论文总字数：23122字

摘 要

本课题基于STM32开发板，设计了一款能够采集-3V~3V直流电压的电压采集系统。由于STM32开发板的A/D模块只能采集正电压，所以本课题需要设计一个电路可以使输入信号转变为STM32能够采集的电压，该电路即为信号调理电路。文中第一章首先是对电压采集系统的历史背景和设计意义和现状进行了分析，第二章则是对基于STM32的电压采集系统进行需求分析以及问题的解决方案。第三章则对硬件部分的具体实现过程进行了说明，列出不同的方案并加以分析，进行对比选出最合适的电路。在理解了采集系统的功能要求和芯片使用方法后，设计了软件流程，分析了主要的程序段。接下来是软件和硬件联合调试，描述了实际调试中遇到的问题，并分析原因。本文的结尾对该系统进行了误差的分析和改进。

关键词：电压采集系统 信号调理电路 STM32

The voltage acquisition system based on STM32

Abstract

On the basis of STM32 development board, this research designs a voltage acquisition system which can acquires -3V~3V direct voltage. Since the A/D module of STM32 development board can only acquire positive voltage, this research needs to design a circuit which can convert the input signal into the voltage that can be acquired by STM32. This circuit is signal conditioning circuit. The first chapter analyzes the historical background, significances and current situation of voltage acquisition system; the second chapter is the requirements analysis and the solutions to the problems based on voltage acquisition system; the third chapter explains the concrete realization process of its hardware, lists and analyzes various schemes, and selects the most proper circuit after comparison. After understanding the function requirements of acquisition system and the usage of chip, the writer designs the software process and analyzes the main program segment. And next is to debug both the software and hardware, describes the problems in the practical debugging and analyzes their reasons. The last part of the paper analyzes the errors and improves this system. 

Key Words : Voltage acquisition system; Signal conditioning circuit; STM32

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1课题的历史背景及发展 1

1.2课题的设计意义 2

1.3相关技术在国内外的发展情况 3

1.4 本文的安排 4

第二章 需求分析 5

2.1 需求分析 5

2.2 解决方案 6

第三章 硬件设计 9

3.1 设计过程 9

3.2 方案比较 13

3.3 STM32开发板的硬件外设 14

3.3.1 USART 14

3.3.2 ADC 15

第四章 软件设计 16

4.2 程序流程图 16

4.3 STM32固件函数库 17

4.3.1 STM32固件库的配置以及STM32的初始化 17

4.3.2 功能说明 19

第五章 电路制作与调试 21

5.1硬件的购买与调试 21

5.1.1硬件的购买 21

5.1.2硬件的焊接 21

5.1.3硬件的测试 22

5.1.4硬件的调试 22

5.2软件调试 24

第六章 误差分析以及改进方法 25

6.1误差的分析 25

6.2误差的测量 26

6.3改进方法 28

结 语 30

参考文献 31

致 谢 32

第一章 绪 论

1.1课题的历史背景及发展

1950年，信息采样技术诞生。1956年，美国为了强化自己的军队实力，研发了一种测量体系，其测量方式不依赖关联的测量文件进行测量，起初由技术并不娴熟的职员控制，其测量工作由测量设施快速自主操控完成。因为这种测量体系信息采样速率高，且比较灵敏，比如，很多常规办法达不到的信息采样和测量工作，它都能做到，所以得到了人们的认同。60年代末，在国外的市场中就有全套的采样设备，此时的采样设备和系统基本都属于专用系统。

70年代起，信息采样系统随着科技的发展将其分为两类，第一类是用于实验室，而第二类用于工业现场。实验用信息采样系统大多使用并行数据传输线，工业现场信息采样系统基本使用串行数据传输线。70年代末，仪表、采集装置和电脑融为一体的数据采集系统随着微型计算机的发展而问世。这种采样系统因为性能优越，超越了专用的数据采集系统和传统的仪表检测系统，因而获得了人们更多的认同。

上世纪80年代数据采集系统随着计算机的广泛推广得到了高速的发展，产生了自动测量系统与普遍的采样系统。该时期的采样系统主要分两种，一种是以仪器和采集设备、通用接口总线和电脑等构成，例如：ICE625接口总线系统，它就是一个明显的范例。这类系统常用于试验，当然，在工业现场也有其可观的用途。第二类则以数据采集卡、标准总线和电脑组成，比如：这一类的标志首推STD总线系统，这种接口系统采用积木式结构，把对应的接口卡插到专用的机箱里，然后由一台计算机进行操控。第二类系统常运用在工业现场当中。这两种系统中，如果采集测量工作改变，只需接入新的仪用电缆，或将新卡再插到专用的机箱即可完成硬件平台的重新搭建，由此可知，专用系统远没有这种系统灵便。80年代后期，数据采集系统发生了巨变，工业用计算机、单片机和大规模集成电路的组合采用软件进行管理，这种管理模式使系统的成本减少，体积缩小，功能翻倍，大大提升了数据处理能力。 90年代至今， 数据采集技术已经广泛在国际技术先进的国运用，诸如航空电子设备、军事、工业等领域。随着集成电路制造技术的不断成熟，产生了可靠性高、性能优越的单片数据采集系统。目前有的单片数据采集系统产品精度已达16位，采集速度最高可达几十万次每秒。数据采集技术已成为十分成熟的技术，广泛的应用在工业领域。该时期数据采集系统采用更优秀的模块式结构，根据应用场合的不同，通过简易的添加和修改模块，并联合系统编程，就可扩大或更改系统，迅速组成一个新的系统。该时期并行总线数据采集系统向着快速、模块化、热插拔方向发展。由于高密度、屏蔽型、卡式模块和针孔式连接器的使用，其可靠性和稳定性得到了保证，但其价格昂贵，阻碍了在自动化领域的推广。向着智能化和分布式系统结构方向发展的串行总线数据采集系统，其可靠性得到不断提高。由于采用双绞线、RS485、光纤、无线和电力载波，数据采集系统物理层通信得到了不断完善和发展，其广泛的应用在了工业现场数据采集和控制等众多领域上。由于当前局域网科学技术的不断发展，可以将一个工厂的管理局域网，生产车间局域网和底层设施的局域网连到一起，可以把多台数据采集设备连在一起，以实现在线实时的采集生产数据并进行实时监视。

1.2课题的设计意义

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