【新手向】地文星CW32电压电流表——硬件设计

本项目参加了由CW32生态社区与立创开发板组织的电压电流表训练营活动，转发已征得原作者大道至简同意。

本项目所有资料已经开源，适合新手小白复刻学习。

https://oshwhub.com/zk272761180/learning-gewenxing-cw32f030c8t6-

产品展示视频：

https://www.bilibili.com/video/BV1T8W4erEXn/#reply112995304803317

读前说明：

• 2024.11.24 更新说明：本项目已于9月10日优化完成，最终软件版本为V3.0，后续将不再更新。

一、功能说明

1.1 产品功能

• 应用功能
• 支持0-30V电压测量，显示精度0.1V/0.01V；支持0-3V自动换档测量，显示精度0.01V；
• 支持0-3A电流ADC测量，显示精度0.01A；
• 可实时检测被测电路的电压和电流值；
• 可同时检测被测电路的电压和电流值。
• 学习功能
• 使用CW32开发板开发，有助于学习CW32开发板有关电路原理、ADC功能、定时器及中断等功能，有助于学习KEIL MDK开发环境；
• 内设模拟检测电压和电流电路，在无其它外设情况下实现学习电压和电流测量原理；
• 内设模拟标定功能，在无其它外设情况下实现该产品开发时的调试工作。
• 安全功能
• 具有电路保护功能，保护MCU、防反接、接口防呆。

1.2 使用说明

1. 普通检测

• 电压测量

1. 接线：使用CH1端子接入被测电路，其中黄线接正极，黑线接负极；当被测电压小于5V时通过DC或者VP红色线接入供电电源；
2. 外接电压表验证时，表笔接入CH1两端的橡胶座，其中红表笔接入黄色座，黑表笔接入黑色座；
3. 红色数码管显示值为当前被测电路电压值。

• 电流测量

1. 接线：使用CN1端子接入被测电路，其中黄线接正极，黑线接负极；
2. 外接电流表验证时，CN2端子（1号口）红色接正极，红色香蕉座接电流表红表笔，右侧黄色香蕉座接电流表黑表笔，CN1端子黑色接负极。
3. 蓝色数码管显示值为当前被测电路电流值。

2. 标定校准

• 【2024.9.10 更新】

电压标定调整为模式1-模式3：
> 1. 模式1：标定3V电压，红色数码管显示【V.03】，蓝色数码管显示当前电压值；
> 2. 模式2：标定8V电压，红色数码管显示【V.08】，蓝色数码管显示当前电压值;
> 3. 模式3：标定15V电压，红色数码管显示【V.15】，蓝色数码管显示当前电压值。
电流标定调整为模式4-模式6：
> 1. 模式4：标定0.5A电流，红色数码管显示【A.0.5】，蓝色数码管显示当前电流值；
> 2. 模式5：标定1A电流，红色数码管显示【A.1.0】，蓝色数码管显示当前电流值；
> 3. 模式6：标定2A电流，红色数码管显示【A.2.0】，蓝色数码管显示当前电流值。

• 电压标定

1. 接线：按照接入电压表的电压测量接线。
2. 输入电压调整到3V，万用表显示3V，按下【模式】按键，直到红色数码管显示【V.03】，蓝色数码管显示标定前电压值，按下【标定】按键完成5V标定；
3. 其余类推。

• 电流标定

1. 接线：按照接入电流表的电流测量接线。
2. 输入电流调整到0.5A，万用表显示500mA，按下【模式】按键，直到红色数码管显示【A.0.5】，蓝色数码管显示标定前电流值，按下【标定】按键完成0.5A标定；
3. 其他类推。

注意：不使用板载标定功能时无需短接JP，同时焊接R0。

1.3 开发工具

• 立创·地文星CW32开发板：
• 万用表；
• 焊接及其辅助设备（元器件均可购自立创商城）；
• 与设备配套的外接端子、线、香蕉座等（需要自购）；
• 程序下载和烧录设备。

二、硬件设计

前言：产品实现分为6个主要部分，即电源电路、电压及电流采样电路、电压电流模拟采样及标定电路（选配）、数码管显示电路、按键及LED指示电路、外设接口电路。

2.1 原理图说明

2.1.1 电源电路

• 要点说明：

1. 电源输入：设置2处，通过DC接口或VP接入供电；
2. LDO选型：要求接入电压足够大（本电压表多用于24V-36V供电工业场景中），散热能力好，5V输出（实测3V3不足以给数码管和开发板供电）、成本低，故选择SE8550K2；
3. 滤波电路：电容设计遵循先大后小原则，先是电解电容滤除低频波，再用陶瓷电容滤除高频波；
4. 电路保护：肖特基二极管1N5189低压降（0.2V以内）防反接，串联10欧电阻过流和短路保护。

2.1.2 电压采样电路

• 原理说明：

依据串联分压原理，以30V DC为例，CW32的ADC 1.5V为基准参考电压时，要确保设计最大量程为30V，通过计算获得分压比：

1. 电阻选择常用阻止同时留有测压余量，选择10K和220K搭配，实际量程约34V左右
2. 同理0-3V电路1:1分压比选择10K。

• 要点说明：

1. 电路保护：使用钳位二极管1N4148保护MCU引脚；
2. 换挡检测：电压采样设置0-3V和0-30V两档，当电压在3V以内时可进一步提高测量精度。

2.1.3 电流采样电路

• 原理说明：

1. 电流检测本质还是电压检测。设计电流为0-3A，需将采样电路串联入被测电路，通过ADC测得小电阻R0处的压降，再和R0阻值本身计算可得电路电流。

• 要点说明：

1. 采样电阻选型：一是要求不产生大压降以降低对被测电路的干扰；二是要求选择合适封装降低功耗和温度。因此选取R0阻值为100毫欧，功率为1W；
2. 电路保护：ADC处串联1K电阻限流保护引脚，使用钳位二极管1N4148保护MCU引脚，串联电阻和接入电容起到滤波作用有利于模数转换更精确。

2.1.4 模拟采样及标定电路

1. 模拟电压测量及标定

• 要点说明：

1. 将VP接入供电时，滑动变阻器RP1即可模拟出0-VP大小的电压；
2. 使用TL431电路提供2.5V基准电压，用于给MCU校准AD外部电压。参考CW32技术手册发现其ADC性能可以不使用该电路校准，仍可有较好的准确度；
3. 外接电源后短接JP1实现模拟测量功能。

2. 模拟电流测量及标定

• 要点说明：

1. 同样依据串联分压原理，当I+处被测电流为3A时该处电压为300mV；因此模拟电路中RP2最大压降应为300mV。依据串联分压原理，算得电阻阻值之比：

1. 实际上为保证量程RP2分的电压要更小，即R17阻值要更大，参考常用阻值定为R17=200K，RP2=10K，实际最大模拟阻值约为238mV，即接入I+的电压在0-2.38A范围内。
2. 模拟测量本质还是测量I+接入的电压大小，因此原测量电路变成了使用ADC测量RP滑动电压值，所以要断开R0电路连接。
3. 外接电源后，不焊接R0，同时短接JP2实现模拟测量功能。

2.1.5 其他电路

其它电路原理简单，此处只说要点，原理不再赘述。

1. 数码管显示电路

• 要点说明：

1. 使用共阴极数码管；
2. 依据MCU IO口高电平拉电流/灌电流能力选择合适数码管参数。

2. 按键及LED指示电路

• 要点说明：

1. 使用3个按键切换功能；
2. 两个LED指示电源接入和工作状态；
3. MCU的电流灌入能力大于拉电流能力，故LED设计为低电平有效。

3. 外设接口电路

• 要点说明：

1. 外设接入分2部分，一是检测接线端子，二是万用表表笔插入点（香蕉座）；
2. 电压接线增加一路VP，当工作电压小于5V时需外接电路；
3. 电流接线设置2路端子分别用于普通测量和接入电流表验证测量；
4. 万用表笔插入口选取2mm香蕉座子，设计原理图时在元件库过滤个人封装图，或者自己画。

2.2 layout注意事项

1. 线宽要求

• 电源线尽可能走宽，在20-60mil；
• 普通信号线10mil；
• ADC信号线在8mil或10mil；
• 地线考虑局部铺铜和大线宽，同时减小地线长度。

2. 地线要求

• 本PCB不设计整版铺铜，使用组内串联、组间并联的单点接地方式；
• 并联总地线局部加宽填充保证接地点的同一电位；
• 注意I-处功率地和测量电路的信号地分隔。

3. 采样电阻R0接法

• 利用开尔文接法消除线路电阻和接触电阻对测量结果的影响。

2.3 PCB焊接注意事项

• 部分直插电容、肖特基二极管、LED有正负极，要细心参考产品说明准确分辨正负极；
• 数码管耐温能力较低，注意电烙铁高温不要触碰；
• 其他（想起来再补充）...

焊接完成图：

产品硬件完成图：