基于立创·地文星-CW32开发板制作的皮卡丘电压电流表

项目简介：

本项目基于立创·地文星-CW32F030C8T6开发板制作电压电流表，可以检测电压0-30V，检测电流0-3A，使用CW32MCU可以实现高精度的测量，因为CW32此款芯片内部有12位高速ADC，并且芯片自带基准电压，可以更好更方便的检测电压电流。

 

应用场景：

对于日常电子电路的使用中，难免会需要对电路中的电压电流进行检测测量，此款电压电流表精致小巧，只有手掌心的大小，方便携带，并且可以通过待测电源对其供电，免去了电源没电的顾虑。是居家旅行的好帮手。

 

项目参数：

• 电压测量部分使用了两档电压采样，一档为0-30V的大范围测量，一档为0-3V的高精度测量；
• 电源部分提供了0-3A的测量范围；
• 同时板载了电压、电流的模拟测量，可以满足自身的电压电流较准需求；
• 可以使用板载的三个按键对显示模式修改，对电压电流的标定进行较准；

 

硬件原理图展示：

整体原理图预览

 

开发板引脚连接电路展示：

这边使用的是核心是立创·地文星-CW32F030C8T6开发板，CW32可以提供12位的高速ADC供我们使用，其次CW32可以支持宽电压1.65V~5.5V使用，更加的方便了供电的选择。同时开发板上集成了基础元件，对于我们设计大大的节约了时间。

 

电源部分原理图展示：

电源部分使用LDO（低压差线性稳压器）作为电源，为了在更广泛的电压中使用本仪器，选择了最高输入电压高达40V的SE8550K2作为电源。因为LDO的变压是线性的，对其他器件的干扰更小，排除了因为电源的干扰影响到我们的电压电流测量。同时在电源前端串联了1N5819二极管用来保护电源接反的情况，可以有效的保护后端电路的安全，同时串联了一颗10欧姆的小电阻来充当保险丝的作用，可以有效的防止电源短路烧坏板子的情况发生。电源部分还使用大小电容并联来滤波，电流先经过大电容进行低频干扰过滤，再经过小电容过滤高频干扰，使电源能够给LDO器件提供稳定干净的电源，LDO输出部分也做了相同的操作。同时使用了一颗LED来显示电源的供电情况，当电源接入正常的情况下LED会亮起，表示电源输入正常。

 

电压采集部分原理图展示：

电压采集部分是本次学习制作的核心部分，通过分压电路来实现高电压的采集，本项目可以支持100V电压的采集，在这里只配置到了0-30V（出于对安全考虑，因为人体安全电压就是36V超过就会有危险）后期要是有需要可以修改电路达到测量更高电压的需求，分压电阻的选择，这边需要计算一下，我们使用1.5v的内部电压基准来测量电压，在R4一般为了降低功耗选用10K的电阻，知道了这两点我们可以通过计算得出R3应该选用多大的电阻，通过V=IR、I1:I=V2:R2 可以计算出R3点的电流150uA，知道了电流就可以算出电阻的值了，R=U/I=28.5V/0.00015A=190 000Ω=190kΩ，为了电阻的选型方便，所以这边选择接近190KΩ的220KΩ来作为R3的阻值，这边还在ADC测量前面放置了一颗1N4148钳位二极管，可以保护我们在使用测量的过程中，接入的电压过大导致烧坏芯片，通过1N4148可以将输入的电压钳位在5V，可以有效的保护芯片引脚。为了测量电压的精准，这边还提供了两档的电压测量精度切换，通过不同的分压电阻的设置，实现不同的电压测量精度。

 

外部基准电压部分原理图展示：

本次项目使用了CW32的内部基准电压，设置这部分的电路是为了方便后期在使用不带内部基准电压的芯片的时候可以知道该怎么设计使用，外部基准电压部分这边使用了一颗TL431来提供一个2.5v的基准电压。

 

模拟电压部分原理图展示：

通过板载的模拟电压部分，可以实现在没有外部可调电压的情况下，实现对本设备的电压快速标定较准，这部分使用了一个10kΩ电位器来调整电阻，实现改变输入的电压值，同时为了不影响系统正常的电压测量，用一个2pin排针来作为这边的开关，当需要使用板载的电压较准标定的时候，就使用跳线帽短接排针，启动电位器，从而对系统进行标定较准，在不需要板载电压标定的情况下，请务必取下跳线帽，否者会影响电压的正常测量。其实这里用跳线帽不是很方便，特别是不利于后期的外壳制作，所以这里的跳线帽可以直接替换成自锁按键比较美观。

 

电压测量接线图展示：

电压测量部分接线示意图，图中的+V和GND分别为待测电压的正负极，同时可以通过将待测电压的正级接入VP实现给整体系统供电，更加的方便，这样就不用单独给系统准备电源了，不过需要注意的是，当被测电源的电压供电低于5V的时候，将不能给系统提供供电，需要准备单独的电源对其供电，还有就是为了方便后期的调试，这边使用了万用表表笔专用的2mm香蕉插座，可以直接将万用表的表笔插入香蕉座中，解放双手更加便利。

 

电流测量部分原理图展示：

电流测量的本质还是测量电压，通过被测电流的电压测量，达到测量电流的目的，这边使用R11作为采样电流的电阻，因为测量电流的范围限定在0-3A所以我们的采样电阻选择100mΩ的电阻同时因为电流大，所以这里的电阻功率也要选1W以上的电阻封装，同时在测量IO端口前面放置了一颗1kΩ的电阻起一定的限流作用，放置电流过大损坏IO引脚，同C9一起可以起到滤波降噪的作用，同时在这里我们也放置了一颗1N4148和前面的作用是类似的，也是和前面相同的作用，保护我们的ADC引脚。

 

模拟电流部分原理图展示：

板载模拟电流部分，在使用板载模拟电流时，记得先不要焊接R11的采样电阻，否则会影响模拟电流的正常测量使用，模拟电流的测量就是测量电阻的电压值除以阻值再乘以100，就可能模拟出0-2.38A的电流供ADC测量。（在软件代码里边要注意这部分的代码是否是这样设置的）

 

电流测量端口连接原理图展示：

在电流测量部分因为电流的测量是串联到电路中，所以这部分由于要给插万用表提供接头，所以放置了两个接线端子，在接入万用表的情况下，电流通过万用表T_A再从T_I+到板子内部测量再通过I-流出到被测电流的负级，在不需要插接万用表较准测量的时候，只需要将本设备的I+I-串联接入被测电流中就可以了。

 

数码管显示原例图展示：

通过两个0.28寸共阴极的三位数码管来显示电压电流的测量值，这里可以选择两个不同颜色的数码来显示，可以更明细的区分电压电流的测量值。

 

按键部分原理图展示：

通过三个按键来实现对设备的“标定”、“确认”、“返回”，按键具体的控制逻辑会在成品展示部分介绍具体的功能。

 

IO测试原理图展示：

通过设置测试用的LED来测试代码框架搭建有没有问题，是否能正常的点亮设备上的这一颗测试的LED。

 

其他部分原理图展示：

从板子上面引出了串口调试英教，方便后期对板子增加其他模块使用。

板子使用4颗M3螺丝与外壳连接。

 

PCB部分展示：

整体的元器件走线布局，这里需要特别注意的点就是，单点接地的情况，由于是测量设备，为了防止共地干扰，所以对测量部分和其他部分的地进行了区分，同时也没有进行PCB的整体普通，就是为了防止共地干扰，还有就是在电源线的部分使用大面积的铜皮填充来为其提供大电流的通过，还需要注意的是在采样电阻的测量电路部分使用开尔文接发，可以使测量更加精准。

 

PCB本体预览图（正面）：

在PCB的外观方面，使用了嘉立创的彩色丝印工艺，同时对各个接线端进行了文字标记，可以更加直观的看出来各个连接端口的作用，同时对文字丝印也是做了特色的外观，更加契合主体“皮卡丘”的图案，因为本次的设备是电压电流表，所以选用了神奇宝贝中的电耗子皮卡丘做为吉祥物，希望可以为本设备提供稳定可靠的电压电流测量。

PCB本体预览图（背面）：

PCB3D预览图（正面）：

PCB3D预览图（背面）：

PCB外壳展示：

外壳部分由上下两部分主城，上盖通过嵌入热熔螺母与外壳整体连接，会在实物介绍的时候标注。

 

外壳面板展示：

面板直接在立创EDA里边绘制的，整体风格还是皮卡丘的样式，同时对控制部分做了文字标注，方便使用。

 

实物部分展示：

PCB实物非常漂亮，彩色丝印非常清晰，色彩很鲜艳，而且彩色丝印自带沉金工艺，可以让PCB更加漂亮美观。

焊接好的PCB展示：

焊接的时候发现一些设计阶段的问题，设计的时候是想开发板插在拓展版上面的，但是后来发现这样会导致外壳很大，不够小巧精致，这边直接将开发板通过排针焊接在拓展板上面，可以大大的降低外壳的高度，不过这样也有麻烦的地方，就是开发板将不能取下来，有问题的话不方便排查，还有就是开发板的高度降低了，但是这样也会导致开发板上面的type-c接口会被前面的电解电容遮挡，导致不能连接开发板上面的type-c接口，还有一个地方的改动就是开发板上面的跳线排针，本来是直插的，为了降低高度，保持外壳的美观，我将其换成了弯插，这样既能正常的跳线使用，也不影响外壳的高度。后期还发现挺多可以优化的地方，就是测量的线对板端子可以换成卧插的，可以可以将外壳开孔放在侧面，有利于正面面板的美观性，同时电位器的选型也可以选择没有这么长柄的，因为板载的模拟电压模拟电流在标定后，后期基本上都不用他们来标定了，所以可以考虑用短一点的，将其隐藏在外壳中。

 

软件部分：

软件部分是直接使用的官方案例，没有过多的修改，不过需要注意的是，CW32在代码搭建使用的过程中需要注意一些问题，这部分官方给了比较详细的指导说明CW32数字电压电流表训练营项目教程文档 | 立创开发板技术文档中心 (lckfb.com) 可以通过此连接查看官方文档，按照官方的流程步照基本上没有啥大问题。

这边说一下当你编译完下载代码出错的时候，记得检查一下芯片是不是选择准确的。

 

代码部分这边对按键功能做了比较详细的注释，方便在代码内修改按键的操作逻辑。

 

 

外壳部分：

外壳部分通过四颗M3螺丝连接，外壳上盖通过嵌入的四颗M3热熔螺母和外壳底部相连接。M3螺丝的长度是8mm的，热熔螺母的尺寸是3*6*4.2的大小。

 

成品展示：

 

 

这边使用的按钮帽型号是A101按键帽黑硅胶帽配6*6轻触开关7.5H以上内径3.0尺7.4*4.5(20只-淘宝网 (taobao.com)

这边使用的香蕉座的购买连接2mm香蕉插座纯铜镀金K2A33 插孔2mm测试孔电路实验教学仪器线路板-淘宝网 (taobao.com)

 

项目总结：

本次项目还有很多值得优化的地方，通过这一次对电压电流表的制作，学习到了很多关于电压电流测量和ADC的相关知识，可以在以后的电路设计中起到非常大的帮助。