使用分压电路的直流电压传感器

描述

在本项目中，使用分压器作为电压传感器来测量直流 LED 和风扇的电压输出。STM32F407 微控制器的 ADC 引脚将从分压器输出读取 ADC 值并将其转换为实际电压值并显示在 LCD 上。

1. 什么是分压器？

分压器是一种简单的电路，可以将大电压转换成较小的电压。仅使用两个串联电阻和一个输入电压，我们就可以创建一个输入电压的一小部分的输出电压。在这个项目中，分压器用作电压传感器，方法是从相对较大的电压源中获取电压参考。相对较大的电压偏压有源电子元件、放大器电路等。

分压器通常与电位计一起使用，电位计是一种电子设备，用于设计可具有受控输出电压的分压器。分压器电路原理由一个或多个元件组成并连接到输入电压源的串联电路组成。

2. 规划分压器电路

分压器涉及在一系列两个电阻器上施加电压源。您可能会看到它以几种不同的方式绘制，但它们本质上应该始终是相同的电路。

 

分压器方程假设您知道上述电路的三个值：输入电压 (Vin) 和两个电阻值 (R1 和 R2)。给定这些值，我们可以使用该等式计算输出电压 (Vout)。

 

该等式表明输出电压与输入电压以及 R1 和 R2 的比率成正比。

查找 R2 值以获得 3 伏电压参考

 

在本项目中，分压器设计为在输入电压为 15 伏时具有 3 伏输出。这是因为 STM32F407 Discovery 微控制器的 ADC 引脚具有 3.3 V 参考电压，因此 ADC 引脚可以接收的最大电压必须低于 3.3 V。在本项目中，参考电压为 3 伏。

 

3. 规划分压器原理图

电压传感器 PCB 板使用 Autodesk Eagle 软件设计，由 2 个输入和输出端子、1k Ω 电阻和 1 个电位器组成。它们被放在PCB板上。

 

 

4. ADC电压传感器

模数转换器 (ADC) 是一项非常有用的功能，可将引脚上的模拟电压转换为数字。通过从模拟世界转换到数字世界，我们可以开始使用电子设备与我们周围的模拟世界进行交互。

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，它还支持单次、连续、扫描或断续模式三种A/D转换模式。ADC 的结果存储在左对齐或右对齐的 16 位数据寄存器中。下表显示了每个模拟通道和 ADC 模块的输入引脚。

 

5. STM32F407VG6T微控制器ADC分辨率

ADC 分辨率可以定义为 ADC 可以识别并增加其数字值的模拟引脚上的最小输入电压。ADC 的最大和最小数字输出值取决于 ADC 的位数。例如，对于 8 位 ADC，数字输出值将在 0-255 之间，对于 10 位 ADC，数字输出值将在 0-1023 之间，对于 12 位 ADC，数字输出值将在 0-4095 之间。

ADC 分辨率可定义为：

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

例如，STM32F4 系列单片机的工作电压为 3.3V，如果我们将 ADC 配置为 12 位模式：

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

6.STM32CubeMX配置

STM32CubeMX 是一个图形工具，可以通过分步过程非常轻松地配置 STM32 微控制器和微处理器。在这个项目中，我们使用 STM32CubeMX 在微控制器上分配 ADC 引脚。我们也使用 DMA。

 

7. 电压传感器校准测试

每个测量系统都必须在测量中被证明是可靠的，这个验证过程称为校准。校准可以减少误差并提高测量精度。校准程序步骤使用要校准的仪器与标准仪器的比较。

 

电压传感器校准测试是通过从直流电源提供分压器输入电源来完成的。分压器的输出将被发送到 ADC（模数）微控制器引脚。分压器的输入电源和输出电源将由数字万用表测量。

 

在本项目中，电压传感器校准测试显示出良好的结果，误差百分比值在0.089% - 1.6%之间。这说明电压传感器可以正常工作。基于理论计算的ADC值与从LCD读取的ADC值之间的误差百分比值比较小，在0% - 2.39%之间。

 

下图为输入电压与输出电压测试图对比。

Vin - 电压传感器的 Vout 图形

 

通过找到输出电压和ADC之间的线性函数，我们可以使用线性函数将ADC值转换为微控制器将读取的电压值。得到的线性函数是y = 0,00361208999745770x - 0,03304734834610130。

Vin 的线性函数图 - ADC 电压传感器

 

该函数放入单片机程序中，然后计算出万用表分压器读数与LCD之间的误差百分比。

万用表和 LCD 结果之间的电压传感器值读数差异

 

比较 LCD 和万用表读取的电压值，可以得出电压传感器 1 的误差百分比值低于 1.6% 的结论。

8. 读取直流 LED 和直流风扇电压值

完成电压传感器校准测试后，我们终于可以使用传感器电压来测量直流 LED 和直流风扇的电压值了。要读取直流 LED 和直流风扇的电压值，请将它们的输出连接到电压传感器的输入。

 

结论

分压器通常用作电压传感器来测量直流电压。在这个项目中，我们成功地创建了一个分压器作为直流电压传感器，用于测量直流 LED 和直流风扇。