基于 STM32 的高精度数字电压表设计

只看该作者 · 2019-8-23 20:22

针对传统数字电压表分辨率低的问题，本文以 STM32 为控制芯片，结合 TFT－LCD 显示屏，设计了一款高精度的数
字电压表，分辨率可达 0. 8mV。此外加入报警电路，当测量电压超过数字电压表量程时，可进行报警提示。经试验验证，此数字
电压表可完成对 0 ～ 3V 电压的精确测量，在电子测量领域具有很好的实际应用价值

只看该作者 · 2019-8-23 20:28

作为一种数字化测量技术，数字电压表是一种将连续的
模拟电压信号转化为离散型数字信号，并通过可视化显示界
面进行数字显示的电压测量仪器。相对于传统的指针式电压
表，数字电压表具有测量精度高，响应速度快，稳定性好等
优点，且测量值以数字化的形式进行存储，便于测量数据的
可视化显示，避免了传统指针电压表在读数过程中产生的视
觉误差。基于上述特点，数字电压表已在自动化测量、自动化
仪表、电子电工测量等先相关领域得到了广泛的应用

只看该作者 · 2019-8-23 20:29

现行的数字电压表，其数据处理单元多采用 8 位处理器，
最大分辨率仅为 0. 0196( 5 /28) V［5－7］，不能对低于分辨率的微
弱电压变化进行有效的识别及测量，这将在一定程度上影响
数字电压表的测量精度，尤其是对微电压的测量。针对此不
足，本文选用 STM32 作为数字电压表的数据处理单元，借助
其内部自带的 12 位 A /D 转换功能，完成对测量电压模拟量
的数字化转换，其分辨率可达 0. 8mV( 3. 3 /212) V。

只看该作者 · 2019-8-23 20:31

本设计选用基于 Crotex－M3 内核的 STM32 单片机作为测
量数据的处理单元，其内部集成 12 位的逐次逼近型 A /D 转
换模块［8］，可完成对测量电压模拟量的数字化转换。STM32
单片机将转换后数字量经 TFTLCD 显示屏进行显示［9］，电源
模块主要完成整个系统的供电，复位电路用以完成对 STM32
的初始化，时钟电路为 STM32 的运行提供精准的时钟周期。
由于微处理器外接引脚所能承受的电压最大不能超过 3. 3V，
当外测电压超过 3. 3V 时，报警电路进行报警提示

只看该作者 · 2019-8-23 20:31

系统结构框图

只看该作者 · 2019-8-23 20:34

选用基于 Crotex－M3 内核的 STM32 单片机作为微
控制器，具有 32 位的数据处理能力。相对于传统的 8 位单片
机，STM32 内部自带 12 位逐次逼近型 A /D 转换器，模 /数转
换最高分辨率可达 0. 8mV( 3 /212) ，转换速率可达 1MHz，采样
模式、扫描模式、存储模式均可自由设置。在实现方式上，只
需通过简单的软件设计，即可完成对测量模拟量的数字化转
换。另外使用 STM32 内部的模拟看门狗特性，可对输入电压
的阈值进行自定义设定，当测量电压超过数字电压表的量程
时，报警单元进行报警提示

只看该作者 · 2019-8-23 20:38

TFT－LCD( Thin Film Transistor－Liquid Crystal Display) ，即
薄膜晶体管液晶显示器。相比于无源 LCD， TFT－LCD 通过在
液晶屏的每个像素点设置薄膜晶体管的方式，有效克服了选
通切换时视觉暂留效应的影响，具有较高的液晶显示质量。
本文使用 TFTLCD 显示屏进行测量电压的数字化显示，显示
驱动芯片使用 LIL9341。通讯方式上，借助 STM32 自带的
FSMC( Flexible Static Memory Controller) 接口，使用 8080 并行
的方式完成显示数据的传输［10］。其读写时序如图 ( 2) 、图
( 3) 所示，使用到的信号线主要有: CS: TFT－LCD 片选信号。
WＲ: 向 TFT － LCD 写入数据。ＲD: 从 TFT － LCD 读取数据。
DC: 命令 /数据标志( 0，读写命令; 1，读写数据) 。D［7: 0］: 8
位双向数据线。ＲST( ＲES) : 硬件复位。

只看该作者 · 2019-8-23 20:40

使用 8080 并行传输模式，在片选信号 CS 置低电平时，表
示 TFT－LCD 器件被选中; 传输数据或传输命令由 D /C 引脚
确定( 0，读写命令; 1，读写数据) 。当 WＲ引脚为高电平时
STM32 读取 TFT－LCD 的状态信息。在每个ＲD 引脚的上升
沿，LIL9341 将 TFT－LCD 的数据锁存至 D［7: 0］供 STM32 读
取，STM32 根据 TFT－LCD 的状态反馈确保数据读写的正确时
序。当ＲD 引脚为高电平时， STM32 向 TFT－LCD 写入数据。
在每个 WＲ的上升沿，数据被锁存至 D［7: 0］， TFT－LCD 通过
LIL9341 驱动芯片，完成测量数据的刷新显示。

只看该作者 · 2019-8-23 20:48

8080 并口传输模式读时序

只看该作者 · 2019-8-23 20:48

8080 并口传输模式写时序

只看该作者 · 2019-8-23 20:49

数字电压表的过电压提示模块，借助 STM32 内部的
模拟看门狗特性，当数字电压表测量电压超过 3. 3V 时，进行
报警提示。电路组成如图 4 所示，主要由 NPN 型三极管
S8050 和有源蜂鸣器组成，由 STM32 单片机的 PB8 引脚控制。

只看该作者 · 2019-8-23 20:49

为防止蜂鸣器误发声，上电复位时， PB8 默认设置为低电
平。在程序设计中，设置电压的阈值变量 CNT，当数字电压表
的测量电压超过设定阈值时，PB8 输出为高电平，驱动蜂鸣器
进行报警提示。

只看该作者 · 2019-8-23 20:52

作为 STM32 内部自带的 A /D 转换功能，只需通过固件库
存进行代的编程即可实现 STM32 的 A /D 转换功能。此设计
选用 ADC1 转换的通道 1，采样模式选择独立模式， A /D 转换
模式选择单次转换，数据存储方式选择右对齐，启动规则转换
触发方式选择软件触发。为提高 A /D 转换的精确度，可适当
延长 A /D 转换的采样时间。

只看该作者 · 2019-8-23 20:53

A /D 转换子程序流程图

只看该作者 · 2019-8-23 20:53

A /D 转换使用到 STM32 的引脚 PA1，时钟使能包括 GPIOA 口的时钟使能及 ADC 的时钟使能，同时设置 PA1
口为模拟输入模式。通过 ADC 复位，将 ADC1 的全部寄存器
设置为缺省值，通过分频确保 ADC 的转换频率不超过
14MHz，此设计将 PLL 锁相环倍频输出( 72MHz) 进行 6 分频
作为 ADC 的转换频率，确保了 A /D 转换的采样时间。待完
成相关设置以后，通过 ADC 使能函数 ADC_Cmd( ADC1，ENABLE) 启动 AD 转换，同时进行复位校正和 AD 校正，最后进行
AD 转换数据的读取及存储。

只看该作者 · 2019-8-23 20:56

单次的 AD 转换所用的时间大约为 1us，为提高 A /D 转
换结果读数的准确性，对连续采样的 10 次 AD 转换结果求取
平均值，然后再发送至 TFT－LCD 显示屏进行数字化显示。

只看该作者 · 2019-8-23 21:02

TFT－LCD 显示屏作为测量电压的可视化界面，
借助 STM32 单片机的 FSMC 接口，采用 16 位的 8080 并行接
口方式完成 TFT－LCD 与 STM32 单片机的数据传输

只看该作者 · 2019-8-23 21:19

TFT－LCD 显示程序流程图

只看该作者 · 2019-8-23 21:19

时钟使能主要包括 STM32 的 GPIO 时钟使能，FSMC 时钟使能。除此之外，因为使用到 STM32 的端口重映射功能，需
开启 AFIO 时钟使能。GPIO 和 FSMC 的初始化分别由库函数
GPIO_Init( ) 、FSMC _NOＲSＲAMInit( ) 完成， FSMC 的使能及
TFT－LCD 的初始化分别由库函数 FSMC_NOＲSＲAMCmd( ) 、
LCD_Init( ) 完成。通过坐标设置函数 LCD_SetCurso－r( ) 设置
字符显示位置，最终使用字符显示函数 LCD_ShowChar( ) 将
GＲAM( Graphi－cs Ｒandom Access Memory) 中的内容依次在
TFT－LCD 液晶屏上进行刷新显示。

只看该作者 · 2019-8-23 21:20

为验证此数字电压表对电压测量的精确度，使用直流可
调稳压电源及精密电压测量仪器对其进行测量比对试验。电
压测量仪器与数字电压表共用接地线，其测量结果如表 1 所
示: “仪器测量电压”为测量仪器所测得的直流可调稳压电源
的输出电压， “数字电压表测量电压”为本文所设计的基于
STM32 的数字电压表所测得的电压。