一 任务：设计并制作一台两线制直流电源电压显示表。作为典型的电池类电源电压监视器，它使用两根引线连接直流电源，它的电路直接从电源取电（禁止外部供电），同时测量并显示电压，电路系统结构如图1所示。
二 要求：
设计如图1中的两线制电压表，要求输入的信号Ui范围是0.9V—60V。在这个电压范围内，电压表必须能够正常工作，显示器显示要能够跟随输入电压变化而变化。显示分辨率不低于0.01V。以0V作为最小量程端，以60V作为最大量程端，要求.0.9V—60V实际量程中任何一点测量值的满量程相对误差不大于0.2%。1.主控芯片的选择
方案1：采用STM8L151K4T6，进行AD采样，此方案主控芯片，为8位CPU，12位ADC，主频最高可达16MHZ，功耗极低
方案二：采用STM32F103C8T6，进行AD采样，此方案主控芯片，为32位CPU，12位ADC，主频最高可达72MHZ，虽然数据运算速度较快，功耗较高。
综上所述，考虑到功耗的原因，故选择方案一。
2.显示器的选择
方案一：采用6位数码管段式液晶，经过测试当液晶正常工作时，工作电流为300uA，功耗极低。
方案二：采用0.96寸OLED，当OLED正常工作时，工作电流较大，功耗较高。
综上所述，故选择方案一。
3.总体方案描述
如下图1所示，系统总体方案如下，输入电压经过线性稳压电路后，给其他模块供电，如何输入电压经过AD采样电路处理以后，信号送至STM8L151K4T6当中处理，处理完成以后，通过液晶显示。
电路与程序设计1.线性稳压电路
线性稳压电路如下图2所示，当输入电压为1.2V—60V时，应保证线性稳压电路的输出为2.5V，首先通过NPN三极管，PNP三极管，构成负反馈电路，使负反馈电路的输出最低为1.2V，然后再通过DC-DC升压芯片，将1.2V升高至2.7V，2.7V电压，通过稳压管，转换为2.5V。NPN三极管和PNP三极管选择需要注意，三极管的放大倍数较大，而且三极管的Vce至少大于60V。
图2：线性稳压电路工作原理分析：
（1） 当VCC上电时，三极管NPN2导通，三极管PNP1的基级电压，被拉低。三极管PNP1被导通，导通以后，因为二极管的钳位作用，PNP1的发射级电压Ve为，二极管导通电压之和。PNP1的发射级电压Ve经过负反馈反馈到，三极管NPN1的基级上，导致三极管NPN1导通，NPN2的基级电压被拉低，NPN2关闭。电容EC1放电，当电压到降低，不能使NPN1导通时，NPN1关闭，NPN2导通，PNP1导通。EC1充电。线性稳压电路重复上述过程。
（2） PNP1的发射级电压Ve经过DC—DC升压芯片以后，升高至2.7V，后接2.5V稳压二极管，稳出2.5V电压，给后续电路供电。
2.AD采样电路
AD采样电路通过电阻分压的方式对输入电压，进行分压，根据VCC输入电源不同电压不同，一共将AD采样分为4挡，如下表1所示。
表 1 电压分档档数
VCC
第一档
0V≤VCC＜5V
第二档
5V≤VCC＜20V
第三档
20V≤VCC＜40V
第四档
40V≤VCC＜80V
AD采样电路如下图3所示，电阻分压以后，需要注意电容滤波，注意当VCC较大时，需要进行对运放的保护，可以采用二极管进行保护。
图3:AD采样电路
3.程序设计
程序开始对外设进行初始化，初始化完成以后，进行AD采样，然后进行数字滤波，最后通过显示屏显示，具体如下图4所示。
图4：程序框图 理论分析与计算1.线性稳压电路
因其NPN，PNP三极管需要满足，集电极和发射级之间的耐压值需要大于60V，故NPN三极管选择TIP41C, PNP三极管选择TIP42C.TIP41C和TIP42C的集电极和发射级之间的耐压值为100V，DC-DC升压芯片，采用PT1301。
PT1301输出电压，可以如下公式计算。
（式1）
由式1可知，当Vout=2.7V，R2=1MΩ时，R1=1.16MΩ。
另外如图2线性稳压电路所示，2.5V稳压电路中，电阻阻值计算公式如下。
（式2）
当Vout=2.7V，I=3mA时，R为66Ω。
2.AD采样电阻分压电路
AD采样电阻分压电路如下图5所示，当VCC电压为分档临界电压时，考虑到留下余量的原因，故输出2.4即可，故用如下公式计算分压电阻阻值。
图5：AD采样电阻分压电路
（式3）
由公式3可得，不同档位，电阻值如下表2所示。
表2：不同档位电阻取值
档数
VCC
R1，R2电阻值
第一档
0V≤VCC＜5V
R1=520K，R2=480K
第二档
5V≤VCC＜20V
R1=880K，R2=120K
第三档
20V≤VC＜40V
R1=940K，R2=60K
第四档
40V≤VC＜80V
R1=970K，R2=30
运放采用mcp6002，为保护运放芯片，需要在运放的电压输入端进行保护，可用二极管进行钳位保护，二极管负极接2.5V电压。
测试方案与测试结果
1.测试仪器
一台五位半万用表，型号DM3058，2台电源箱，型号DP832。
2.测试方案
测试时，使用可调直流电源作为电压源。使用五位半表监测直流输入电压，然后通万用表的值（真实值）和显示器上的值（测量值），计算出满量程相对误差。满量程相对误差，下公式所示。
（式3）
3.测试结果
数据
电源箱电压/V
真实值/V
测量值/V
绝对误差/mV
满量程相对误差
0.9
0.894
0.895
1.000
0.001%
8.0
7.996
7.998
2.000
0.002%
16.0
15.996
15.998
2.000
0.002%
24.0
23.996
24.003
7.000
0.009%
32.0
31.996
32.007
11.000
0.014%
40.0
40.000
40.002
2.000
0.003%
48.0
48.001
48.009
8.000
0.010%
56.0
56.001
55.996
5.000
0.006%
64.0
64.002
64.024
22.000
0.028%
72.0
72.004
72.031
27.000
0.034%
80.0
80.007
80.039
32.000
0.040%
4.测试结果分析
通过对测试数据分析可知，当输入电压为3V-36V时，电压表可以正常工作，显示器显示要能够跟随输入电压变化而变化。显示分辨率不低于0.01V，而且在此量程范围内，任何一点测量值的满量程相对误差不大于0.3%。当输入电压为1.2V—60V时，电压表也能正常工作，任何一点测量值的满量程相对误差不大于0.2%，测试结果符合题目要求。此外在原有的基础上，将输入电压扩充至0.9V—82V时，电压表可以正常工作，且任何一点测量值的满量程相对误差不大于0.05%。
附录：原理图
