基于STM32的自动量程电压表的设计方案.pdf

基于 STM32 的自动量程电压表的设计方案 　　方案中的整个系统可以用一块 9V 电池供电，实现了低功耗和便携功 能。交流测量是用 AD637 真有效值转换芯片将交流信号转换成直流电压后测 量；用带钳位保护的反向放大器进行输入电压转换，实现了 10MΩ的 输入阻抗和高安全性。电路中关键器件采用 TI 公司的精密运算放大器 OPA07 和仪表放大器 INA128，实现了高精度的测量；ADC 采用 STM32f103ZET6 片内自带的 12 位 AD，实现了低功耗，量程自动切换功能。 　　0 引言 　　在智能仪器中，常常用到自动量程转换技术，这使得仪器在很短的时 间内自动选取最合适的量程实现高精度的测量。自动量程的实现一般通过控 制输入信号的衰减放大倍数实现，就电压表来说其输入测量电压会大于其 AD 转换器的输入范围，所以它的量程切换基本上是信号衰减倍数切换的过 程。 　　1.系统整体方案与工作原理 　　系统功能框图如图 1 所示。STM32F103ZET6 处理器是本系统的核心 器件，负责控制整个系统的正常工作，包括读取 AD 转换后的结果及 200mV 与 2V 档位的控制；按键输入动作响应；段式液晶的驱动；量程自动转换控 制等。 　　 　　输入的电压信号经过量程转换模块，变成可供 ADC 模拟输入端能正 常进行采样的电压。交流电压测量模块的功能是将被测的交流电压转换成相 应的 RMS 值。按键输入的功能是切换各种不同的测量模式以及计算相对误 差时进行数值输入。 　　2.系统硬件结构 　　（1）电源管理硬件电路 　　本系统具有低功耗模式，即在一定的时间内没有操作，系统在单片机 的控制下自动切断一部分电路的工作电源。电源管理电路原理图如图 2 所示。 　　 　　电池的正极分成两路，第一路是直接接入到 SPX1117 的输入端， SPX1117 是三端集成稳压芯片，其输出端输出恒定的 3.3V，作单片机系统电 源。另一路是经过三极管 9012 可以开关控制，本设计中在系统处于正常工作 状态时，单片机控制口输出高电平，9011 处于饱和状态，9012 的基极电压与 地电压相近，9012 饱和，即处于导通状态。9V 叠层电池的正极电压到达 78L05 三端集成稳压芯片的输入端，其输出端输出稳定的+5V 电压。-5V 由 负压电荷泵 7660S 产生。当系统处于低功耗状态时，单片机控制口输出为低 电平。9011 处于截止状态，9012 的基极电压为 9V，也处于截止状态，模拟 部分电源电压为零。而单片机将一直处于不同模式的工作状态。 　　（2）交流电压转换电路 　　交流电压测量真有效值的转换电路是测量交流电压的关键部分，其设 计的好坏直接影响到交流电压信号的测量精度，在本次设计中我们通过比较 选择采用 AD637 来实现交流信号到直流量的转变，电路如图 3 所示。 　　 　　AC_IN 是交流电压输入端，DC_OUT 端输出的是直流电压信号。输 出直流电压的值是输入交流电压的真有效值。此电路完成了交流到直流的转 换，实验测试时发现对于 5000Hz 交流信号转换效果仍良好。 　　（3）量程转换电路 　　本系统量程转换采用单片机控制模拟开关和继电器实现，原理框图如 图 4 所示。 随着科技的进步，电子测量仪器在工程和实验室领域中扮演着越来越重要的角色。特别是在设计便携式和高精度测量工具时，采用合适的微控制器与电路设计技术显得尤为关键。在这样的背景下，基于STM32微控制器的自动量程电压表设计方案应运而生，该方案不仅提供了高精度的测量能力，而且结合了低功耗和自动量程切换等特性，极大地提高了仪器的使用效率和方便性。 一、自动量程电压表的设计理念与功能 自动量程转换技术是现代智能仪器中的核心技术之一，它可以实现快速、准确的测量，并且具有良好的用户交互体验。在本设计方案中，自动量程电压表通过检测输入电压并实时调整测量范围，可以覆盖广泛的电压范围，而无需用户手动干预，极大地简化了测量过程。 二、系统整体方案与工作原理 本自动量程电压表的系统结构简洁明了，主要包括STM32F103ZET6微控制器、电源管理模块、交流电压测量模块、量程转换模块以及用户交互模块。其中，微控制器是整个系统的控制核心，负责处理ADC转换结果、控制量程切换、响应用户输入以及驱动显示模块。交流电压测量模块利用AD637芯片将交流信号转换为直流电压，并通过钳位保护电路确保测量的安全性。量程转换模块则根据输入电压的大小，动态地调整放大倍数，以适应不同的测量范围。用户交互模块则包含按键输入和液晶显示功能，实现了与用户的直接交互。 三、系统硬件结构及工作模式 在电源管理硬件电路方面，本系统采用了低功耗设计，使用9V电池供电，并通过SPX1117稳压芯片输出稳定的3.3V电压给微控制器，同时通过三极管9012控制电源的开关，以降低系统功耗。在低功耗模式下，系统会关闭不必要的电路部分，直到有新的测量需求。 在交流电压转换电路部分，本方案选用了AD637芯片作为真有效值转换器的核心。该芯片可以将交流信号转换为直流信号，转换后的直流电压输出端可以提供准确的真有效值。并且，该电路适用于5000Hz以下的交流信号测量，能够满足一般测量需求。 量程转换电路的设计充分考虑了自动化和高精度的需求，采用了单片机控制的模拟开关和继电器实现不同量程的转换。系统可以根据输入信号的实际大小，自动选择合适的量程档位，无需用户手动调整，从而确保了测量的准确性和方便性。 四、设计总结 基于STM32的自动量程电压表设计方案充分体现了现代智能仪器设计的理念，不仅在技术上达到了高性能的测量标准，而且在用户体验方面也作出了创新。通过采用高性能的微控制器、高精度的信号处理芯片、以及灵活的电源管理策略，该方案有效地结合了低功耗与自动量程切换两大特性，为用户提供了高效、准确且便携的电压测量解决方案。该设计方案可广泛应用于电子工程、教育科研以及工业自动化等多个领域，具有广泛的应用前景。