《來(lái)實(shí)戰(zhàn)》第3期：手把手教你用單片機(jī)做一個(gè)過(guò)流過(guò)壓保護(hù)模塊

此處最終顯示為電路方案的作者信息（僅在“來(lái)實(shí)戰(zhàn)”模板下生效）

大家好，作為電子愛(ài)好者，我們經(jīng)常需要自己搭建電路，測(cè)試電路的性能和參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)設(shè)備里面，電源是最重要的設(shè)備之一，一臺(tái)好的電源可以給我們的測(cè)試帶來(lái)極大的便利和安全，但是很多愛(ài)好者是沒(méi)有一臺(tái)正規(guī)的實(shí)驗(yàn)電源的，只能使用一些廉價(jià)的開(kāi)關(guān)電源，或者適配器給電路供電，這樣操作存在一定的風(fēng)險(xiǎn)性，可能由于疏忽造成了電源短路，或者負(fù)載電流過(guò)大，導(dǎo)致電源承受不了這么大的功率，造成電源損壞甚至人身安全問(wèn)題，這個(gè)項(xiàng)目的內(nèi)容就是給大家提供一個(gè)廉價(jià)的簡(jiǎn)單的電源保護(hù)方案，保證大家在使用電源測(cè)試時(shí)的安全。

項(xiàng)目簡(jiǎn)介：

       本項(xiàng)目是一個(gè)基于STM32的過(guò)壓過(guò)流保護(hù)模塊，用戶可以通過(guò)按鍵進(jìn)行屏幕交互，設(shè)置過(guò)壓過(guò)流值，當(dāng)過(guò)流或者過(guò)壓觸發(fā)后，屏幕會(huì)指示相應(yīng)故障，切斷輸出，用戶排除故障后，可通過(guò)按鍵復(fù)位故障，再次接通負(fù)載 。

模塊指標(biāo)：

過(guò)流響應(yīng)時(shí)間：小于600uS

過(guò)壓響應(yīng)時(shí)間：小于1.3mS

輸入電壓范圍：9V~60V

通過(guò)電流范圍：0A~10A

步驟1：系統(tǒng)框架搭建及核心器件的選型

1.系統(tǒng)框圖

2.核心器件的選型

       整個(gè)項(xiàng)目其實(shí)我們一開(kāi)始就考慮過(guò)要不要使用純硬件保護(hù)方案，然后STM32只做數(shù)據(jù)采樣顯示以及過(guò)壓過(guò)流參考值控制，后面仔細(xì)考慮了下，雖然反應(yīng)很迅速，但是我們希望加入數(shù)顯，用戶可以通過(guò)按鍵修改過(guò)壓過(guò)流值，同時(shí)為了減小體積，最終還是選擇使用單片機(jī)處理的方案，32系列型號(hào)比較多，為了充分的利用芯片資源，節(jié)省成本，我們采用STM32F031F6這個(gè)型號(hào)，TSSOP20封裝，Cortex-M0內(nèi)核，48M主頻，外設(shè)及性能足夠項(xiàng)目使用了。

        為了方便采樣電流和電壓，我選用了TI公司的INA226，該器件可以監(jiān)視分流壓降和總線電源電壓，可編程校準(zhǔn)值，轉(zhuǎn)換時(shí)間和取平均值功能與內(nèi)部乘法器相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)電流值和功率值的直接讀取。

        OLED屏使用中景園的0.73寸屏幕，分辨率128*88，驅(qū)動(dòng)芯片SH1107，這款屏幕有個(gè)很不好的地方就是工作電壓過(guò)高，7V以上才能工作，我初步設(shè)計(jì)決定這個(gè)模塊最好5V也能工作，很明顯這個(gè)屏幕是不符合需求的，但是負(fù)責(zé)硬件的朋友非要用這個(gè)屏幕，我也就沒(méi)干預(yù)太多，最終還是選用的0.73寸的，需要額外增加SX1308這顆升壓芯片，大家可以自行更換常見(jiàn)的中景園的0.96寸或者0.91寸的OLED這兩尺寸的，驅(qū)動(dòng)芯片SSD1306，需要自行更換驅(qū)動(dòng)庫(kù)，注意要更換成硬件IIC驅(qū)動(dòng)，稍微有點(diǎn)費(fèi)時(shí)。其它芯片沒(méi)有太多注意的，用的常用的型號(hào)。

電源芯片：XL7005（BUCK降壓），LP2983（LDO降壓），SX1308（BOOST升壓）；

MOS驅(qū)動(dòng)芯片：UCC27517；

MOS型號(hào)：BSC093N15N85/CSD19534。

步驟2：硬件系統(tǒng)及GUI用戶界面設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)要講解下電源部分，輸入電壓通過(guò)XL7005進(jìn)行降壓后輸出5V電壓，然后再通過(guò)LP2983降壓到3.3V給單片機(jī)和INA226供電，另一路通過(guò)SX1308進(jìn)行升壓到12V給MOS驅(qū)動(dòng)芯片和屏幕供電。注：原理圖源文件請(qǐng)下載附件查看

GUI設(shè)計(jì)：

為了節(jié)省屏幕刷新時(shí)間，每次只顯示一個(gè)數(shù)字，顯示為覆蓋式，即不更改之前顯示的內(nèi)容，只把目標(biāo)區(qū)域的內(nèi)容進(jìn)行替換，減少清屏和重復(fù)內(nèi)容顯示所占用的時(shí)間，如下面設(shè)計(jì)圖，只有“299”，“299”，“NORMAL”這些字樣位置會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)替換，單位“V”，“A”，及背景，不需要顯示更新。

設(shè)計(jì)的界面圖如上圖：

頂部?jī)?nèi)容為“電路城的LOGO”+Protection Modual字樣；

第一欄顯示電壓；

第二欄顯示電流；

第三欄顯示狀態(tài)。

步驟3：程序設(shè)計(jì)

       按照預(yù)期的功能，我們需要使用單片機(jī)完成電壓電流的數(shù)據(jù)采樣，屏幕顯示內(nèi)容更新，數(shù)據(jù)處理這三個(gè)功能，其中屏幕顯示是一個(gè)比較占用處理器時(shí)間的過(guò)程，中景園官方例程提供的還是軟件IIC的驅(qū)動(dòng)代碼，為了提高顯示內(nèi)容單次更新速度，就必須將官方的代碼進(jìn)行更改，換成硬件IIC驅(qū)動(dòng)，換成硬件IIC后，時(shí)鐘開(kāi)到1MHz（實(shí)測(cè)IIC跑到1.2M以上屏幕驅(qū)動(dòng)就吃不消了），顯示一個(gè)8*16像素的數(shù)字需要11ms左右，這個(gè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致其它進(jìn)程循環(huán)周期過(guò)長(zhǎng)，查看官方的驅(qū)動(dòng)代碼后，發(fā)現(xiàn)顯示內(nèi)容數(shù)據(jù)生成的算法過(guò)于低效，算法跟中景園他們家0.96寸的型號(hào)不一樣，我參考0.96寸的算法進(jìn)行了更改，將顯示一個(gè)8*16像素的數(shù)字提升到了1ms左右的刷新速度，這個(gè)速度還算可以，如果各位對(duì)這方面感興趣，也可以配合DMA+中斷，再換成SPI接口的硬件連接方式測(cè)試一下速度能不能更大幅度提高；電壓電流數(shù)據(jù)采樣部分采用的INA226這顆芯片，帶觸發(fā)輸出，但是只能限制一種觸發(fā)輸出，為了穩(wěn)定起見(jiàn)，在初始化INA226的時(shí)候，設(shè)置為過(guò)流觸發(fā)，設(shè)置過(guò)流閾值，直接外部中斷觸發(fā)STM32并進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作，電壓保護(hù)就采用寄存器輪詢方式進(jìn)行監(jiān)控，所以屏幕刷新速度直接影響電壓保護(hù)動(dòng)作速度，快則幾百u(mài)S，慢則1ms多，除了這兩個(gè)需要重點(diǎn)處理，其他部分就是常規(guī)的代碼編寫(xiě)和優(yōu)化了。程序流程圖與部分程序截圖可在附件提供的資料中查看。

        代碼都做了大量的批注，有些地方大家不太理解的對(duì)照程序流程圖輔助理解就好，大家可以根據(jù)自己的需求在工程里面刪改一些內(nèi)容，自定義一些功能，有什么建議和問(wèn)題可以在評(píng)論區(qū)討論。

步驟4：系統(tǒng)功能測(cè)試及項(xiàng)目總結(jié)

制作說(shuō)明：

將附件內(nèi)容的PCB工程用AD打開(kāi)，生成Genber文件或者直接把PCB文件交給PCB生產(chǎn)商打樣，然后按照BOM表單進(jìn)行元器件購(gòu)買(mǎi)，程序文件使用的Keil 5進(jìn)行編寫(xiě)的，需要安裝Keil 5才能打開(kāi)，程序下載采用的SWD方式，使用JLINK或者DAPLINK等下載器下載

使用教程：

1.模塊說(shuō)明：

2.按鍵介紹：

SET鍵：進(jìn)入/退出設(shè)置模式

AN鍵：復(fù)位保護(hù)操作(未進(jìn)入設(shè)置模式)；進(jìn)入/退出更改閾值模式

+ 鍵：選中下一個(gè)數(shù)字(未進(jìn)入更改閾值模式);當(dāng)前數(shù)字?jǐn)?shù)值+1(更改閾值模式)

-鍵：選中上一個(gè)數(shù)字(未進(jìn)入更改閾值模式);當(dāng)前數(shù)字?jǐn)?shù)值-1(更改閾值模式)

3.更改閾值 ：

①按一下”SET鍵”，進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)

②按“+鍵”或者“-鍵”移動(dòng)光標(biāo)選中的數(shù)字

③按下“AN鍵”，進(jìn)入更改數(shù)字狀態(tài)

④按“+鍵”或者“-鍵”更改數(shù)值大小

⑤按下“AN鍵”，退出更改數(shù)字狀態(tài)

⑥按一下“SET鍵”，退出設(shè)置狀態(tài)

4.復(fù)位保護(hù)動(dòng)作：

確保當(dāng)前為顯示電壓電流狀態(tài)，不是設(shè)置模式界面(如果是過(guò)流過(guò)壓觸發(fā)了保護(hù)，請(qǐng)排除故障再操作，以免多次復(fù)位保護(hù)導(dǎo)致MOS管損壞)

①按下“AN鍵”，即可復(fù)位

結(jié)語(yǔ)：

做這個(gè)項(xiàng)目和寫(xiě)這個(gè)教學(xué)帖，目的是給一些電子愛(ài)好者提供一個(gè)過(guò)壓過(guò)流保護(hù)方案，可以直接用我們的DEMO工程去制作出來(lái)，對(duì)于有能力的朋友，完全可以在我們的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，這個(gè)項(xiàng)目的硬件部分還可以做很多的優(yōu)化，大家可以在我的程序框架基礎(chǔ)上或者仿照我這個(gè)程序系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行自定義的功能設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，希望這篇教學(xué)帖子可以幫個(gè)各位，感興趣的朋友可以點(diǎn)個(gè)贊，留個(gè)評(píng)論，謝謝各位~

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