DIY毫安微安電流表(單片機10位ADC+LM358)程序原理圖PCB及實物制作圖片

ID:702386 · 發表于 2020-12-24 17:36

測試工程師一枚，實際工作中經常要測量產品的待機功耗和休眠功耗。通使用電流表來測產品的工作電流，突然萌生自己制作一個電流表的想法，然后學習了一下電流采樣的原理，自己畫了一個原理圖，請同事幫忙畫了PCB。程序方面借鑒了在51黑找到的一個測溫度的例程。
基本設計：
單片機：使用 STC15W408AS，寬電壓供電，8通道10位ADC，選擇了SOP28封裝引腳夠用
電源：內置9V電池供電，使用LM1117-3.3V穩壓芯片
檢流電阻：毫安檔使用1歐姆2512貼片電阻，微安檔使用100歐姆2512貼片電阻。因考慮到產品實際待機工作電流（小于30mA）和休眠工作電流(小于100uA）。檢流電阻的大小和精度可能在某些場合不合適，但已可以滿足本項目需求。
運算放大器：使用LM358DR組成兩路差分放大電路，分別放大毫安檔和微安檔檢流電阻兩端電壓，放大倍數分別設置為10倍和50倍。
顯示屏：LCD1602 3.3V版

調試結果：
實測LM358有一定的零點漂移，在程序中減掉零點漂移量后，毫安檔和微安檔的電流精度和萬用表對比，結果精度非常高。LM358輸出電壓會比Vcc低大約不到1.5V，這一點一開始沒有想到，這個會影響最大測量范圍以及最大可測量點附近的精度。實際調試后，將量程確定為毫安檔0-200mA和微安檔0-400uA，已足夠工作中的測試使用。如果要調整量程，只要調整檢流電阻或者運放的放大倍數即可。

附件中有電路原理圖和PCB及程序。比較基礎的應用，分享給大家，希望可以給有需要的朋友帶來幫助。
Altium Designer畫的毫安微安電流表原理圖和PCB圖如下：(51hei附件中可下載工程文件)

制作出來的成品實物圖如下：

微安檔精度:

毫安檔精度:

全部資料51hei下載地址：

程序.rar (38.04 KB, 下載次數: 903)

原理圖和PCB.rar (10.88 MB, 下載次數: 1057)

ID:702386 · 發表于 2020-12-26 17:08

新增NTC測溫功能和秒表功能，采樣和顯示刷新周期由定時器控制。
NTC用的是P1.0口，因為電流采樣很精確，所以沒有使用基準電壓源，把U2/R2/C5/C6/C7全拆掉，R2位置焊上10K 3435的NTC，C7位置焊上10K 1%的0603電阻。
效果好的很。

ID:328014 · 發表于 2020-12-24 20:10

太棒了,我一直想制作一個.下面是樓主的程序:

/***************************************/
/* 基于STC15W408AS的電流表設計 */
/* 測量范圍0-200mA,0-400uA */
/* 創建者：zsw */
/* 創建時間：2020/12/21 */
/***************************************/
//2.5V基準電壓接P1.0，uA采樣接P1.1，mA采樣接P1.2
//毫安檔使用1歐(5%)檢流電阻，微安檔使用100歐（1%）檢流電阻。
#include "STC15W408AS.H"
#include "intrins.h"
#define ADC_POWER 0x80 //ADC電源控制位
#define ADC_FLAG 0x10 //ADC完成標志位
#define ADC_START 0x08 //ADC啟動控制位
#define ADC_SPEED0 0x00 //ADC轉換速度，一次轉換需要540個時鐘
#define ADC_SPEED1 0x20 //ADC轉換速度，一次轉換需要360個時鐘
#define ADC_SPEED2 0x40 //ADC轉換速度，一次轉換需要180個時鐘
#define ADC_SPEED3 0x60 //ADC轉換速度，一次轉換需要90個時鐘
#define N 8 //ADC采樣使用遞推平均濾波算法，采樣次數
sbit lcdrs=P3^2; //LCD1602指令和數據寄存器選擇，高電平時為數據，低電平選擇命令
sbit lcdrw=P3^3; //LCD1602讀寫選擇，高電平為讀，低電平為寫
sbit lcden=P3^4; //LCD1602使能
unsigned char Show[3]={0,0,0}; //顯示數組mA
unsigned char Show1[3]={0,0,0}; //顯示數組uA
unsigned int ADC_Buf[N+1]; //采樣數組mA
unsigned int ADC_Buf2[N+1]; //采樣數值uA
unsigned int current=0; //采樣毫安值
unsigned int current2=0; //采樣微安值
unsigned char num,ADCcount=0,ADCcount2=0; //ADC采樣次數變量
unsigned char code table1[]="CURRENT1:";
unsigned char code table2[]="CURRENT2:";
/******************************
函數說明：延時函數，執行一次1毫秒，STC_ISP軟件給出 @6MHz 1T單片機
入口參數：ms=延時毫秒數
出口參數：無
******************************/
void Delay_MS(unsigned int ms)
{
unsigned char i, j;
while(ms--)
{
i = 6; j = 211;
do{
while (--j);
} while (--i);
}
}
/******************************
函數說明：LCD1602驅動
******************************/
void write_com(unsigned char com)
{
lcdrs=0; //rs低電平為寫命令
P2=com;
Delay_MS(5);
lcden=1; //EN先置高電平
Delay_MS(5);
lcden=0; //短暫延時后EN置低電平
}
void write_dat(unsigned char dat)
{
lcdrs=1; //rs高電平為寫數據
P2=dat;
Delay_MS(5);
lcden=1;
Delay_MS(5);
lcden=0;
}
/******************************
函數說明：初始化ADC寄存器
******************************/
void Init_ADC(void)
{
P1M1 |= 0x01;
P1M0 &= ~1; //設P1.0為高阻輸入。因3.3V電源很精確，暫未使用2.5V基準電壓源。
P1ASF = 0x06; //打開P1.2和P1.1口的ADC功能
ADC_RES = 0;
ADC_RESL= 0; //清掉ADC轉換結果寄存器
ADC_CONTR = ADC_POWER | ADC_SPEED3; //使能A/D供電，設置轉換速度90T
}
/******************************
函數說明：LCD1602初始化
******************************/
void LCD1602_Init(void)
{
lcdrw=0;
lcden=0;
P2=0;
write_com(0x38); //設置顯示模式為兩行5*8顯示
write_com(0x0C); //初始化，開顯示
write_com(0x06); //初始化，讀寫一個字符后地址指針自動加1
write_com(0x01); //清屏
write_com(0x80); //數據地址指針從0開始
for(num=0;num<9;num++) //第1行顯示'CURRENT1:'
write_dat(table1[num]);
write_com(0x80+0x40); //數據地址指針從0開始
for(num=0;num<9;num++) //第1行顯示'CURRENT2:'
write_dat(table2[num]);
}
/******************************
函數說明：查詢方式讀取ADC轉換結果
入口參數：ch ADC采樣通道
出口參數：int ADC_RES ADC轉換結果
******************************/
unsigned int Get_ADC_Result(unsigned char ch)
{
unsigned int result;
ADC_RES = 0;
ADC_RESL= 0; //清掉ADC轉換結果寄存器
ADC_CONTR =ADC_POWER|ADC_SPEED3|ch|ADC_START;//配置ADC，設置轉換通道，啟動轉換
_nop_(); _nop_();
_nop_(); _nop_(); //等待設置ADC_POWER完畢
while (!(ADC_CONTR & ADC_FLAG));//讀取轉換完畢標志位ADC_FLAG
ADC_CONTR &= ~ADC_FLAG; //清除ADC_FLAG標志位
result = ADC_RES<<2|ADC_RESL; //讀取10位轉換結果保存到result
return result; //返回ADC轉換結果10位
}
/******************************
函數說明：獲取mA值
******************************/
void Get_Current1(void)
{
unsigned char xx;
unsigned int sum,currentvalue;
sum = currentvalue =0;
ADC_Buf[N]=Get_ADC_Result(2); //將ADC轉換結果放數組最高位
if( ++ADCcount < 8) //采樣初期不使用濾波算法
{
for(xx=0;xx<N;xx++) //準備濾波算法的數據
{
ADC_Buf[xx]=ADC_Buf[xx+1];//所有數據循環左移
}
currentvalue=ADC_Buf[N];//采樣初期使用當前采樣值
}
else //只有采樣次數大于8次以后才使用濾波算法
{
ADCcount=8; //采樣次數超過8次后，固定設置為8
for(xx=0;xx<N;xx++) //濾波算法
{
ADC_Buf[xx]=ADC_Buf[xx+1];//所有數據循環左移
sum+=ADC_Buf[xx]; //求和
}
currentvalue=sum/N; //求平均值
}
currentvalue=currentvalue*0.3223; //ADC平均值轉化成mA電流值
if(currentvalue>=2)
currentvalue=currentvalue-2; //實測零點漂移了2~3mA
if(currentvalue<=3) //顯示門檻
currentvalue=0;
current=currentvalue;
}
/******************************
函數說明：顯示mA值
******************************/
void Display_mA(void)
{
if(current<=200)
{
Show[0]=current%1000/100; //電流值百位
Show[1]=current%100/10; //電流值十位
Show[2]=current%10; //電流值個位
write_com(0x80+0x0A); //第1行第10個字符開始顯示
if(Show[0]>0)
write_dat(0x30+Show[0]); //寫電流值百位
else
write_dat(' ');
if((Show[0]==0)&&(Show[1]==0))
write_dat(' '); //寫電流值十位
else
write_dat(0x30+Show[1]);
write_dat(0x30+Show[2]); //寫電流值個位
write_dat(' ');
write_dat('m');
write_dat('A');
}
else //超量程顯示"999"
{
write_com(0x80+0x0A);
write_dat('9');
write_dat('9');
write_dat('9');
write_dat(' ');
write_dat('m');
write_dat('A');
}
}
/******************************
函數說明：獲取uA值
******************************/
void Get_Current2(void)
{
unsigned char xx;
unsigned int sum,currentvalue;
sum = currentvalue =0;
ADC_Buf2[N]=Get_ADC_Result(1); //將ADC轉換結果放數組最高位
if( ++ADCcount2 < 8) //采樣初期不使用濾波算法
{
for(xx=0;xx<N;xx++) //準備濾波算法的數據
{
ADC_Buf2[xx]=ADC_Buf2[xx+1];//所有數據循環左移
}
currentvalue=ADC_Buf2[N];//采樣初期使用當前采樣值
}
else //只有采樣次數大于8次以后才使用濾波算法
{
ADCcount2=8; //采樣次數超過8次后，固定設置為8
for(xx=0;xx<N;xx++) //濾波算法
{
ADC_Buf2[xx]=ADC_Buf2[xx+1];//所有數據循環左移
sum+=ADC_Buf2[xx]; //求和
}
currentvalue=sum/N; //求平均值
}
currentvalue=currentvalue*0.6445; //ADC平均值轉化成uA電流值
if(currentvalue>=15)
currentvalue=currentvalue-15; //實測零點漂移了15uA
if(currentvalue<=3) //顯示門檻
currentvalue=0;
current2=currentvalue;
}
/******************************
函數說明：顯示uA值
******************************/
void Display_uA(void)
{
if(current2<=400)
{
Show1[0]=current2%1000/100; //電流值百位
Show1[1]=current2%100/10; //電流值十位
Show1[2]=current2%10; //電流值個位
write_com(0x80+0x40+0x0A); //第2行第10個字符開始顯示
if(Show1[0]>0)
write_dat(0x30+Show1[0]); //寫電流值百位
else
write_dat(' ');
if((Show1[0]==0)&&(Show1[1]==0))
write_dat(' '); //寫電流值十位
else
write_dat(0x30+Show1[1]);
write_dat(0x30+Show1[2]); //寫電流值個位
write_dat(' ');
write_dat('u');
write_dat('A');
}
else //超量程顯示"999"
{
write_com(0x80+0x40+0x0A);
write_dat('9');
write_dat('9');
write_dat('9');
write_dat(' ');
write_dat('u');
write_dat('A');
}
}
void main(void)
{
Init_ADC(); //初始化ADC
LCD1602_Init(); //初始化LCD1602
while(1)
{
for(num=0;num<8;num++)
{
Get_Current1(); //獲取mA電流值
Get_Current2(); //獲取uA電流值
……………………
…………限于本文篇幅余下代碼請從51黑下載附件…………

復制代碼

ID:430774 · 發表于 2020-12-24 21:17

R8和R13有什么作用，可以去掉的吧

ID:739727 · 發表于 2020-12-25 00:53

zx929747216 發表于 2020-12-24 21:17
R8和R13有什么作用，可以去掉的吧

提供運放差分輸入偏置電流

ID:687694 · 發表于 2020-12-26 20:11

不用提供Avref 15w408內部有1.19V基準。

ID:702386 · 發表于 2020-12-26 22:07

lovexulu 發表于 2020-12-26 20:11
不用提供Avref 15w408內部有1.19V基準。

多謝指點！

ID:64053 · 發表于 2021-1-19 22:45

zsw3721 發表于 2020-12-26 17:08
新增NTC測溫功能和秒表功能，采樣和顯示刷新周期由定時器控制。
NTC用的是P1.0口，因為電流采樣很精確， ...

樓主你好,我的MCU是20P 腳的能幫改一下程序嗎

ID:702386 · 發表于 2021-1-20 08:55

93mxt 發表于 2021-1-19 22:45
樓主你好,我的MCU是20P 腳的能幫改一下程序嗎

也是STC15W408AS嗎？20P的MCU，要調整一下IO口，建議LCD的數據口改到P3口，RS、RW、EN分別改到P1.3、P1.4、P1.5。建議你自己動手喲，這樣才好玩。

ID:276663 · 發表于 2021-1-20 09:19

做的不錯，具有實用價值的東西才是好東西！

ID:235954 · 發表于 2021-1-27 14:07

3D外殼想做來著、

ID:390571 · 發表于 2021-2-4 11:58

正需要這個，看著精度挺不錯，下載學習，屏幕能小型化點便攜就更好了

ID:576203 · 發表于 2021-2-6 22:22

下面那行挺空的，加個電壓顯示就完美了，這個比較實用。我是買的成品毫安和微安表改的。測試脈沖型負載就換成指針微安表，數碼管的反應跟不上

ID:632112 · 發表于 2021-2-24 11:46

做的不錯，下載學習，

ID:799716 · 發表于 2021-2-25 14:15

C程序小白入門請教currentvalue=currentvalue*0.6445; //ADC平均值轉化成uA電流值這個0.6445如何的得來的

ID:702386 · 發表于 2021-2-25 15:50

18176214303 發表于 2021-2-25 14:15
C程序小白入門請教currentvalue=currentvalue*0.6445; //ADC平均值轉化成uA電流值這個0.6445如何的得來 ...

10位ADC有1024個采樣分辨值，采樣獲得的值ADC=Vadc * (1024/Vcc)，連續采樣8次獲得ADC平均值先賦給currentvalue。
微安采樣電阻100歐，運放放大50倍，則AD通道的采樣電壓為Vadc=I(A)*100歐*50=I(uA)*100*50/1000000，代入上式，可算得I(uA)=currentvalue*3.3*1000000/(1024*100*50)=currentvalue*0.6445.

ID:799716 · 發表于 2021-3-1 10:25

zsw3721 發表于 2021-2-25 15:50
10位ADC有1024個采樣分辨值，采樣獲得的值ADC=Vadc * (1024/Vcc)，連續采樣8次獲得ADC平均值先賦給curren ...

非常感謝學習了

ID:460466 · 發表于 2021-3-1 12:40

液晶顯示就不能用中文嗎?!

ID:582255 · 發表于 2021-3-1 12:58

zsw3721 發表于 2020-12-26 17:08
新增NTC測溫功能和秒表功能，采樣和顯示刷新周期由定時器控制。
NTC用的是P1.0口，因為電流采樣很精確， ...

樓主能貼的元件清單不

ID:799716 · 發表于 2021-3-1 16:39

zsw3721 發表于 2021-2-25 15:50
10位ADC有1024個采樣分辨值，采樣獲得的值ADC=Vadc * (1024/Vcc)，連續采樣8次獲得ADC平均值先賦給curren ...

電路上，實際是51倍放大吧，計算按50計算

ID:702386 · 發表于 2021-3-1 21:42

18176214303 發表于 2021-3-1 16:39
電路上，實際是51倍放大吧，計算按50計算

微安檔的運算放大器就是按50倍放大的，你可以看一下差分放大器的放大倍數計算公式。

ID:799716 · 發表于 2021-3-2 08:47

zsw3721 發表于 2021-3-1 21:42
微安檔的運算放大器就是按50倍放大的，你可以看一下差分放大器的放大倍數計算公式。

嗯，學習了

ID:796531 · 發表于 2021-3-18 08:54

好東西，在制作一個耐壓測試儀正好用到參考

ID:796531 · 發表于 2021-3-18 09:43

建議在 100Ω電阻兩端并聯一個正向壓降（Vf）低一點的肖特基二極管，如VS-10BQ015HM3（210mV @ 1A ）上正下負，保證設備待機突變為開機時 R5兩端壓降不影響設備工作

ID:138956 · 發表于 2021-3-18 09:48

做的不錯，學習學習。

ID:702386 · 發表于 2021-3-18 14:23

paladina 發表于 2021-3-18 09:43
建議在 100Ω電阻兩端并聯一個正向壓降（Vf）低一點的肖特基二極管，如VS-10BQ015HM3（210mV @ 1A ）上正下 ...

不錯的建議。謝謝。

ID:856401 · 發表于 2021-3-20 21:53

照著樓主的資料，做一個

ID:92222 · 發表于 2021-4-2 08:45

感謝分享，能出個數碼管顯示的版本就好了，這樣成本低一點

ID:430492 · 發表于 2021-4-2 11:24

設計還是比較巧的，謝謝樓主無私分享！！

ID:702386 · 發表于 2021-4-2 20:37

c51流浪者發表于 2021-4-2 08:45
感謝分享，能出個數碼管顯示的版本就好了，這樣成本低一點

數碼管的功耗太大，顯示的內容又有限。這塊LCD1602 3.3V的屏大概7塊錢，也能接受吧。

ID:66328 · 發表于 2021-6-21 11:35

感謝樓主分享，樓主還可以看到這個帖子么，請教下，單片機燒錄時選用多大的晶振頻率？謝謝！

ID:702386 · 發表于 2021-6-21 21:34

hnqylgq 發表于 2021-6-21 11:35
感謝樓主分享，樓主還可以看到這個帖子么，請教下，單片機燒錄時選用多大的晶振頻率？謝謝！

選的內部6M的RC頻率。

ID:816540 · 發表于 2021-6-24 10:32

謝謝分享！正在學習51單片機。

ID:948569 · 發表于 2021-7-3 08:55

樓主, 有沒有測試過AD跳動幾個碼

ID:702386 · 發表于 2021-7-3 11:56

KinHimTang 發表于 2021-7-3 08:55
樓主, 有沒有測試過AD跳動幾個碼

拿直流源接色環電阻，毫安和微安檔測量值都很穩定，只波動1mA和1uA左右。

ID:507641 · 發表于 2021-7-22 03:22

學習下，如果用彩屏更炫耀，下來看看

ID:507641 · 發表于 2021-7-22 03:45

建議L358 VCC加R C濾波好的，

ID:936913 · 發表于 2021-7-22 22:42

本帖最后由 wjqzywmm 于 2021-7-24 11:49 編輯

感謝樓主分享，有個小疑問：Get_Current1()中adc結果為什么要循環左移呢？小于8直接給數組賦值應該也可以吧。
今天改造自己的程序，明白了循環左移的意義

。

ID:27031 · 發表于 2021-7-22 23:21

謝謝分享DIY毫安微安電流表

ID:718536 · 發表于 2021-8-2 16:21

kkk2020 發表于 2021-2-6 22:22
下面那行挺空的，加個電壓顯示就完美了，這個比較實用。我是買的成品毫安和微安表改的。測試脈沖型負載就換 ...

提高一下刷新速度就好很多了

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