【分享】第四组 施鑫辰+谢文喆——电容电感测量仪

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一、作品简介
本项目旨在设计并实现一款基于 T5L 智能屏 的便携功率计，该功率计集成了自研的 32 位主控板（基于 STM32F100 系列）与检测模块，实现了对电流、电压和功率的高精度、实时检测与显示 。传统功率计往往存在精度不足、便携性差以及数据实时显示能力有限等问题，难以满足现代电子设备对电力参数监测的严格要求。本项目通过创新设计，采用高性能 32 位单片机与高精度检测模块结合的方式，打造了一款既便携又具备高精度测量能力的功率计，其测量相对误差可控制在极低范围内（如电容类参数测量误差在 ±5% 以内），单次测量时间不超过 1s，为电子设备的电力参数监测提供了高效、可靠的解决方案 。
二、工作原理
作品采用交流阻抗分析与高速采样原理，通过模拟前端电路（由多片 MCP6002 运算放大器构成）对信号进行隔离、缓冲与放大 。主控芯片利用定时器触发 ADC 进行同步采样，并通过 DMA 机制实现对测量信号和参考信号的高效采集 。系统通过同步解调的方法在数字域内提取信号的实部、虚部及相位信息，实现类似锁相放大的功能，有效抑制随机噪声 。计算得到的各项参数通过 UART 串口以 ASCII 字符流形式发送至 T5L 智能屏，映射至指定的 VP 寄存器地址实现实时显示 。

三、设计思路
本作品的设计遵循模块化与软硬件协同优化的原则，重点通过精密电路设计与底层驱动配置提升测量性能：


（1）模拟测量前端电路设计： 电路核心采用了多片 MCP6002 双运算放大器 。首先，利用运放的高输入阻抗特性对被测信号进行隔离与缓冲，防止测量电路对被测状态产生负载效应 。其次，设计了多级放大电路以提升微弱电压信号的幅值，最大限度利用 ADC 的量程空间，提高有效分辨率 。最后，在电路中嵌入了 RC滤波网络，有效抑制高频噪声干扰，确保了采样数据的平滑度与稳定性 。
（2）主控驱动与采样机制优化： 为了保证交流信号处理的实时性，主控系统启用了 DMA（直接存储器访问） 传输机制 。DAC 在 DMA 驱动下循环输出预置的正弦查找表数据，避免了 CPU 轮询造成的信号抖动 。ADC 采样则受定时器严格触发，使采样周期与激励 ，信号周期保持固定相位关系，为后续的同步解调算法提供了高一致性的原始数据 。
（3）误差控制与校准补偿逻辑： 设计中针对电路寄生电阻、电容及运放偏置电压等非理想因素，开发了专用校准算法 。系统在测量前通过执行开路与短路基准测量，获取系统自身的分布参数误差 。在正式测量过程中，软件会自动将原始采样值减去误差补偿量，从而在不增加硬件成本的前提下，实现了更高精度的阻抗计算 。
（4）智能人机交互方案： 利用 DGUS屏分担了复杂的图形显示逻辑 。主控单片机仅需组织简单的 ASCII 字符流进行串口映射，无需参与像素级刷新，极大地降低了主控的运算负担 。界面设计上划分了四个独立区域，同步呈现元件类型、测量值、Q 值及 D 值，实现了信息的高效整合 。


四、演示视频和代码见附件