论文总字数：22444字

摘 要

该项目的目标是搭建起交流电压测量的硬件电路平台。当外部交流电压信号接入之后，可以被该测量平台所采集，进而处理并得到数字信号，能够通过单片机编程，实现更复杂的显示等功能。搭建这样一个硬件电路平台，需要对系统的逻辑架构进行明确规划，掌握各环节实现的关键模块，从而为电路设计提供理论框架的支撑。然后，细致深入到每一个部分的硬件原理实现，完成原理图的绘制，在原理图设计过程中，涉及到电阻阻值计算的部分，要经过严密论证，确保测量结果更加合理，更加准确。实现了原理图层面的设计，紧接着，可以导入成为PCB图。导入前，需要经过元器件的选型，选用了合适的器件型号和封装，将有助于提高整体设备的稳定性，反之，则会影响理论方案的实现；导入时，需要注意PCB设计过程当中的一些布局和布线的技巧，精巧科学的布局不仅有利于测量使用和操作，还有利于信号的隔离和降低信号间的干扰，而规范合理的走线同样也是各个模块正常工作的不二保障。最终，该项目的设计结果是一个完整的测量平台，能够使用民用电源或±12V开关电源供电，采集处理峰值为0~440V的交流电压。该项目主要分为三个部分：电压采集、信号处理、单片机处理。分别依托电压互感器、OP37运算放大器、STM32F103RCT6单片机实现，次卧，搭载了一块3.2英寸TFTLCD，可以扩展输出交流电压波形的功能。从最终实现来看，该硬件电路设计是相对完整的实现了一个交流电压测量平台的搭建。

关键词：交流电压测量、STM32F103、OP37、电压互感器、硬件电路设计、数字信号、TFTLCD、民用电源供电、EMC、PCB、原理图、测量平台。

The AC VOLTAGE METER WITH DIGITAL OSCILLOSCOPE FUNCTION

Abstract

The goal of the project is to build up the alternating voltage measuring circuit hardware platform. When an external AC voltage signal access, it can be collected by the measurement platform, processed and thus obtain digital signals and meanwhile can be programmed through the microcontroller to achieve a more sophisticated display. Build such a circuit hardware platform, the need a clear planning for a logical system architecture, master key sectors to achieve each module, which provides support for the theoretical framework of the circuit design. Then, detailed down to every part of the hardware implementation to complete the schematic drawing. In the process of the schematic design, it involves partial resistor calculations, and needs to go through rigorous argument, ensure that the measurement results are more reasonable and more accurate. To achieve schematic diagram level design, followed by import PCB Fig. Before importing, need to go through selection of components to choose the appropriate device type and package, will help to improve the overall stability of the device. On the contrary, it will affect the realization of the theoretical program; when you import it need to pay attention to some placement and routing techniques in the process of PCB design. Sophisticated scientific layout is not only useful for measuring the use and operation, but also helps isolate the signal and reduce interference between signals. As well as a reasonable standard alignment is also safeguard each module working properly. Ultimately, the design of the project is the result of a complete measurement platform and it can be used for civil power supply or ± 12V switching power supply, acquisition and processing peak of 0 ~ 440V AC voltage. The project is divided into three parts: voltage acquisition, signal processing, microcontroller processing. They were respectively relying voltage transformer, OP37 op amp, STM32F103RCT6 MCU to equipped with a 3.2-inch TFTLCD, can extend output AC voltage waveform. For the final implementation, the hardware circuit design is relatively complete realization of building a platform of AC voltage measurement..

KEY WORD： AC voltage measurement、STM32F103、OP37、Vltage transformer（PT）、

Hardware circuit design、Digital signals、TFTLCD、Civil power supply、EMC、PCB、Schematic design、

Measuring latform。

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 项目背景 1

1.1.1 目标 1

1.1.2 运行环境 1

1.2 接口描述 1

1.2.1 固定接口定义 1

1.2.2 非固定接口定义 1

1.3 活动部件描述 1

1.3.1 可操作的活动部件描述 1

1.3.2 不可操作的活动部件描述 1

1.4 功能分析 2

1.4.1 功能划分 2

1.4.2 功能描述 2

1.5 性能需求 2

1.5.1 测量精确度 2

1.5.2 测量设备特性 2

1.5.3 适用性 2

1.6 本章小结 2

第2章 逻辑架构 5

2.1 交流电压采集 5

2.1.1 关键模块 5

2.1.2 关键模块描述 5

2.1.3 逻辑定位 5

2.2 信号处理 6

2.2.1 关键模块 6

2.2.2 关键器件描述 6

2.2.3 逻辑定位 6

2.3 单片机最小系统 6

2.3.1 A/D转换功能模块 6

2.3.2 A/D转换功能模块描述 6

2.3.3 TFTLCD显示模块 7

2.3.4 TFTLCD显示模块描述 7

2.3.5 逻辑定位 7

2.4 本章小结 8

第3章 系统结构设计 9

3.1 系统结构图 9

3.2 信息采集和处理电路 9

3.2.1 整体设计 9

3.2.2 交流电压采集电路 10

3.2.3 信号处理电路 11

3.3 最小系统 11

3.3.1 主控芯片电路设计 11

3.3.2 STM32最小系统基本电路 12

3.3.3 信号AD采集电路 16

3.3.4 TFTLCD显示电路 17

3.4 电源设计 17

3.4.1 ±12V电源电路 17

3.4.2 3.3V电源电路 20

3.4.3 固定电压1.6V电压电路 20

3.5 本章小结 21

第4章 计算与仿真 23

4.1 电压互感器一次侧计算 23

4.1.1 条件 23

4.1.2 串接大电阻阻值计算 23

4.1.3 实现 23

4.2 电压互感器二次侧计算 23

4.2.1 条件 23

4.2.2 串接电阻阻值计算 23

4.2.3 实现 23

4.3 运放比例放大器计算 23

4.3.1 条件 23

4.3.2 计算 24

4.3.3 实现 24

4.4 运放加法器计算 24

4.4.1 条件 24

4.4.2 串接电阻阻值计算 24

4.4.3 实现 25

4.5 信号处理仿真 25

4.6 本章小结 25

第5章 PCB设计与测试结果 27

5.1 PCB设计 27

5.1.1 PCB布局 27

5.1.2 PCB布线 27

5.2 测量结果 31

5.2.1 ±12V电源 31

5.2.2 3.3V电源 32

5.2.3 1.6V固定电压 33

5.2.4 接入交流信号，处理后得到的信号值 34

5.3 本章小结 35

第6章 软件设计 37

6.1 基本调试环境 37

6.2 功能函数 38

6.3 程序流程图 38

6.3.1 总流程图 38

6.3.2 LED控制流程图 38

6.3.3 LCD控制流程图 39

6.4 本章小结 40

第7章 总结和展望 41

7.1 论文总结 41

7.2 展望 41

7.2.1 41

参考文献 43

致谢 44

绪论

项目背景

目标

本设计是通过搭建硬件电路平台，制作测试交流电压设备，能够实现对峰值范围0~440v的交流电压进行采集、变换，并通过STM32单片机读取变换的信号并转化为数字信号，以波形的形式直观的体现在液晶显示器上。

运行环境

供电设备：外部需要具备220V50Hz交流电源或者±12V直流开关电源；

待测交流电：峰值范围是0~440V，通过两根导线引出，能够接入制作的测试平台。

接口描述

固定接口定义

AC电源输入：可以通过三芯电源线接入到220V50Hz民用电网中，为硬件平台供电；

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