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基于STM32的高精度数字测量仪设计

article 2024/10/9 18:15:16

引言

本项目设计了一个基于STM32的高精度数字测量仪，能够精确测量电压、电流、温度以及其他环境参数。通过采用高分辨率的 ADC（模数转换器）和温度传感器等外设，该系统可以实时获取精确的数据，广泛应用于实验室测量、工业监控以及精密电子设备的调试。用户通过 OLED 显示屏查看测量结果，并可通过按键选择不同的测量模式。

环境准备

1. 硬件设备

STM32F103C8T6 开发板（或其他 STM32 系列）
高精度 ADC 模块（如 ADS1115，16 位分辨率）
温度传感器（如 PT100 或 DS18B20）
电流检测模块（如 ACS712 电流传感器）
分压电路（用于电压测量）
按键（用于切换测量模式）
OLED 显示屏（用于显示测量结果）
面包板和杜邦线
USB-TTL 串口调试工具

2. 软件工具

STM32CubeMX：用于初始化 STM32 外设。
Keil uVision 或 STM32CubeIDE：用于编写和下载代码。
ST-Link 驱动程序：用于下载程序到 STM32。

项目实现

1. 硬件连接

ADC 模块连接：将 ADS1115 的 SDA 和 SCL 引脚连接到 STM32 的 I2C 接口（如 PB6 和 PB7），用于高精度电压和电流测量。
温度传感器连接：将 PT100 温度传感器通过放大电路连接到 STM32 的 ADC 引脚（如 PA0），或直接使用 DS18B20 连接到 GPIO 引脚（如 PA1）。
电流传感器连接：将 ACS712 的输出引脚连接到 STM32 的 ADC 引脚（如 PA2）。
分压电路：用于高电压的测量，将输出电压引脚连接到 STM32 的 ADC 引脚（如 PA3）。
按键连接：将模式切换按键连接到 STM32 的 GPIO（如 PA4）。
OLED 显示屏连接：将 OLED 的 SDA 和 SCL 引脚连接到 STM32 的 I2C 接口（如 PB6 和 PB7），用于显示测量数据。

2. STM32CubeMX 配置

打开 STM32CubeMX，选择你的开发板型号。
配置系统时钟为 HSI，确保系统稳定运行。
配置 GPIO 引脚用于按键输入。
配置 I2C 用于与 ADS1115 和 OLED 显示屏通信。
配置 ADC 用于读取电流传感器和温度传感器的数据。
生成代码，选择 Keil 或 STM32CubeIDE 作为工具链。

3. 编写主程序

在生成的项目基础上，编写电压、电流、温度检测、模式切换和 OLED 显示的代码。以下是高精度数字测量仪的基本代码示例：

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "ads1115.h"
#include "dht11.h"
#include "oled.h"

// 测量模式定义
#define MODE_VOLTAGE 0
#define MODE_CURRENT 1
#define MODE_TEMPERATURE 2

// 定义引脚
#define BUTTON_MODE_PIN GPIO_PIN_4
#define BUTTON_PORT GPIOA

// 函数声明
void System_Init(void);
void Measure_Voltage(void);
void Measure_Current(void);
void Measure_Temperature(void);
void Display_Result(float value, char *unit);
uint8_t Check_Button(uint16_t pin);
void Update_Measurement(void);

// 全局变量
uint8_t current_mode = MODE_VOLTAGE;

void System_Init(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_I2C1_Init();
    MX_ADC1_Init();
    
    OLED_Init();
    ADS1115_Init();  // 初始化 ADS1115 高精度 ADC 模块
    OLED_ShowString(0, 0, "Measurement Ready");
}

// 电压测量
void Measure_Voltage(void)
{
    // 读取 ADS1115 的通道 0
    float voltage = ADS1115_ReadVoltage(0);
    Display_Result(voltage, "V");
}

// 电流测量
void Measure_Current(void)
{
    // 读取 ADC 通道用于电流测量
    uint32_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    float current = (adc_value / 4096.0) * 5.0;  // 假设电流传感器的线性范围为 0-5A
    Display_Result(current, "A");
}

// 温度测量
void Measure_Temperature(void)
{
    // 假设使用 DS18B20 传感器读取温度
    float temperature = DS18B20_ReadTemperature();
    Display_Result(temperature, "C");
}

// 显示测量结果
void Display_Result(float value, char *unit)
{
    OLED_Clear();
    OLED_ShowString(0, 0, "Mode:");
    switch (current_mode)
    {
        case MODE_VOLTAGE:
            OLED_ShowString(48, 0, "Voltage");
            break;
        case MODE_CURRENT:
            OLED_ShowString(48, 0, "Current");
            break;
        case MODE_TEMPERATURE:
            OLED_ShowString(48, 0, "Temp");
            break;
    }
    OLED_ShowString(0, 1, "Value:");
    OLED_ShowFloat(48, 1, value, 2);
    OLED_ShowString(80, 1, unit);
}

// 检查按键输入
uint8_t Check_Button(uint16_t pin)
{
    return HAL_GPIO_ReadPin(BUTTON_PORT, pin) == GPIO_PIN_RESET;
}

// 更新测量模式
void Update_Measurement(void)
{
    switch (current_mode)
    {
        case MODE_VOLTAGE:
            Measure_Voltage();
            break;
        case MODE_CURRENT:
            Measure_Current();
            break;
        case MODE_TEMPERATURE:
            Measure_Temperature();
            break;
    }
}

int main(void)
{
    System_Init();
    
    while (1)
    {
        // 检查模式切换按键
        if (Check_Button(BUTTON_MODE_PIN))
        {
            current_mode = (current_mode + 1) % 3;  // 循环切换模式
            HAL_Delay(300);  // 防抖延时
        }
        
        // 更新测量结果
        Update_Measurement();
        
        HAL_Delay(1000);  // 每秒更新一次测量数据
    }
}

4. 高精度 ADC 读取

以下是使用 ADS1115 高精度 ADC 读取电压的代码示例：

#include "ads1115.h"

// 初始化 ADS1115
void ADS1115_Init(void)
{
    // 配置 ADS1115 初始化参数
}

// 读取 ADS1115 电压值
float ADS1115_ReadVoltage(uint8_t channel)
{
    int16_t raw_value = ADS1115_ReadChannel(channel);
    float voltage = (raw_value * 0.1875) / 1000.0;  // 假设增益为 1
    return voltage;
}

5. 显示处理

OLED 显示屏用于显示实时测量结果：

#include "oled.h"

// 初始化 OLED
void OLED_Init(void)
{
    // OLED 初始化代码
}

// 显示字符串
void OLED_ShowString(uint8_t x, uint8_t y, char *str)
{
    // 在 OLED 上显示字符串
}

// 显示浮点数
void OLED_ShowFloat(uint8_t x, uint8_t y, float num, uint8_t decimal_places)
{
    // 显示带小数点的数值
}