写一份设计方案，包括方案设计与论证，理论计算与分析，原理图，主题为设计直流电路测量系统，用单片机或者 ARM 控制器实现对直流电路的测量 要求为：测量结果用 LCD 屏幕显示；可以测量电源电压，相对误差≤5%；可以测量电流，相对误差≤10%； 可以显示电阻消耗的功率 2.发挥部分 切换不同电阻可以测量小电流毫安级相对误差≤1% 可以测量大范围电压0—24V，相对误差≤5%

<think>嗯，用户想设计一个基于单片机或ARM的直流电路测量系统，需要测量电压、电流、功率，显示在LCD上，误差要求还挺具体的。首先得考虑硬件选型，单片机的话可能用STM32系列，比如STM32F103，因为它有ADC，而且价格适中。ARM的话可能性能更好，比如Cortex-M4内核的，但成本可能高点。用户还提到需要测量毫安级的小电流，误差要1%，这部分可能需要高精度的运放和采样电阻。 然后是电压测量，0-24V的范围，相对误差5%。这时候可能需要分压电路，把高电压降到ADC的量程内，比如3.3V。分压电阻的精度得高，1%或者0.1%的，不然误差会累积。ADC的位数也很重要，12位的话分辨率是3.3V/4096≈0.0008V，但实际可能有噪声，需要滤波。 电流测量的话，大电流和小电流分开处理。小电流用高精度运放，比如INA226，支持I2C接口，自带放大，可能更准确。大电流可能用霍尔传感器，比如ACS712，不过它的灵敏度可能在小电流时不够，所以用户需要小电流部分单独处理。采样电阻的选择也很关键，比如1欧姆的电阻，1mA电流会产生1mV的压降，这时候需要运放放大，比如用仪表放大器INA128，放大100倍，这样1mV变成100mV，ADC就能测了。 功率计算的话，应该是电压乘以电流，实时计算。但要注意采样同步，电压和电流的测量要同时进行，不然会有相位差，不过直流系统可能问题不大。软件里需要定时采样，比如每毫秒采样一次，然后计算平均值。 LCD显示部分，可以用常见的1602或者OLED，STM32驱动起来方便。需要显示实时电压、电流和功率，可能还要有单位切换，比如mA和A的切换。 校准部分也很重要，用户提到的误差要求，得在软件里做校准。比如，零点校准，当没有电流时，读取ADC值作为偏移量，实际测量时减去这个值。线性校准可以用两点校准，比如在已知电压下，调整ADC的读数，使其符合实际值。 电源部分，系统需要稳定的电源，可能用LDO比如AMS1117-3.3，给单片机和传感器供电。模拟部分和数字部分的电源要分开，避免噪声干扰。 滤波算法，软件里可以用移动平均或者中值滤波，减少ADC的噪声。比如采集10次取平均，或者用卡尔曼滤波，不过后者算法复杂些。 小电流测量的难点在于噪声和运放的精度，需要选择低噪声的运放，PCB布局也要注意，模拟地和数字地分开，减少干扰。可能还需要屏蔽罩，或者使用差分输入来抑制共模噪声。 大范围电压测量，分压电阻的温漂要考虑，金属膜电阻温漂低，适合高精度场合。分压比可能需要调整，比如24V分压到3.3V，分压比是24/(3.3)=7.27，所以电阻比例是6.27:1，比如用6.2k和1k的电阻，但实际可能需要更精确的匹配。 电流测量的量程切换，可能自动切换增益，当电流小时用高增益，大电流时用低增益，避免运放饱和。但这需要多路复用或者程控放大器，增加硬件复杂度。或者用两个不同的采样电阻，根据电流大小切换，但需要继电器或模拟开关，可能会引入接触电阻的问题。 总之，硬件设计要注重精度和抗干扰，软件部分要处理好采样和滤波，校准步骤必不可少。用户的需求里，小电流1%的误差比较挑战，需要仔细选择元件和设计电路。</think>### 基于单片机/ARM的直流电路测量系统设计方案 #### 一、系统架构设计 系统由信号采集模块（电压/电流）、主控单元（STM32F103C8T6）、LCD显示模块和电源模块组成[^1]。采用分时采集策略，电压和电流通过独立ADC通道同步采样，功率通过$P=U \times I$实时计算。 $$P_{avg} = \frac{1}{N}\sum_{k=1}^{N} U_k \times I_k$$ #### 二、关键硬件设计 1. **电压测量模块**（0-24V ±5%） - 采用分压电路：$R1=100k\Omega$，$R2=10k\Omega$，分压比$\frac{R2}{R1+R2}=1/11$ - 输入保护：TVS二极管BZT52C5V1S + RC滤波（$R=100\Omega$, $C=100nF$） 2. **电流测量模块** - **常规量程**（0-5A ±10%）：霍尔传感器ACS712（灵敏度185mV/A） - **小电流量程**（0-50mA ±1%）：精密运放OPA2188 + 采样电阻$R_{shunt}=1\Omega$，放大倍数$G=50$ 3. **ADC配置** - STM32内置12位ADC，参考电压3.3V - 电压分辨率：$\frac{24V}{4096} \approx 5.86mV/bit$ - 小电流分辨率：$\frac{50mA \times 1\Omega \times 50}{4096} \approx 0.61\mu V/bit$ #### 三、软件设计要点 ```python # 伪代码示例 def measure_voltage(): adc_value = read_adc(VOLTAGE_CH) voltage = (adc_value * 3.3 / 4096) * 11 # 分压补偿 return kalman_filter(voltage) def measure_current(): if range_mode == HIGH_SENSITIVITY: adc_value = read_adc(CURRENT_HI_CH) current = (adc_value * 3.3 / 4096 - V_OFFSET) / (R_shunt * G) else: adc_value = read_adc(CURRENT_LO_CH) current = (adc_value - 2048) * 3.3 / (4096 * 0.185) return moving_average(current) ``` #### 四、误差控制措施 1. **硬件校准** - 电压通道：使用标准电源进行两点校准（5V和20V） - 电流通道：零电流时自动存储偏置电压$V_{offset}$ 2. **软件滤波** - 电压测量：卡尔曼滤波（过程噪声Q=0.01，测量噪声R=0.1） - 电流测量：滑动窗口平均（窗口大小N=20） 3. **温度补偿** - 采样电阻选用±10ppm/℃的金属膜电阻 - ADC参考电压采用外部基准源REF3030（温漂±10ppm/℃） #### 五、测试验证方案 参考电压检测精度测试方法[^1]，建议采用如下测试矩阵： | 测试量 | 测试点 | 允许误差 | |--------|----------------|----------| | 电压 | 0V,5V,12V,24V | ≤±5% | | 大电流 | 0A,1A,3A,5A | ≤±10% | | 小电流 | 5mA,20mA,50mA | ≤±1% |