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一种基于STM32的数字多用表的设计
本项目基于STM32设计了一种高精度、误差小、使用方便的数字多用表,
系統功能模块包括直流电压测量、交流电压测量、电阻测量、电流测量、A/D转
换模块、STM32嵌入式系统、按键模块、LCD显示八个部分。测试表明,系统
测量值与实际值误差≤2%,电压精确到1mV,电流精确到0.1mA,可应用于对
误差有一定要求场合。
标签:仪器仪表;万用表;STM32;AD7705;
1系统整体结构
本数字万用表整体设计框图如图1。直流电压测量、交流电压测量、电阻测
量、电流测量四个功能模块为系统采集模块,负责采集相应的信号,采集后经过
一定的信号转换电路,转换成A/D转换模块可以识别的电压值;A/D是系统的转
换模块,负责将采集的数据进行AD转换,并传输到单片机;单片机是系统的数
据处理和控制模块,其实现选档控制、数据处理、显示控制、AD控制等;LCD
是系统的显示模块,实现测量结果的显示。
2硬件设计
2.1交流电压测量电路
将交流信号经过不同量程的放大电路之后,送入检波电路,检波后的直流信
号输入A/D芯片进行直流电压的测量,获得直流信号电压值则可计算的交流信
号电压有效值,其流程图如图2:
待测信号通过运算放大器(OPA2356)将被放大相应倍数,然后送入检波电
路,把放大后的交流信号检波成直流信号,检波后的直流信号送入AD7705进行
转换。图中不同电阻对应不同的放大倍数,而实际的放大倍数可能会因为检波二
极管的性能有所调整。
2.2电阻测量电路
电阻测量电路如图4所示,待测电阻与标准精密电阻分压,检测待测电阻电
压,则可根据欧姆定律计算电阻值。图中各个开关的断开与闭合用于量程选择,
而实际设计中这些开关由单片机I/O控制MOS管开关驱动代替,实现对量程的
自动选择。
2.3电流测量电路
INA282AIDR是一款电流检测芯片,其分压输入为-5~+18V,有单极性输出
和双极性输出两种模式,电流测量电路设计如图5所示。电流测量思路与电阻测
量相似,将电流转化为电压,然后送入A/D芯片。图中的R2为功率电阻,其作
用便是接入待测电流信号,转化为电压信号,功率电阻参数为0.15Ω/5W,功率
最好大一些,这样发热比较少,电阻不会很烫,防止烧坏,且精度可以保证。
2.4STM32嵌入式系统
STM32系统需要实现SPI通信读取AD7705数据;LCD显示测量参数;按键切
换测量模式和量程功能。系统需两个按键,采用中断监测,一个用于测量模式切
换;另一个实现不同阻值电路通断,用作量程切换,按键连接如图6。另外,需要
引出自有ADC通道和串口、I2C等其他拓展功能引脚。
2.6AD转换电路
AD7705是双通道全差分模拟输入,带有差分基准输入的16位AD芯片,
其电路图如图7所示,J1排针为待测电压输入端,DOUT为电压输出端。AD7705
有两个通道,可检测0~5V电压(单极性)和±2.5V电压(双极性),我们将一
个通道设为单极性,一个通道设为双极性。
3软件设计
3.1AD7705模块设计
AD7705采用SPI通信方式读取数据,需要发送规定的指令来执行所对应的
的动作,例如读取通道1的AD值,则需要写入字节“0x38|1。在初始”化AD7705
完成后,可以利用图11函数,来读取指定通道的AD值,AD值为16位,需要
循环读取16次,依次存入变量中。
3.2测量模式和量程切换
本系统测量模式的切换使用按键切换,每次按键1被按下,则mode标志位
加1,通过判断mode值从而选择不同的测量模式(如图12)。电压量程的切换
使用按键2更改rank值,原理同上。而电阻量程的切换采用自动切换,从低档
位依次计算判断,若计算后待测电阻值大于该档位值,则切换下一量程继续计算,
直到不大于档位值为止。
每个测量模式和量程都有独立的AD/指标值对应的数学模型,进入不同的测
量模式和量程后,则会调用不同的数学公式来计算出实际的指标
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