数码管显示A.0.5 。下一排显示当前电流值*.**A。按下K2键后，将当前值标定为0.5A电流值。

模式4： 电流1.5A标定值设置。上一排数码管显示A.1.5 。下一排显示当前电流值*.**A。按下K2键后，将当前值标定为1.5A电流值。

在模式1-4时，可以通过按键3直接返回模式0。

2.电压标定：(标定5V和10V方法一致，需要标定两个值才能准确测量)

1. 使用DC电源作为输入，接上JP1处的跳线帽。
2. 把万用表黑色表笔接入TGDND中，红色表笔接入T_V中。
3. 通过按键1把模式调到模式1。
4. 通过调节RP1使万用表上显示5.00V，然后按下按键2进行标定。
5. 标定完成后，通过按键3返回模式0。

3.电流标定：(标定0.5A和1.5A方法一致，需要标定两个值才能准确测量)

   标定电流使用的是电压模拟方式进行标定。万用表使用显示的电压=R0(0.1Ω)*实际电流。所以万用表显示的电压*10可以看作为实际电流值。(在标定时不要焊接R0)

1. 使用DC电源作为输入，接上JP2处的跳线帽。
2. 把万用表黑色表笔接入TGDND中，红色表笔接入TI+中。
3. 通过按键1把模式调到模式3。
4. 通过调节RP2使万用表上显示0.05V，然后按下按键2进行标定。
5. 标定完成后，通过按键3返回模式0。

 

 

五、外观、外壳部分

1.嘉立创彩色PCB设计：PCB的设计使用嘉立创的彩色丝印工艺，使外观更加好看，美观。

2.嘉立创面板设计：使用了嘉立创的面板设计，并在立创商城中进行面板定制。面板的工艺使用了薄膜面板，高透明,无鼓包,厚度0.2mm,强遮光，背胶使用了3M9448A。可以贴在3D外壳上。

3.3D外壳设计：外壳在SolidWorks中进行设计，并在嘉立创进行3D打印。外壳使用上盖和后盖设计方案，并通过M3螺丝和M3螺母进行组合。(螺丝的长度为16mm)

展示视频：【立创开发板】CW32电压电流表_哔哩哔哩_bilibili