描述

在本項(xiàng)目中，使用分壓器作為電壓傳感器來(lái)測(cè)量直流 LED 和風(fēng)扇的電壓輸出。STM32F407 微控制器的 ADC 引腳將從分壓器輸出讀取 ADC 值并將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際電壓值并顯示在 LCD 上。

1. 什么是分壓器？

分壓器是一種簡(jiǎn)單的電路，可以將大電壓轉(zhuǎn)換成較小的電壓。僅使用兩個(gè)串聯(lián)電阻和一個(gè)輸入電壓，我們就可以創(chuàng)建一個(gè)輸入電壓的一小部分的輸出電壓。在這個(gè)項(xiàng)目中，分壓器用作電壓傳感器，方法是從相對(duì)較大的電壓源中獲取電壓參考。相對(duì)較大的電壓偏壓有源電子元件、放大器電路等。

分壓器通常與電位計(jì)一起使用，電位計(jì)是一種電子設(shè)備，用于設(shè)計(jì)可具有受控輸出電壓的分壓器。分壓器電路原理由一個(gè)或多個(gè)元件組成并連接到輸入電壓源的串聯(lián)電路組成。

2. 規(guī)劃分壓器電路

分壓器涉及在一系列兩個(gè)電阻器上施加電壓源。您可能會(huì)看到它以幾種不同的方式繪制，但它們本質(zhì)上應(yīng)該始終是相同的電路。

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分壓器方程假設(shè)您知道上述電路的三個(gè)值：輸入電壓 (Vin) 和兩個(gè)電阻值 (R1 和 R2)。給定這些值，我們可以使用該等式計(jì)算輸出電壓 (Vout)。

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該等式表明輸出電壓與輸入電壓以及 R1 和 R2 的比率成正比。

查找 R2 值以獲得 3 伏電壓參考

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在本項(xiàng)目中，分壓器設(shè)計(jì)為在輸入電壓為 15 伏時(shí)具有 3 伏輸出。這是因?yàn)?STM32F407 Discovery 微控制器的 ADC 引腳具有 3.3 V 參考電壓，因此 ADC 引腳可以接收的最大電壓必須低于 3.3 V。在本項(xiàng)目中，參考電壓為 3 伏。

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3. 規(guī)劃分壓器原理圖

電壓傳感器 PCB 板使用 Autodesk Eagle 軟件設(shè)計(jì)，由 2 個(gè)輸入和輸出端子、1k Ω 電阻和 1 個(gè)電位器組成。它們被放在PCB板上。

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4. ADC電壓傳感器

模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 是一項(xiàng)非常有用的功能，可將引腳上的模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字。通過(guò)從模擬世界轉(zhuǎn)換到數(shù)字世界，我們可以開(kāi)始使用電子設(shè)備與我們周?chē)哪M世界進(jìn)行交互。

STM32F407VG6T 微控制器 ADC 支持 6 位、8 位、10 位和 12 位可配置分辨率。此外，它還支持單次、連續(xù)、掃描或斷續(xù)模式三種A/D轉(zhuǎn)換模式。ADC 的結(jié)果存儲(chǔ)在左對(duì)齊或右對(duì)齊的 16 位數(shù)據(jù)寄存器中。下表顯示了每個(gè)模擬通道和 ADC 模塊的輸入引腳。

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5. STM32F407VG6T微控制器ADC分辨率

ADC 分辨率可以定義為 ADC 可以識(shí)別并增加其數(shù)字值的模擬引腳上的最小輸入電壓。ADC 的最大和最小數(shù)字輸出值取決于 ADC 的位數(shù)。例如，對(duì)于 8 位 ADC，數(shù)字輸出值將在 0-255 之間，對(duì)于 10 位 ADC，數(shù)字輸出值將在 0-1023 之間，對(duì)于 12 位 ADC，數(shù)字輸出值將在 0-4095 之間。

ADC 分辨率可定義為：

Resolution = ( Operating voltage of ADC ) / 2^(number of bits ADC)

例如，STM32F4 系列單片機(jī)的工作電壓為 3.3V，如果我們將 ADC 配置為 12 位模式：

Resolution = 3.3V/2^12 = 3.3/4095 = 0.8mV

6.STM32CubeMX配置

STM32CubeMX 是一個(gè)圖形工具，可以通過(guò)分步過(guò)程非常輕松地配置 STM32 微控制器和微處理器。在這個(gè)項(xiàng)目中，我們使用 STM32CubeMX 在微控制器上分配 ADC 引腳。我們也使用 DMA。

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7. 電壓傳感器校準(zhǔn)測(cè)試

每個(gè)測(cè)量系統(tǒng)都必須在測(cè)量中被證明是可靠的，這個(gè)驗(yàn)證過(guò)程稱(chēng)為校準(zhǔn)。校準(zhǔn)可以減少誤差并提高測(cè)量精度。校準(zhǔn)程序步驟使用要校準(zhǔn)的儀器與標(biāo)準(zhǔn)儀器的比較。

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電壓傳感器校準(zhǔn)測(cè)試是通過(guò)從直流電源提供分壓器輸入電源來(lái)完成的。分壓器的輸出將被發(fā)送到 ADC（模數(shù)）微控制器引腳。分壓器的輸入電源和輸出電源將由數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量。

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在本項(xiàng)目中，電壓傳感器校準(zhǔn)測(cè)試顯示出良好的結(jié)果，誤差百分比值在0.089% - 1.6%之間。這說(shuō)明電壓傳感器可以正常工作。基于理論計(jì)算的ADC值與從LCD讀取的ADC值之間的誤差百分比值比較小，在0% - 2.39%之間。

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下圖為輸入電壓與輸出電壓測(cè)試圖對(duì)比。

Vin - 電壓傳感器的 Vout 圖形

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通過(guò)找到輸出電壓和ADC之間的線性函數(shù)，我們可以使用線性函數(shù)將ADC值轉(zhuǎn)換為微控制器將讀取的電壓值。得到的線性函數(shù)是y = 0,00361208999745770x - 0,03304734834610130。

Vin 的線性函數(shù)圖 - ADC 電壓傳感器

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該函數(shù)放入單片機(jī)程序中，然后計(jì)算出萬(wàn)用表分壓器讀數(shù)與LCD之間的誤差百分比。

萬(wàn)用表和 LCD 結(jié)果之間的電壓傳感器值讀數(shù)差異

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比較 LCD 和萬(wàn)用表讀取的電壓值，可以得出電壓傳感器 1 的誤差百分比值低于 1.6% 的結(jié)論。

8. 讀取直流 LED 和直流風(fēng)扇電壓值

完成電壓傳感器校準(zhǔn)測(cè)試后，我們終于可以使用傳感器電壓來(lái)測(cè)量直流 LED 和直流風(fēng)扇的電壓值了。要讀取直流 LED 和直流風(fēng)扇的電壓值，請(qǐng)將它們的輸出連接到電壓傳感器的輸入。

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結(jié)論

分壓器通常用作電壓傳感器來(lái)測(cè)量直流電壓。在這個(gè)項(xiàng)目中，我們成功地創(chuàng)建了一個(gè)分壓器作為直流電壓傳感器，用于測(cè)量直流 LED 和直流風(fēng)扇。

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