基于STM32單片機(jī)的簡(jiǎn)易電壓測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　本設(shè)計(jì)方案旨在構(gòu)建一個(gè)基于STM32微控制器的簡(jiǎn)易電壓測(cè)量系統(tǒng)，其核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)外部電壓信號(hào)的精確、穩(wěn)定采集與顯示。該系統(tǒng)將充分利用STM32系列單片機(jī)強(qiáng)大的處理能力、豐富的外設(shè)資源，特別是其高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），以滿(mǎn)足工業(yè)控制、實(shí)驗(yàn)室測(cè)量、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)等多種應(yīng)用場(chǎng)景中對(duì)電壓監(jiān)測(cè)的基本需求。我們將從系統(tǒng)整體架構(gòu)、核心硬件模塊設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)邏輯、關(guān)鍵元器件選型與分析等方面進(jìn)行深入探討，力求提供一個(gè)全面且具備可行性的設(shè)計(jì)思路。

　　1. 系統(tǒng)概述與功能需求

　　一個(gè)簡(jiǎn)易電壓測(cè)量系統(tǒng)通常包含幾個(gè)核心功能：電壓信號(hào)輸入、信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（可選）以及數(shù)據(jù)顯示。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)將圍繞這些基本功能展開(kāi)，并力求在成本、精度、穩(wěn)定性之間取得平衡。

　　主要功能需求：

　　電壓測(cè)量范圍： 0V至30V DC（可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整，通過(guò)分壓電路實(shí)現(xiàn)）。

　　測(cè)量精度： 達(dá)到或優(yōu)于1% F.S.（Full Scale），通過(guò)優(yōu)化ADC采樣和信號(hào)調(diào)理實(shí)現(xiàn)。

　　顯示方式： 采用LCD液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示測(cè)量電壓值，要求顯示清晰、直觀。

　　人機(jī)交互： 預(yù)留按鍵接口，可實(shí)現(xiàn)功能切換、參數(shù)設(shè)置等擴(kuò)展功能。

　　供電方式： USB供電或外部DC適配器供電，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

　　通信接口（可選）： 預(yù)留UART、SPI或I2C接口，方便與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互或上位機(jī)監(jiān)控。

　　2. 系統(tǒng)整體架構(gòu)

　　本簡(jiǎn)易電壓測(cè)量系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)核心模塊構(gòu)成：

　　電源管理模塊： 為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠的電源。

　　電壓輸入與信號(hào)調(diào)理模塊： 將待測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行衰減、濾波，使其符合ADC的輸入范圍，并提高測(cè)量穩(wěn)定性。

　　主控制器模塊： 采用STM32系列單片機(jī)，負(fù)責(zé)ADC數(shù)據(jù)采集、處理、顯示驅(qū)動(dòng)以及系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制。

　　顯示模塊： 采用LCD顯示屏，用于實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果。

　　人機(jī)交互模塊（按鍵）： 用于系統(tǒng)操作與功能選擇。

　　調(diào)試/下載接口： SWD接口，用于程序燒錄與在線調(diào)試。

　　3. 核心硬件模塊設(shè)計(jì)與元器件選型

　　3.1 主控制器模塊：STM32單片機(jī)

　　元器件型號(hào)優(yōu)選：STM32F103C8T6

　　選擇理由： STM32F103C8T6是意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，屬于STM32F1系列中的“主流性能型”。選擇它的主要原因在于其出色的性?xún)r(jià)比和功能豐富性，非常適合此類(lèi)中小型嵌入式項(xiàng)目：

　　高性能Cortex-M3內(nèi)核： 72MHz的主頻，提供足夠的處理能力進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算和實(shí)時(shí)控制。對(duì)于電壓測(cè)量而言，快速的ADC采樣和浮點(diǎn)運(yùn)算能力至關(guān)重要。

　　集成高精度ADC： 內(nèi)部集成了2個(gè)12位ADC，每個(gè)ADC有10個(gè)外部輸入通道。12位的分辨率意味著 212=4096 個(gè)量化等級(jí)，對(duì)于0-3.3V的參考電壓，最小可分辨電壓為 3.3V/4096≈0.8mV，完全滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)對(duì)精度的要求。雙ADC設(shè)計(jì)允許同時(shí)或交替采樣，提高數(shù)據(jù)吞吐率。

　　豐富的外設(shè)接口： 包含多個(gè)USART、SPI、I2C、CAN、USB等通信接口，便于系統(tǒng)擴(kuò)展和與其他設(shè)備通信。本設(shè)計(jì)中主要用到ADC和GPIO（用于LCD和按鍵驅(qū)動(dòng)）。

　　充足的存儲(chǔ)空間： 64KB Flash和20KB SRAM，足以存儲(chǔ)應(yīng)用程序代碼、測(cè)量數(shù)據(jù)和系統(tǒng)配置。

　　功耗表現(xiàn)： STM32系列單片機(jī)在性能和功耗之間有很好的平衡，適合電池供電或?qū)挠幸欢ㄒ蟮膽?yīng)用。

　　開(kāi)發(fā)生態(tài)成熟： 擁有龐大的用戶(hù)群體、豐富的開(kāi)發(fā)工具（Keil MDK, STM32CubeIDE等）、大量的例程和技術(shù)支持，降低開(kāi)發(fā)難度和周期。

　　封裝和價(jià)格： LQFP48封裝，易于PCB布局，且價(jià)格親民，適合批量生產(chǎn)。

　　功能： 作為整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，負(fù)責(zé)：

　　控制ADC模塊進(jìn)行電壓信號(hào)的采集。

　　對(duì)ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量進(jìn)行處理（如濾波、校準(zhǔn)、單位轉(zhuǎn)換）。

　　驅(qū)動(dòng)LCD顯示模塊，將測(cè)量結(jié)果以直觀的數(shù)字形式顯示。

　　響應(yīng)按鍵輸入，實(shí)現(xiàn)功能切換或參數(shù)設(shè)置。

　　管理系統(tǒng)時(shí)鐘、中斷等資源。

　?。蛇x）通過(guò)通信接口將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。

　　3.2 電源管理模塊

　　目的： 將外部輸入的較高電壓（如5V USB或9V/12V適配器）轉(zhuǎn)換為STM32工作所需的3.3V穩(wěn)定電壓，并為其他模塊提供所需的電源。

　　元器件型號(hào)優(yōu)選：

　　主降壓芯片：AMS1117-3.3

　　輸出電壓固定： 3.3V固定輸出，無(wú)需外部電阻分壓設(shè)置，簡(jiǎn)化電路。

　　低壓差： 壓差通常在1.2V左右，能有效利用輸入電壓，特別適合USB 5V供電。

　　封裝： SOT-223封裝，體積小巧，易于貼片。

　　價(jià)格低廉，易于獲取。

　　輸出電流： 最大輸出電流可達(dá)800mA，足以滿(mǎn)足STM32、LCD以及其他外設(shè)的總電流需求。

　　選擇理由： AMS1117-3.3是一款常用的低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），能夠?qū)?V或更高電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的3.3V。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　功能： 將外部輸入的5V（USB）或更高電壓（DC適配器）穩(wěn)定降壓至3.3V，為STM32核心、ADC參考電壓以及LCD等提供工作電源。

　　輸入保護(hù)與濾波：

　　選擇理由： 用于濾除輸入電源中的高頻噪聲，靠近電源芯片放置，提供本地去耦。

　　功能： 濾除高頻噪聲，改善電源的瞬態(tài)響應(yīng)。

　　選擇理由： 用于濾除輸入電源中的低頻紋波，穩(wěn)定AMS1117的輸入電壓。容量大小的選擇需根據(jù)輸入電源的紋波情況和LDO的穩(wěn)定性要求。

　　功能： 穩(wěn)定輸入電壓，降低噪聲。

　　選擇理由： 作為整流二極管，具有較高的反向擊穿電壓（1000V）和足夠大的正向電流（1A），用于防止電源反接對(duì)電路造成損壞。價(jià)格便宜，易于獲取。

　　功能： 提供輸入電源的反向保護(hù)。

　　二極管：1N4007 (防反接)

　　電解電容：10uF/16V, 100uF/16V (輸入濾波)

　　陶瓷電容：0.1uF (104) (高頻濾波)

　　輸出濾波：

　　選擇理由： 靠近AMS1117的輸出引腳，進(jìn)一步穩(wěn)定3.3V輸出，濾除低頻紋波，確保STM32的穩(wěn)定工作。

　　功能： 確保3.3V輸出電壓的穩(wěn)定性，為STM32提供純凈的電源。

　　選擇理由： 靠近AMS1117的輸出引腳，用于濾除高頻噪聲，提高輸出電壓的穩(wěn)定性。

　　功能： 穩(wěn)定AMS1117的輸出電壓，降低紋波。

　　陶瓷電容：0.1uF (104)

　　電解電容：22uF/6.3V (輸出濾波)

　　3.3 電壓輸入與信號(hào)調(diào)理模塊

　　目的： 將待測(cè)的外部電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為STM32 ADC能夠接受的0V至3.3V范圍內(nèi)的電壓，同時(shí)進(jìn)行濾波和保護(hù)。

　　元器件型號(hào)優(yōu)選：

　　精密電阻（分壓）：

　　R1 (例如 91kΩ) 和 R2 (例如 10kΩ)： 構(gòu)建分壓電路。若待測(cè)電壓為 Vin，經(jīng)過(guò)分壓后輸出到ADC的電壓 VADC=Vin×(R2/(R1+R2))。

　　以 Vin 測(cè)量范圍0V-30V為例，若要求ADC輸入范圍為0V-3.3V：

　　分壓比 K=VADC,max/Vin,max=3.3V/30V=0.11。

　　根據(jù)分壓公式 K=R2/(R1+R2)，可選擇 R2=10kΩ，則 R1=R2/K?R2=10kΩ/0.11?10kΩ≈90.9kΩ。實(shí)際中可選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻，如 R1=91kΩ 或組合電阻實(shí)現(xiàn)。

　　型號(hào)優(yōu)選：金屬膜電阻，精度1%或0.1% (如：1/4W 1% 10kΩ, 1/4W 1% 100kΩ)

　　選擇理由： 為了實(shí)現(xiàn)0-30V到0-3.3V的精確轉(zhuǎn)換，需要使用精密電阻構(gòu)建分壓電路。金屬膜電阻具有更好的溫度穩(wěn)定性、更低的噪聲和更高的精度，能有效保證分壓比的準(zhǔn)確性。1%的精度在成本和性能之間取得了較好的平衡，如果對(duì)精度有更高要求，可選用0.1%精度的電阻。功率選擇1/4W足夠。

　　功能：

　　保護(hù)二極管（可選）：1N4148 (或肖特基二極管)

　　選擇理由： 用于輸入電壓過(guò)壓或欠壓保護(hù)。當(dāng)輸入電壓超出ADC的安全范圍時(shí)，通過(guò)二極管將多余電壓鉗位到電源軌或地，防止ADC引腳損壞。1N4148是小信號(hào)高速開(kāi)關(guān)二極管，正向壓降小，反應(yīng)速度快。

　　功能： 防止瞬態(tài)過(guò)壓或欠壓對(duì)ADC輸入引腳造成損壞。

　　濾波電容：0.1uF (104) 陶瓷電容

　　選擇理由： 并聯(lián)在分壓電路的輸出端（ADC輸入端），用于濾除高頻噪聲，平滑ADC輸入信號(hào)，提高測(cè)量穩(wěn)定性。

　　功能： 濾除高頻噪聲，穩(wěn)定ADC輸入信號(hào)。

　　共模抑制： (可選，對(duì)于更復(fù)雜或噪聲環(huán)境惡劣的應(yīng)用)

　　共模扼流圈或差分放大器： 在高精度測(cè)量中，如果存在共模噪聲，可考慮使用共模扼流圈或儀表放大器（如AD620）進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，但對(duì)于簡(jiǎn)易系統(tǒng)，分壓和RC濾波通常足夠。

　　3.4 顯示模塊：LCD液晶顯示屏

　　元器件型號(hào)優(yōu)選：1602 LCD液晶顯示屏 (帶I2C或SPI轉(zhuǎn)接板)

　　選擇理由： 1602 LCD是字符型液晶屏，能顯示兩行每行16個(gè)字符，足以滿(mǎn)足顯示電壓值的需求。選擇帶I2C或SPI轉(zhuǎn)接板的版本有顯著優(yōu)勢(shì)：

　　接口簡(jiǎn)化： 傳統(tǒng)1602 LCD需要占用STM32大量的GPIO口（7-11個(gè)），而帶I2C或SPI轉(zhuǎn)接板后，只需占用2-4個(gè)GPIO口（I2C通常為SDA、SCL，SPI通常為SCK、MOSI、MISO、CS），極大地節(jié)省了STM32的寶貴資源。

　　連線簡(jiǎn)化： 減少了布線復(fù)雜性，降低了硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試的難度。

　　成本效益： 轉(zhuǎn)接板的價(jià)格不高，但帶來(lái)的便利性遠(yuǎn)超其成本。

　　程序庫(kù)成熟： 網(wǎng)上有大量的1602 LCD驅(qū)動(dòng)庫(kù)，無(wú)論是并行接口還是I2C/SPI接口，都有現(xiàn)成的代碼可供參考和使用。

　　功能： 實(shí)時(shí)、直觀地顯示測(cè)量到的電壓數(shù)值，以及其他必要的提示信息（如單位、狀態(tài)等）。

　　3.5 人機(jī)交互模塊：按鍵

　　元器件型號(hào)優(yōu)選：輕觸開(kāi)關(guān) (如：665mm系列)

　　選擇理由： 輕觸開(kāi)關(guān)是最常用、最簡(jiǎn)單的輸入器件，成本低廉，易于安裝，手感良好。

　　成本低廉： 批量采購(gòu)價(jià)格非常低。

　　易于使用： 通過(guò)STM32的GPIO口配置為輸入模式，并開(kāi)啟內(nèi)部上拉或下拉電阻，即可方便讀取按鍵狀態(tài)。

　　通用性： 適用于各種簡(jiǎn)單的功能切換或模式選擇。

　　功能：

　　功能切換： 例如切換測(cè)量模式（如果系統(tǒng)支持多種測(cè)量，如交流/直流）、顯示單位等。

　　參數(shù)設(shè)置： 如校準(zhǔn)參數(shù)、報(bào)警閾值等（如果系統(tǒng)有擴(kuò)展功能）。

　　本簡(jiǎn)易系統(tǒng)中，可用于切換顯示頁(yè)面或進(jìn)入校準(zhǔn)模式。

　　3.6 調(diào)試/下載接口

　　元器件優(yōu)選：SWD接口 (通常為2x5或2x3排針)

　　選擇理由： STM32微控制器支持串行線調(diào)試（SWD）接口，這是ST官方推薦的調(diào)試接口。

　　接口簡(jiǎn)單： 只需要兩根信號(hào)線（SWDIO和SWCLK）加上電源和地線，即可實(shí)現(xiàn)程序的下載和在線調(diào)試。

　　調(diào)試功能強(qiáng)大： 支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、變量查看、寄存器查看等高級(jí)調(diào)試功能，大大提高了開(kāi)發(fā)效率。

　　通用性： 幾乎所有STM32的開(kāi)發(fā)板和調(diào)試器（如ST-Link V2）都支持SWD接口。

　　功能： 用于將編譯好的程序代碼燒錄到STM32的Flash存儲(chǔ)器中，并在程序運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行在線調(diào)試和故障排查。

　　4. 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　軟件是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各硬件模塊的工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能?；赟TM32F103C8T6，我們通常使用STM32CubeMX配置工程，然后利用Keil MDK或STM32CubeIDE進(jìn)行代碼編寫(xiě)和調(diào)試。

　　4.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　STM32CubeMX： 用于圖形化配置STM32微控制器，生成初始化代碼，包括時(shí)鐘配置、GPIO配置、ADC配置等，大大簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)難度。

　　Keil MDK (或STM32CubeIDE)： 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE），用于編寫(xiě)C語(yǔ)言代碼、編譯、鏈接、燒錄和調(diào)試。

　　4.2 軟件模塊劃分

　　系統(tǒng)初始化模塊：

　　功能： 配置系統(tǒng)時(shí)鐘（HSE/HSI、PLL）、GPIO引腳模式（輸入、輸出、模擬）、中斷優(yōu)先級(jí)、NVIC配置等。

　　實(shí)現(xiàn)： 主要通過(guò)STM32CubeMX生成HAL庫(kù)或LL庫(kù)的初始化代碼。

　　ADC驅(qū)動(dòng)模塊：

　　使用DMA模式采集ADC數(shù)據(jù)：DMA（Direct Memory Access）控制器可以在ADC轉(zhuǎn)換完成后，自動(dòng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存中，無(wú)需CPU干預(yù)，大大提高了ADC采集效率和CPU的利用率。這對(duì)于需要高頻采樣或多通道采樣的應(yīng)用非常關(guān)鍵。

　　ADC校準(zhǔn)： STM32的ADC支持內(nèi)部校準(zhǔn)，可提高轉(zhuǎn)換精度。在程序啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行HAL_ADCEx_Calibration_Start()函數(shù)。

　　多重采樣與平均濾波： 為了提高測(cè)量精度和抗噪聲能力，可以對(duì)ADC多次采樣，然后取平均值。例如，連續(xù)采集64次或128次數(shù)據(jù)，然后求和再右移（相當(dāng)于除以 2N），減少隨機(jī)噪聲的影響。

　　代碼示例（偽代碼）：

// 初始化ADC和DMA

MX_ADC1_Init();

MX_DMA_Init();

// 啟動(dòng)ADC DMA轉(zhuǎn)換

HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_raw_buffer, ADC_BUFFER_SIZE);

// 在DMA完成中斷回調(diào)函數(shù)中處理數(shù)據(jù)

void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc)

{

    // 對(duì)adc_raw_buffer中的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均濾波、分壓轉(zhuǎn)換和單位轉(zhuǎn)換

    uint32_t sum = 0;

    for (int i = 0; i < ADC_BUFFER_SIZE; i++)

    {

        sum += adc_raw_buffer[i];

    }

    uint16_t avg_adc_value = sum / ADC_BUFFER_SIZE; // 平均值

    // 將ADC原始值轉(zhuǎn)換為實(shí)際電壓值

    // V_measured = (avg_adc_value / 4095.0) * Vref / K_divider

    // 其中 Vref 為ADC參考電壓（通常為3.3V），K_divider 為分壓比

    float voltage = (float)avg_adc_value / 4095.0f * 3.3f / K_divider;

    // 更新顯示數(shù)據(jù)

    g_display_voltage = voltage;

    g_data_ready_flag = 1; // 設(shè)置標(biāo)志，通知主循環(huán)更新顯示

}

　　功能： 配置ADC工作模式（單次轉(zhuǎn)換、連續(xù)轉(zhuǎn)換、DMA模式）、采樣時(shí)間、通道選擇、參考電壓設(shè)置。啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

　　實(shí)現(xiàn)：

　　LCD顯示驅(qū)動(dòng)模塊：

　　如果使用I2C轉(zhuǎn)接板，需要配置STM32的I2C外設(shè)。然后使用I2C總線發(fā)送命令和數(shù)據(jù)到LCD模塊。這通常需要包含一個(gè)外部的LCD I2C驅(qū)動(dòng)庫(kù)（如liquidcrystal_i2c.h或類(lèi)似庫(kù)）。

　　代碼示例（偽代碼，基于I2C LCD庫(kù)）：

#include "lcd_i2c.h" // 假設(shè)的I2C LCD驅(qū)動(dòng)庫(kù)

LCD_I2C_HandleTypeDef hlcd_i2c;

void LCD_Init_Custom(void)

{

    // 初始化I2C外設(shè) (由CubeMX生成)

    MX_I2C1_Init();

    // 初始化LCD模塊

    LCD_I2C_Init(&hlcd_i2c, &hi2c1, 0x27, 16, 2); // 假設(shè)I2C地址為0x27，16列2行

    LCD_I2C_Clear(&hlcd_i2c);

    LCD_I2C_SetCursor(&hlcd_i2c, 0, 0);

    LCD_I2C_PrintString(&hlcd_i2c, "Voltage:");

}

void LCD_Update_Voltage(float voltage)

{

    char str[16];

    sprintf(str, "%.2f V", voltage); // 格式化為字符串，保留兩位小數(shù)

    LCD_I2C_SetCursor(&hlcd_i2c, 0, 1); // 移動(dòng)光標(biāo)到第二行

    LCD_I2C_PrintString(&hlcd_i2c, str);

    // 用空格填充剩余部分，避免殘留字符

    for (int i = strlen(str); i < 16; i++) {

        LCD_I2C_PrintChar(&hlcd_i2c, ' ');

    }

}

　　功能： 初始化LCD模塊，發(fā)送字符數(shù)據(jù)到LCD，控制光標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)清屏、顯示字符串、顯示數(shù)字等操作。

　　實(shí)現(xiàn)：

　　按鍵掃描模塊：

　　查詢(xún)方式： 在主循環(huán)中定時(shí)查詢(xún)GPIO引腳狀態(tài)。

　　中斷方式： 將按鍵引腳配置為外部中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)中處理按鍵事件。對(duì)于簡(jiǎn)單系統(tǒng)，查詢(xún)方式通常足夠。

　　軟件消抖： 通過(guò)延時(shí)或多次采樣確認(rèn)按鍵狀態(tài)，避免機(jī)械抖動(dòng)造成的誤判。

　　代碼示例（偽代碼）：

// 假設(shè)按鍵連接到GPIOA_PIN_0

uint8_t Key_Scan(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)

{

    if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOx, GPIO_Pin) == GPIO_PIN_RESET) // 按鍵按下為低電平

    {

        HAL_Delay(10); // 簡(jiǎn)單消抖

        if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOx, GPIO_Pin) == GPIO_PIN_RESET)

        {

            while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOx, GPIO_Pin) == GPIO_PIN_RESET); // 等待按鍵松開(kāi)

            return 1; // 返回按鍵按下標(biāo)志

        }

    }

    return 0; // 無(wú)按鍵按下

}

　　功能： 檢測(cè)按鍵狀態(tài)，識(shí)別按鍵按下和松開(kāi)事件，并進(jìn)行消抖處理。

　　實(shí)現(xiàn)：

　　主程序邏輯：

　　功能： 協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主功能循環(huán)。

　　實(shí)現(xiàn)：

int main(void)

{

    // HAL庫(kù)初始化

    HAL_Init();

    // 系統(tǒng)時(shí)鐘配置

    SystemClock_Config();

    // 各硬件模塊初始化 (通過(guò)CubeMX生成)

    MX_GPIO_Init();

    MX_ADC1_Init();

    MX_DMA_Init();

    MX_I2C1_Init();

    LCD_Init_Custom(); // 自定義LCD初始化

    // 啟動(dòng)ADC DMA轉(zhuǎn)換

    HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_raw_buffer, ADC_BUFFER_SIZE);

    while (1)

    {

        // 如果ADC數(shù)據(jù)就緒，更新LCD顯示

        if (g_data_ready_flag)

        {

            LCD_Update_Voltage(g_display_voltage);

            g_data_ready_flag = 0; // 清除標(biāo)志

        }

        // 檢查按鍵，實(shí)現(xiàn)功能

        if (Key_Scan(KEY_GPIO_Port, KEY_Pin))

        {

            // 處理按鍵事件，例如切換顯示模式、進(jìn)入校準(zhǔn)等

            // 此處可添加更多邏輯

        }

        // 可以加入小幅度延時(shí)或進(jìn)入低功耗模式，降低CPU負(fù)荷

        // HAL_Delay(50);

    }

}

　　4.3 精度提升與校準(zhǔn)

　　硬件校準(zhǔn)： 使用高精度基準(zhǔn)電壓源（如TL431）為ADC提供精確的參考電壓，而非直接使用VCC，可以顯著提高測(cè)量精度。如果VCC穩(wěn)定，可直接使用VCC作為參考。STM32內(nèi)部也有參考電壓，但精度不如外部基準(zhǔn)。

　　軟件校準(zhǔn)：

　　假設(shè)測(cè)量值為 Vraw，實(shí)際電壓為 Vtrue。

　　Vtrue=A×Vraw+B

　　通過(guò)兩個(gè)已知點(diǎn) (Vraw1,Vtrue1) 和 (Vraw2,Vtrue2) 求解A和B。

　　兩點(diǎn)校準(zhǔn)： 在系統(tǒng)投入使用前，輸入兩個(gè)已知電壓值（例如0V和25V），記錄對(duì)應(yīng)的ADC轉(zhuǎn)換值。根據(jù)這兩個(gè)點(diǎn)建立一個(gè)線性關(guān)系式（斜率和截距），在程序中對(duì)所有測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。

　　多次平均： 前面提到的多次ADC采樣平均法，可以有效消除隨機(jī)噪聲。

　　數(shù)字濾波： 除了平均濾波，還可以使用滑動(dòng)平均濾波、中值濾波等算法，進(jìn)一步平滑測(cè)量數(shù)據(jù)，但可能引入延遲。對(duì)于電壓測(cè)量，簡(jiǎn)單的平均濾波通常足夠。

　　5. PCB設(shè)計(jì)與布局考慮

　　良好的PCB設(shè)計(jì)對(duì)于確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能至關(guān)重要。

　　電源完整性：

　　去耦電容： 在STM32的每個(gè)電源引腳附近放置0.1uF的陶瓷去耦電容，并盡可能靠近芯片引腳，用于濾除高頻噪聲。

　　電源平面/粗線： VCC和GND走線應(yīng)盡可能寬，或者使用電源平面，以降低阻抗，減少壓降。

　　LDO布局： AMS1117的輸入輸出電容應(yīng)盡可能靠近芯片引腳放置。

　　信號(hào)完整性：

　　ADC模擬信號(hào)： ADC的模擬輸入信號(hào)（來(lái)自分壓器）走線應(yīng)盡可能短，遠(yuǎn)離數(shù)字信號(hào)線和開(kāi)關(guān)電源，避免噪聲干擾。

　　模擬地與數(shù)字地： 理想情況下，模擬地和數(shù)字地可以分開(kāi)，在一點(diǎn)匯合，以避免數(shù)字地噪聲耦合到模擬地。但在簡(jiǎn)易系統(tǒng)中，通常共用一個(gè)大的GND平面。確保ADC的地線與模擬輸入?yún)⒖嫉鼐€保持一致。

　　晶振布局： STM32的外部晶振（如8MHz HSE）應(yīng)靠近芯片的OSC引腳放置，并盡可能短，周?chē)肎ND環(huán)繞，防止噪聲干擾。

　　模塊化布局： 將電源模塊、主控模塊、模擬信號(hào)調(diào)理模塊、顯示模塊等進(jìn)行區(qū)域劃分，減少相互干擾。

　　散熱： 如果LDO（如AMS1117）在較高輸入電壓和大電流輸出時(shí)可能發(fā)熱，需考慮在其封裝下方留出足夠的銅皮作為散熱區(qū)域。

　　絲印與標(biāo)識(shí)： 清晰的元器件絲印和接口標(biāo)識(shí)，方便組裝、調(diào)試和維護(hù)。

　　6. 系統(tǒng)測(cè)試與調(diào)試

　　在系統(tǒng)組裝完成后，需要進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)試和調(diào)試，以驗(yàn)證其功能和性能。

　　電源測(cè)試：

　　檢查各點(diǎn)的電壓是否穩(wěn)定，特別是3.3V供電是否正常。

　　用示波器觀察電源紋波，確保在可接受范圍內(nèi)。

　　STM32基本功能測(cè)試：

　　通過(guò)SWD接口下載程序，觀察程序是否正常運(yùn)行。

　　通過(guò)GPIO翻轉(zhuǎn)LED等簡(jiǎn)單功能，驗(yàn)證IO口是否正常。

　　ADC模塊測(cè)試：

　　輸入已知精度的電壓信號(hào)（如使用可調(diào)電源和高精度萬(wàn)用表作為參考），比較STM32的測(cè)量結(jié)果。

　　在測(cè)量范圍內(nèi)多點(diǎn)測(cè)試，評(píng)估測(cè)量線性度和精度。

　　在有噪聲的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，評(píng)估抗干擾能力。

　　LCD顯示測(cè)試：

　　檢查L(zhǎng)CD是否正常顯示字符、數(shù)字，顯示是否清晰。

　　更新速度是否滿(mǎn)足要求。

　　按鍵功能測(cè)試：

　　測(cè)試按鍵按下和松開(kāi)是否能被正確識(shí)別，消抖是否有效。

　　驗(yàn)證按鍵對(duì)應(yīng)的功能是否正常執(zhí)行。

　　長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試：

　　讓系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，觀察測(cè)量結(jié)果是否漂移，系統(tǒng)是否出現(xiàn)死機(jī)等異常情況。

　　在不同溫度、濕度環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，評(píng)估環(huán)境適應(yīng)性。

　　7. 擴(kuò)展功能與優(yōu)化方向

　　本簡(jiǎn)易系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行多方面的擴(kuò)展和優(yōu)化：

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)： 增加EEPROM（如AT24C02）或SD卡模塊，用于存儲(chǔ)歷史測(cè)量數(shù)據(jù)或配置參數(shù)。

　　通信功能：

　　UART： 與PC或上位機(jī)進(jìn)行串口通信，實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)或接收控制命令。

　　SPI/I2C： 與其他傳感器或模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

　　RS485： 用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。

　　無(wú)線通信： 集成藍(lán)牙、Wi-Fi或LoRa模塊，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。

　　更高精度：

　　選用更高位數(shù)的ADC芯片（如16位、24位外部ADC，如ADS1115、ADS1256），但會(huì)增加成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

　　使用高精度基準(zhǔn)電壓源（如AD584、LT1019）作為ADC的參考電壓。

　　增加差分輸入功能，通過(guò)儀表放大器（如AD620）對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大和共模抑制。

　　交流電壓測(cè)量：

　　需要增加真有效值（RMS）轉(zhuǎn)換芯片（如AD637）或設(shè)計(jì)精密整流與濾波電路，將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。

　　或者直接使用采樣率足夠高的ADC，并進(jìn)行軟件FFT分析來(lái)獲取交流參數(shù)。

　　圖形化顯示：

　　升級(jí)為OLED顯示屏（如SSD1306），可以顯示更豐富的圖形、曲線和更復(fù)雜的界面。

　　使用彩色TFT LCD顯示屏，提供更佳的用戶(hù)體驗(yàn)。

　　過(guò)壓/過(guò)流保護(hù)： 增加更完善的輸入保護(hù)電路，如TVS管、熔斷器、自恢復(fù)保險(xiǎn)絲等，提高系統(tǒng)魯棒性。

　　低功耗設(shè)計(jì)： 在不進(jìn)行測(cè)量或顯示時(shí)，讓STM32進(jìn)入低功耗模式（如睡眠模式、停機(jī)模式），延長(zhǎng)電池壽命。

　　用戶(hù)校準(zhǔn)接口： 設(shè)計(jì)一個(gè)用戶(hù)友好的校準(zhǔn)流程，允許用戶(hù)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)單校準(zhǔn)，而無(wú)需重新燒錄程序。

　　8. 總結(jié)

　　本設(shè)計(jì)方案詳細(xì)闡述了一個(gè)基于STM32單片機(jī)的簡(jiǎn)易電壓測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，從系統(tǒng)概述、硬件選型到軟件實(shí)現(xiàn)及后續(xù)優(yōu)化都進(jìn)行了深入分析。STM32F103C8T6作為主控制器，憑借其強(qiáng)大的ADC性能和豐富的外設(shè)，能夠很好地滿(mǎn)足電壓測(cè)量的需求。通過(guò)精心選擇電源管理、信號(hào)調(diào)理和顯示模塊的元器件，并配合合理的軟件設(shè)計(jì)和PCB布局，可以構(gòu)建出一個(gè)穩(wěn)定、精確、高性?xún)r(jià)比的電壓測(cè)量系統(tǒng)。