參考基于STM32的簡易數(shù)字電壓表的設計與實現(xiàn)

1、 課程設計報告學 院（系）：機械電子工程學院專 業(yè)：測控技術與儀器學 生 姓 名：學 號：課程設計題目： 簡易數(shù)字電壓表起 迄 日 期:課程設計地點:指 導 教 師: 目 錄第1章 簡易數(shù)字電壓表設計方案論證11.1 簡易數(shù)字電壓表的應用意義11.2 本次課程設計的目的11.3 簡易數(shù)字電壓表設計的要求及技術指標11.4 設計方案論證21.5 總體設計方案框圖及分析2第2章 簡易數(shù)字電壓表各單元電路設計22.1 a/d轉換及數(shù)據(jù)處理22.2 串口通信72.3 lcd顯示電路設計7第3章 電路原理圖和pcb板的設計8第4章 系統(tǒng)軟件程序設計9第5章 設計總結16參考文獻17 摘要本文以arm系列

2、的stm32芯片為核心設計了一個簡易數(shù)字電壓表。簡易數(shù)字電壓表采用模數(shù)轉換思想來實現(xiàn),通過硬件電路和軟件程序相結合,可輸出自定義測量電壓,通過調節(jié)模數(shù)轉換電位器使在一定范圍內可任意改變。輸出的電壓格式和精度的改變通過軟件控制，輸出電壓的大小的改變通過硬件實現(xiàn)。介紹了的生成原理、硬件電路和軟件部分的設計原理。該簡易數(shù)字電壓表具有體積小、價格低、性能穩(wěn)定、功能齊全的優(yōu)點。關鍵詞:簡易數(shù)字電壓表;stm32f103;ad轉換; 第一章 簡易數(shù)字電壓表設計方案論證1.1 簡易數(shù)字電壓表的應用意義數(shù)字電壓表簡稱dmv，它是采用數(shù)字化測量技術設計的電壓表。數(shù)字電壓表的優(yōu)良特性深受人們的青睞。具體有以下的應

3、用特點：a) 顯示清晰直觀，讀數(shù)準確。b) 準確度高。c) 分辨率高。d) 測量范圍寬。e) 擴展能力強。f) 測量速度快。g) 輸入阻抗高。h) 集成度高、微功耗。h) 抗干擾能力強 1.2 本次課程設計的目的1） 了解stm32f103內部a/d轉換性能及編程方法。2） 學會使用a/d轉換器進行電壓信號采集。3） 了解ucosii系統(tǒng)工作原理。 1.3 簡易數(shù)字電壓表設計的要求及技術指標設計要求：利用stm32f103內部a/d及2.8寸tft液晶屏，設計完成一個數(shù)字電壓表。要求：數(shù)字電壓表可測量0-5v輸入電壓，電壓值通過液晶屏顯示。工作原理及設計思路：簡易數(shù)字電壓表的設計由a/d轉換.

4、數(shù)據(jù)處理及顯示控制等組成。利用stm32f103內部a/d轉換器將模擬電壓轉換成數(shù)字量，經(jīng)stm32f103計算將數(shù)字量轉換成對應的電壓值，并通過液晶屏輸出。 1.4.設計方案論證數(shù)字電壓表的基本組成部分是a/d變換器+電子計數(shù)器。通常，被測直流電壓經(jīng)a/d轉換器變?yōu)榕c之成正比的閘門時間，在此閘門時間內計數(shù)，用數(shù)字顯示被測電壓值?？梢奱/d變換器是dvm的核心部件。本課設上采用的是單片a/d轉換器（含模擬電路與數(shù)字電路）集成在一片芯片上，配以lcd或led數(shù)字器件后能顯示a/d轉換結果的集成電路。它們均屬于大規(guī)模的集成電路，能以最簡的方式構成dvm。在此采用icl7106a/d轉換器。但由于s

5、tm32f103內部集成了a/d轉換器，所以不需要外圍的a/d轉換器，這就體現(xiàn)了stm32得集成特性。 1.5總體設計方案框圖及分析 lcd顯示stm32f103控制邏輯rc濾波器rc振蕩器 分頻器第二章 簡易數(shù)字電壓表各單元電路設計簡易數(shù)字電壓表的設計由a/d轉換.數(shù)據(jù)處理及顯示控制等組成。由于stm32f103集成了a/d轉換.數(shù)據(jù)處理部分，所以可以集中在一起研究，所以分成了兩部分。2.1 a/d轉換及數(shù)據(jù)處理1）基本型號介紹首先我們先研究stm32系列芯片的基本知識。由圖1可知stm32f103zet6有144個引腳，所以我們來了解他的基本型號與代碼之間的關系。 圖1stm32系列產(chǎn)品命

6、名規(guī)則 示例： stm32 f 103 c 8 t 6 a xxx 產(chǎn)品系列stm32 = 基于arm®s22的32位微控制器產(chǎn)品類型 f = 通用類型產(chǎn)品子系列101 = 基本型102 = usb基本型，usb 2.0全速設備103 = 增強型105或107 = 互聯(lián)型引腳數(shù)目t = 36腳 c = 48腳 r = 64 腳 v = 100腳 z = 144腳 閃存存儲器容量 4 = 16k字節(jié)的閃存存儲器 6 = 32k字節(jié)的閃存存儲器 8 = 64k字節(jié)的閃存存儲器 b = 128k字節(jié)的閃存存儲器 c = 256k字節(jié)的閃存存儲器 d = 384k字節(jié)的閃存存儲器 e = 5

7、12k字節(jié)的閃存存儲器封裝 h = bgat = lqfpu = vfqfpny = wlcsp 溫度范圍 6 = 工業(yè)級溫度范圍，-40°c85° c7 = 工業(yè)級溫度范圍， -40°c105°c內部代碼a 或者空 (詳見產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊)選項xxx = 已編程的器件代號(3個數(shù)字)tr = 卷帶式包裝2） stm32系列的最小系統(tǒng)設計和獨立的a/d轉換器供電和參考電壓 最小系統(tǒng)主要包括調試接口.震蕩電路.引導設置.復位電路和供電系統(tǒng)。電路由穩(wěn)定的電源vdd供電。值得注意的是，如果使用adc，vdd的范圍必須在2.4-3.6v；如果沒有使用adc，vdd的

8、范圍為2-3.6v。啟動模式選項:由開關sw（boot0）和sw(boot1)配置。如圖2所示 圖2復位電路：復位信號是低有效，復位源包括復位按鈕jp3和連在連接器上的調試工具。如圖3 圖3時鐘源：兩個時鐘源被用于這個微控制器。lsex1用于嵌入式rtc的32.768khz晶振；hse x2用于stm32f103微控制器的8mhz晶振。如圖4所示 圖4去耦電容：去耦電容就是起到一個電池的作用，滿足驅動電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾。 由11個100nf的陶瓷電容和一個鉭電容組成。如圖5所示 圖5獨立的a/d轉換器供電和參考電壓：為了提高轉換的精確度，adc使用一個獨立的電源供電，過濾和屏

9、蔽來自印刷電路板上的毛刺干擾。 adc的電源引腳為vdda 獨立的電源地vssa 如果有vref-引腳(根據(jù)封裝而定)，它必須連接到vssa。 100腳和144腳封裝： 為了確保輸入為低壓時獲得更好精度，用戶可以連接一個獨立的外部參考電壓adc到vref+和vref-腳上。在vref+的電壓范圍為2.4vvdda。 如圖6所示 圖63） stm32系列的內adc轉換邏輯12位adc是一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉換器。它有多達18個通道，可測量16個外部和2個內部信號源。各通道的a/d轉換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。adc的結果可以左對齊或右對齊方式存儲在16位數(shù)據(jù)寄存器中。 模擬看門狗特性

10、允許應用程序檢測輸入電壓是否超出用戶定義的高/低閥值。 adc的輸入時鐘不得超過14mhz，它是由pclk2經(jīng)分頻產(chǎn)生。adc主要特征 12位分辨率 轉換結束、注入轉換結束和發(fā)生模擬看門狗事件時產(chǎn)生中斷 單次和連續(xù)轉換模式 從通道0到通道n的自動掃描模式 自校準 帶內嵌數(shù)據(jù)一致性的數(shù)據(jù)對齊 采樣間隔可以按通道分別編程 規(guī)則轉換和注入轉換均有外部觸發(fā)選項 間斷模式 雙重模式(帶2個或以上adc的器件) adc轉換時間： stm32f103xx增強型產(chǎn)品：時鐘為56mhz時為1s(時鐘為72mhz為1.17s) stm32f101xx基本型產(chǎn)品：時鐘為28mhz時為1s(時鐘為36mhz為1.55

11、s) stm32f102xxusb型產(chǎn)品：時鐘為48mhz時為1.2s stm32f105xx和stm32f107xx產(chǎn)品：時鐘為56mhz時為1s(時鐘為72mhz為1.17s) adc供電要求：2.4v到3.6v adc輸入范圍：vref- vin vref+ 規(guī)則通道轉換期間有dma請求產(chǎn)生。我們需要打開一個adc輸入端口，使外部的模擬量被采集，這樣才能通過內部的adc轉換器和驅動電路來實現(xiàn)轉換成數(shù)字量。采集模擬量的電路如圖7所示 圖7 控制邏輯有三個作用：第一，識別積分器的工作狀態(tài)，適時發(fā)出控制信號，使a/d 轉換正常進行；第二，判定輸入電壓極性并控制lcd的負極性顯示。2.2 串口通

12、信由于微控制器的控制是通過編程語言來控制的，所以需要外設的串口來實現(xiàn)編程語言的讀寫。 通用異步收發(fā)器(uart)是一種串行接口，一般微處理器中都包含這種外設接口。異步串行接口提供了一種簡單的途徑，使兩個器件無需共享同一個時鐘信號就能進行通信。如果再加入一個合適的電平轉換器max232，串口就能能用在rs232和rs485等網(wǎng)絡中實現(xiàn)通信，或者與計算機的com端口連接。串口只需兩根信號線(rx和tx)即可實現(xiàn)，而且只要兩端器件都采用同樣的位格式和波特率，那么它們無需其它任何對方的信息就可以成功傳輸數(shù)據(jù)。電路圖如圖8所示 圖82.3 lcd顯示電路設計由于stm32是一種高集成芯片，所以在顯示液晶

13、屏電路上就少了很多附帶的驅動電路，我們選用采用自帶驅動模塊的液晶屏，這樣就少了外圍驅動電路。lcd的顯示電路如圖9所示 圖9 第三章 電路原理圖與pcb板設計我們用電路板繪圖軟件protel，繪制電路原理圖并生成pcb板，在繪制完原理圖生成pcb板的布線與原件的排列方面有很多值得注意的問題，如地線與電源線必須加粗，盡量避免出現(xiàn)繞線的現(xiàn)象，因為這樣就增加了信號傳輸?shù)臅r間，盡量減少線的使用，相同器件盡量布在一起，這樣方便以后電路板的焊接等等規(guī)則。根據(jù)要求和以上的分析得到的原理圖與pcb板圖如圖10所示 第四章 系統(tǒng)軟件程序設計我們采用的是kilc-4編寫與燒入軟件，在kilc-4中建立項目并建立c

14、語言文件，在文件中編寫c語言程序，編寫完畢后在軟件中的選項flash中的configure flash tools中設置參數(shù)，設置成適合cortex-m3嵌入式處理器stm32合適的參數(shù)。最后編譯檢查程序的正確與否，如果可以創(chuàng)建目標文件則可以燒入微控制器中，否則檢查是否有錯誤或是警告，排除錯誤或是警告，最終實現(xiàn)創(chuàng)建目標，最后燒入火牛開發(fā)板，檢驗程序是否符合設計要求，看液晶顯示屏上的檢測電壓是否隨著模擬輸入電位器的旋轉改變而改變。簡易數(shù)字電壓表的控制程序為：顯示程序.c :#include <stm32f10x_lib.h>#include "sys.h"#inc

15、lude "usart.h"#include "delay.h"#include "led.h" #include "lcd.h" #include "adc.h"int main(void) u16 adcx;float temp;float temperate; stm32_clock_init(9);/系統(tǒng)時鐘設置delay_init(72);/延時初始化/uart_init(72,9600); /串口1初始化 led_init();lcd_init(); adc_init();point

16、_color=red;/設置字體為紅色 lcd_showstring(60,50,"fire bull stm32"); lcd_showstring(60,70,"1 "); lcd_showstring(60,110,"2011/12/26");/顯示時間point_color=blue;/設置字體為藍色lcd_showstring(60,130,"temp_val:"); lcd_showstring(60,150,"temp_vol:0.000v");while(1)adcx=get_t

17、emp();lcd_shownum(132,130,adcx,4,16);/顯示adc的值temp=(float)adcx*(3.3/4096);temperate=temp;/保存溫度傳感器的電壓值adcx=temp;lcd_shownum(132,150,adcx,1,16); /顯示電壓值整數(shù)部分temp-=(u8)temp; /減掉整數(shù)部分 lcd_shownum(148,150,temp*1000,3,16);/顯示電壓小數(shù)部分 初始化程序.c：#include "sys.h"#include "usart.h"/mini stm32開發(fā)板/串

18、口1初始化 /正點原子alientek/2010/5/27/v1.3/支持適應不同頻率下的串口波特率設置./加入了對printf的支持/增加了串口接收命令功能./加入以下代碼,支持printf函數(shù),而不需要選擇use microlib #if 1#pragma import(_use_no_semihosting) /標準庫需要的支持函數(shù) struct _file int handle; /* whatever you require here. if the only file you are using is */ /* standard output using printf() for

19、 debugging, no file handling */ /* is required. */ ; /* file is typedef d in stdio.h. */ file _stdout; /定義_sys_exit()以避免使用半主機模式 _sys_exit(int x) x = x; /重定義fputc函數(shù) int fputc(int ch, file *f) usart1->dr = (u8) ch; while(usart1->sr&0x40)=0);/循環(huán)發(fā)送,直到發(fā)送完畢 return ch;#endif /end/#ifdef en_usart1

20、_rx /如果使能了接收/串口1中斷服務程序/注意,讀取usartx->sr能避免莫名其妙的錯誤 u8 usart_rx_buf64; /接收緩沖,最大64個字節(jié)./接收狀態(tài)/bit7，接收完成標志/bit6，接收到0x0d/bit50，接收到的有效字節(jié)數(shù)目u8 usart_rx_sta=0; /接收狀態(tài)標記 void usart1_irqhandler(void)u8 res; if(usart1->sr&(1<<5)/接收到數(shù)據(jù) res=usart1->dr; if(usart_rx_sta&0x80)=0)/接收未完成if(usart_rx_

21、sta&0x40)/接收到了0x0dif(res!=0x0a)usart_rx_sta=0;/接收錯誤,重新開始else usart_rx_sta|=0x80;/接收完成了 else /還沒收到0x0dif(res=0x0d)usart_rx_sta|=0x40;elseusart_rx_bufusart_rx_sta&0x3f=res;usart_rx_sta+;if(usart_rx_sta>63)usart_rx_sta=0;/接收數(shù)據(jù)錯誤,重新開始接收 #endif /初始化io 串口1/pclk2:pclk2時鐘頻率(mhz)/bound:波特率/check o

22、k/091209void uart_init(u32 pclk2,u32 bound) float temp;u16 mantissa;u16 fraction; temp=(float)(pclk2*1000000)/(bound*16);/得到usartdivmantissa=temp; /得到整數(shù)部分fraction=(temp-mantissa)*16; /得到小數(shù)部分 mantissa<<=4;mantissa+=fraction; rcc->apb2enr|=1<<2; /使能porta口時鐘 rcc->apb2enr|=1<<14;

23、 /使能串口時鐘 gpioa->crh=0x444444b4;/io狀態(tài)設置 rcc->apb2rstr|=1<<14; /復位串口1rcc->apb2rstr&=(1<<14);/停止復位 /波特率設置 usart1->brr=mantissa; / 波特率設置 usart1->cr1|=0x200c; /1位停止,無校驗位.#ifdef en_usart1_rx /如果使能了接收/使能接收中斷usart1->cr1|=1<<8; /pe中斷使能usart1->cr1|=1<<5; /接收緩沖區(qū)

24、非空中斷使能 my_nvic_init(3,3,usart1_irqchannel,2);/組2，最低優(yōu)先級 #endifadc驅動.c： #include <stm32f10x_lib.h>#include "adc.h"#include "delay.h"/adc 驅動代碼 /初始化adc/這里我們僅以規(guī)則通道為例/我們默認將開啟通道03 void adc_init(void) /先初始化io口 rcc->apb2enr|=1<<2; /使能porta口時鐘 gpioa->crl&=0xffff0000;/

25、pa0 1 2 3 anolog輸入/通道10/11設置 rcc->apb2enr|=1<<9; /adc1時鐘使能 rcc->apb2rstr|=1<<9; /adc1復位rcc->apb2rstr&=(1<<9);/復位結束 rcc->cfgr&=(3<<14); /分頻因子清零/sysclk/div2=12m adc時鐘設置為12m,adc最大時鐘不能超過14m!/否則將導致adc準確度下降! rcc->cfgr|=2<<14; adc1->cr1&=0xf0ffff;

26、 /工作模式清零adc1->cr1|=0<<16; /獨立工作模式 adc1->cr1&=(1<<8); /非掃描模式adc1->cr2&=(1<<1); /單次轉換模式adc1->cr2&=(7<<17); adc1->cr2|=7<<17; /軟件控制轉換 adc1->cr2|=1<<20; /使用用外部觸發(fā)(swstart)!必須使用一個事件來觸發(fā)adc1->cr2&=(1<<11); /右對齊adc1->cr2|=1<

27、<23; /使能溫度傳感器adc1->sqr1&=(0xf<<20);adc1->sqr1&=0<<20; /1個轉換在規(guī)則序列中 也就是只轉換規(guī)則序列1 /設置通道03的采樣時間adc1->smpr2&=0xfffff000;/通道0,1,2,3采樣時間清空 adc1->smpr2|=7<<9; /通道3 239.5周期,提高采樣時間可以提高精確度 adc1->smpr2|=7<<6; /通道2 239.5周期,提高采樣時間可以提高精確度 adc1->smpr2|=7<&l

28、t;3; /通道1 239.5周期,提高采樣時間可以提高精確度 adc1->smpr2|=7<<0; /通道0 239.5周期,提高采樣時間可以提高精確度 adc1->smpr1&=(7<<18); /清除通道16原來的設置 adc1->smpr1|=7<<18; /通道16 239.5周期,提高采樣時間可以提高精確度 adc1->cr2|=1<<0; /開啟ad轉換器 adc1->cr2|=1<<3; /使能復位校準 while(adc1->cr2&1<<3); /等待

29、校準結束 /該位由軟件設置并由硬件清除。在校準寄存器被初始化后該位將被清除。 adc1->cr2|=1<<2; /開啟ad校準 while(adc1->cr2&1<<2); /等待校準結束/該位由軟件設置以開始校準，并在校準結束時由硬件清除 /獲得adc值/ch:通道值 03u16 get_adc(u8 ch) /設置轉換序列 adc1->sqr3&=0xffffffe0;/規(guī)則序列1 通道chadc1->sqr3|=ch; adc1->cr2|=1<<22; /啟動規(guī)則轉換通道 while(!(adc1->

30、;sr&1<<1);/等待轉換結束 return adc1->dr;/返回adc值/得到adc采樣內部溫度傳感器的值/取10次,然后平均u16 get_temp(void)u16 temp_val=0;u8 t;for(t=0;t<10;t+)temp_val+=get_adc(temp_ch);delay_ms(5);return temp_val/10;延時程序.c:#include <stm32f10x_lib.h>#include "delay.h"/使用systick的普通計數(shù)模式對延遲進行管理/包括delay_us,d

31、elay_ms/2010/5/27/v1.2/修正了中斷中調用出現(xiàn)死循環(huán)的錯誤/防止延時不準確,采用do while結構! static u8 fac_us=0;/us延時倍乘數(shù)static u16 fac_ms=0;/ms延時倍乘數(shù)/初始化延遲函數(shù)/systick的時鐘固定為hclk時鐘的1/8/sysclk:系統(tǒng)時鐘void delay_init(u8 sysclk)systick->ctrl&=0xfffffffb;/bit2清空,選擇外部時鐘 hclk/8fac_us=sysclk/8; fac_ms=(u16)fac_us*1000; /延時nms/注意nms的范圍/systick->load為24位寄存器,所以,最大延時為:/nms<=0xffffff*8*1000/sysclk/sysclk單位為hz,nms單位為ms/對72m條件下,nms<=1864 void delay_ms(u16 nms) u32 temp; systick->load=(u32)nms*fac_ms;/時間加載(systick->load為24bit)systick->val =0x00; /清空計數(shù)器systick->ctr