两线制直流电源电压显示表（可测范围0.8V—80V）

一 任务：设计并制作一台两线制直流电源电压显示表。作为典型的电池类电源电压监视器，它使用两根引线连接直流电源，它的电路直接从电源取电（禁止外部供电），同时测量并显示电压，电路系统结构如图1所示。

 

二 要求：

1. 设计如图1中的两线制电压表，要求输入的信号Ui范围是0.9V—60V。在这个电压范围内，电压表必须能够正常工作，显示器显示要能够跟随输入电压变化而变化。
2. 显示分辨率不低于0.01V。
3. 以0V作为最小量程端，以60V作为最大量程端，要求.0.9V—60V实际量程中任何一点测量值的满量程相对误差不大于0.2%。

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• 方案论证

        1.主控芯片的选择

方案1：采用STM8L151K4T6，进行AD采样，此方案主控芯片，为8位CPU，12位ADC，主频最高可达16MHZ，功耗极低

方案二：采用STM32F103C8T6，进行AD采样，此方案主控芯片，为32位CPU，12位ADC，主频最高可达72MHZ，虽然数据运算速度较快，功耗较高。

综上所述，考虑到功耗的原因，故选择方案一。

        2.显示器的选择

方案一：采用6位数码管段式液晶，经过测试当液晶正常工作时，工作电流为300uA，功耗极低。

方案二：采用0.96寸OLED，当OLED正常工作时，工作电流较大，功耗较高。

综上所述，故选择方案一。

       3.总体方案描述

如下图1所示，系统总体方案如下，输入电压经过线性稳压电路后，给其他模块供电，如何输入电压经过AD采样电路处理以后，信号送至STM8L151K4T6当中处理，处理完成以后，通过液晶显示。

• 电路与程序设计

       1.线性稳压电路

线性稳压电路如下图2所示，当输入电压为1.2V—60V时，应保证线性稳压电路的输出为2.5V，首先通过NPN三极管，PNP三极管，构成负反馈电路，使负反馈电路的输出最低为1.2V，然后再通过DC-DC升压芯片，将1.2V升高至2.7V，2.7V电压，通过稳压管，转换为2.5V。NPN三极管和PNP三极管选择需要注意，三极管的放大倍数较大，而且三极管的Vce至少大于60V。

图2：线性稳压电路

工作原理分析：

（1） 当VCC上电时，三极管NPN2导通，三极管PNP1的基级电压，被拉低。三极管PNP1被导通，导通以后，因为二极管的钳位作用，PNP1的发射级电压Ve为，二极管导通电压之和。PNP1的发射级电压Ve经过负反馈反馈到，三极管NPN1的基级上，导致三极管NPN1导通，NPN2的基级电压被拉低，NPN2关闭。电容EC1放电，当电压到降低，不能使NPN1导通时，NPN1关闭，NPN2导通，PNP1导通。EC1充电。线性稳压电路重复上述过程。

（2） PNP1的发射级电压Ve经过DC—DC升压芯片以后，升高至2.7V，后接2.5V稳压二极管，稳出2.5V电压，给后续电路供电。

      2.AD采样电路

AD采样电路通过电阻分压的方式对输入电压，进行分压，根据VCC输入电源不同电压不同，一共将AD采样分为4挡，如下表1所示。

表 1 电压分档

档数	VCC
第一档	0V≤VCC＜5V
第二档	5V≤VCC＜20V
第三档	20V≤VCC＜40V
第四档	40V≤VCC＜80V

AD采样电路如下图3所示，电阻分压以后，需要注意电容滤波，注意当VCC较大时，需要进行对运放的保护，可以采用二极管进行保护。

图3:AD采样电路

 

       3.程序设计

程序开始对外设进行初始化，初始化完成以后，进行AD采样，然后进行数字滤波，最后通过显示屏显示，具体如下图4所示。

图4：程序框图

• 理论分析与计算

       1.线性稳压电路

因其NPN，PNP三极管需要满足，集电极和发射级之间的耐压值需要大于60V，故NPN三极管选择TIP41C, PNP三极管选择TIP42C.TIP41C和TIP42C的集电极和发射级之间的耐压值为100V，DC-DC升压芯片，采用PT1301。

PT1301输出电压，可以如下公式计算。

                                                                                                                                              （式1）

由式1可知，当Vout=2.7V，R2=1MΩ时，R1=1.16MΩ。

另外如图2线性稳压电路所示，2.5V稳压电路中，电阻阻值计算公式如下。

                                                                                                                                              （式2）

当Vout=2.7V，I=3mA时，R为66Ω。

      2.AD采样电阻分压电路

AD采样电阻分压电路如下图5所示，当VCC电压为分档临界电压时，考虑到留下余量的原因，故输出2.4即可，故用如下公式计算分压电阻阻值。

图5：AD采样电阻分压电路

 

 

                                 （式3）

 

由公式3可得，不同档位，电阻值如下表2所示。

 

表2：不同档位电阻取值

档数	VCC	R1，R2电阻值
第一档	0V≤VCC＜5V	R1=520K，R2=480K
第二档	5V≤VCC＜20V	R1=880K，R2=120K
第三档	20V≤VC＜40V	R1=940K，R2=60K
第四档	40V≤VC＜80V	R1=970K，R2=30

运放采用mcp6002，为保护运放芯片，需要在运放的电压输入端进行保护，可用二极管进行钳位保护，二极管负极接2.5V电压。

 

• 测试方案与测试结果

     1.测试仪器

一台五位半万用表，型号DM3058，2台电源箱，型号DP832。

     2.测试方案

测试时，使用可调直流电源作为电压源。使用五位半表监测直流输入电压，然后通万用表的值（真实值）和显示器上的值（测量值），计算出满量程相对误差。满量程相对误差，下公式所示。

    （式3）

     3.测试结果

 

数据

电源箱电压/V	真实值/V	测量值/V	绝对误差/mV	满量程相对误差
0.9	0.894	0.895	1.000	0.001%
8.0	7.996	7.998	2.000	0.002%
16.0	15.996	15.998	2.000	0.002%
24.0	23.996	24.003	7.000	0.009%
32.0	31.996	32.007	11.000	0.014%
40.0	40.000	40.002	2.000	0.003%
48.0	48.001	48.009	8.000	0.010%
56.0	56.001	55.996	5.000	0.006%
64.0	64.002	64.024	22.000	0.028%
72.0	72.004	72.031	27.000	0.034%
80.0	80.007	80.039	32.000	0.040%

 

      4.测试结果分析

通过对测试数据分析可知，当输入电压为3V-36V时，电压表可以正常工作，显示器显示要能够跟随输入电压变化而变化。显示分辨率不低于0.01V，而且在此量程范围内，任何一点测量值的满量程相对误差不大于0.3%。当输入电压为1.2V—60V时，电压表也能正常工作，任何一点测量值的满量程相对误差不大于0.2%，测试结果符合题目要求。此外在原有的基础上，将输入电压扩充至0.9V—82V时，电压表可以正常工作，且任何一点测量值的满量程相对误差不大于0.05%。

 

 

附录：原理图