? 一款基于零知派標(biāo)準(zhǔn)板的高精度電流/電壓/功率監(jiān)測解決方案

?零知派（零知開源）是一個(gè)專為電子初學(xué)者/電子興趣愛好者設(shè)計(jì)的開源軟硬件平臺(tái)，在硬件上提供超高性價(jià)比STM32系列開發(fā)板、物聯(lián)網(wǎng)控制板。取消了Bootloader程序燒錄，讓開發(fā)重心從“配置環(huán)境”轉(zhuǎn)移到“創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)”，極大降低了技術(shù)門檻。零知開源編程軟件，內(nèi)置上千個(gè)覆蓋多場景的示例代碼，支持項(xiàng)目源碼一鍵下載，項(xiàng)目文章在線瀏覽。零知派(零知開源)平臺(tái)通過軟硬件協(xié)同創(chuàng)新，讓你的創(chuàng)意快速轉(zhuǎn)化為實(shí)物，來動(dòng)手試試吧！

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目錄

一、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件清單

1.2 接線方案表

1.3 具體接線圖

1.4 連接實(shí)物圖

二、軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)初始化

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.3?UI顯示功能

2.4 INA219庫文件解析

三、項(xiàng)目演示

3.1?監(jiān)測過程與比較

3.2 萬用表對(duì)比測試

3.3 視頻演示

四、INA219 電流功率監(jiān)測計(jì)技術(shù)講解

4.1 INA219工作原理

4.2?I2C通信協(xié)議

4.3?寄存器配置

五、常見問題解答（Q&A）

Q1：測量值不準(zhǔn)確怎么辦？

Q2：軟件 I2C 通信不穩(wěn)定怎么辦？

Q3：軟件I2C通信失敗如何排查？

（1）項(xiàng)目概述

本項(xiàng)目基于STM32F103RBT6微控制器和零知派INA219電流功率監(jiān)測計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高精度的電源監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測電路中的總線電壓、電流消耗和功率輸出，并通過ST7789 TFT顯示屏進(jìn)行可視化展示。通過軟件I2C（SoftWire）驅(qū)動(dòng)INA219傳感器，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)波形顯示

（2）項(xiàng)目難點(diǎn)及解決方案

問題描述：INA219 庫默認(rèn)使用硬件 I2C 通信，與零知標(biāo)準(zhǔn)板的 STM32F103RBT6 存在兼容性問題

解決方案：將INA219庫中所有TwoWire類型替換為SoftWire類型；調(diào)整構(gòu)造函數(shù)，使其接受SoftWire指針參數(shù)

一、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件清單

1.2 接線方案表

INA219電流功率監(jiān)測計(jì)的Vin+接3.3V供電電源、Vin-接負(fù)載（本項(xiàng)目連接到LED模塊IN引腳）

1.3 具體接線圖

INA219與零知派標(biāo)準(zhǔn)板通過軟件I2C進(jìn)行通信；各器件接線、LED模塊按照代碼接線所示：

1.4 連接實(shí)物圖

二、軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)初始化

void setup(void) {
  Serial.begin(115200);          // 初始化串口通信
  tft.init(240, 320);            // 初始化TFT顯示屏
  tft.invertDisplay(false);      // 設(shè)置顯示方向
  tft.setRotation(1);            // 旋轉(zhuǎn)顯示屏
  tft.fillScreen(BACKGROUND);    // 清屏
  showSplashScreen();            // 顯示啟動(dòng)畫面
  delay(1500);
  
  sw.begin();                    // 初始化軟件I2C
  sw.setClock(100000);           // 設(shè)置I2C時(shí)鐘頻率為100kHz
  
  if (!INA.begin()) {            // 初始化INA219傳感器
    Serial.println("Failed to find INA219 chip");
    while (1) { delay(10); }     // 初始化失敗則死循環(huán)
  }
  
  // 校準(zhǔn)傳感器：最大電流0.5A，分流電阻0.1Ω
  if (!INA.setMaxCurrentShunt(0.5, 0.1)) {
    Serial.println("Calibration failed!");
    while(1);                    // 校準(zhǔn)失敗則死循環(huán)
  }
  
  // 初始化歷史數(shù)據(jù)緩沖區(qū)
  for (int i = 0; i < HISTORY_SIZE; i++) {
    voltageHistory[i] = 0;
    currentHistory[i] = 0;
    powerHistory[i] = 0;
  }
  
  drawStaticUI();                // 繪制靜態(tài)UI界面
  Serial.println("System initialized");
  Serial.print("INA219_LIB_VERSION: ");
  Serial.println(INA219_LIB_VERSION);
}

初始化軟件 I2C 并設(shè)置通信速率，進(jìn)行INA219傳感器校準(zhǔn)；初始化歷史數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用于存儲(chǔ)繪圖數(shù)據(jù)

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

void loop(void) {
  // 讀取傳感器數(shù)據(jù)
  float busVoltage = INA.getBusVoltage();      // 讀取總線電壓（V）
  float current = INA.getCurrent_mA() - 0.8;   // 讀取電流（mA）并進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)
  float power = INA.getPower_mW();             // 讀取功率（mW）
  
  // 存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)
  voltageHistory[historyIndex] = busVoltage;
  currentHistory[historyIndex] = current;
  powerHistory[historyIndex] = power;
  
  // 更新UI顯示
  updateUI(busVoltage, current, power);
  
  // 更新歷史數(shù)據(jù)索引（循環(huán)緩沖區(qū)）
  historyIndex = (historyIndex + 1) % HISTORY_SIZE;
  
  // 串口輸出數(shù)據(jù)
  Serial.println("ntBUSttSHUNTttCURRENTttPOWERttOVFttCNVR");
  Serial.print("t");
  Serial.print(busVoltage, 2);
  Serial.print("tt");
  Serial.print(INA.getShuntVoltage_mV(), 2);
  Serial.print("tt");
  Serial.print(current, 2);
  Serial.print("tt");
  Serial.print(power, 2);
  Serial.print("tt");
  Serial.print(INA.getMathOverflowFlag());  // 數(shù)學(xué)溢出標(biāo)志
  Serial.print("tt");
  Serial.print(INA.getConversionFlag());    // 轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志
  Serial.println();
  
  delay(1000);  // 1秒刷新一次
}

每秒從 INA219 讀取總線電壓、電流和功率；使用循環(huán)緩沖區(qū)將新數(shù)據(jù)存入歷史緩沖區(qū)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的滾動(dòng)存儲(chǔ)

2.3UI顯示功能

void updateUI(float voltage, float current, float power) {
  updatePanelValues(voltage, current, power);  // 更新右側(cè)面板的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)
  
  // 清除圖表區(qū)域并重新繪制坐標(biāo)軸
  tft.fillRect(GRAPH_X + 1, GRAPH_Y + 1, GRAPH_WIDTH - 1, GRAPH_HEIGHT - 1, BACKGROUND);
  drawAxes();
  
  // 計(jì)算最大值用于自動(dòng)縮放
  float maxVal = 0.1;  // 確保至少有一個(gè)較小的初始值
  for (int i = 0; i < HISTORY_SIZE; i++) {
    if (voltageHistory[i] > maxVal) maxVal = voltageHistory[i];
    if (currentHistory[i] > maxVal) maxVal = currentHistory[i];
    if (powerHistory[i] > maxVal) maxVal = powerHistory[i];
  }
  maxVal *= 1.15;  // 增加15%的余量
  
  // 繪制歷史曲線
  for (int i = 1; i < HISTORY_SIZE; i++) {
    // 計(jì)算歷史索引（循環(huán)緩沖區(qū)）
    int prevIndex = (historyIndex + i - 1) % HISTORY_SIZE;
    int currIndex = (historyIndex + i) % HISTORY_SIZE;
    
    // 計(jì)算X坐標(biāo)
    int x1 = GRAPH_X + (i-1) * 2;
    int x2 = GRAPH_X + i * 2;
    if (x2 > GRAPH_X + GRAPH_WIDTH) break;  // 超出圖表區(qū)域則停止
    
    // 繪制電壓曲線（黃色）
    int y1_voltage = GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT - constrain(voltageHistory[prevIndex] / maxVal * GRAPH_HEIGHT, 0, GRAPH_HEIGHT);
    int y2_voltage = GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT - constrain(voltageHistory[currIndex] / maxVal * GRAPH_HEIGHT, 0, GRAPH_HEIGHT);
    tft.drawLine(x1, y1_voltage, x2, y2_voltage, VOLTAGE_COLOR);
    
    // 繪制電流曲線（綠色）
    int y1_current = GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT - constrain(currentHistory[prevIndex] / maxVal * GRAPH_HEIGHT, 0, GRAPH_HEIGHT);
    int y2_current = GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT - constrain(currentHistory[currIndex] / maxVal * GRAPH_HEIGHT, 0, GRAPH_HEIGHT);
    tft.drawLine(x1, y1_current, x2, y2_current, CURRENT_COLOR);
    
    // 繪制功率曲線（青色）
    int y1_power = GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT - constrain(powerHistory[prevIndex] / maxVal * GRAPH_HEIGHT, 0, GRAPH_HEIGHT);
    int y2_power = GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT - constrain(powerHistory[currIndex] / maxVal * GRAPH_HEIGHT, 0, GRAPH_HEIGHT);
    tft.drawLine(x1, y1_power, x2, y2_power, POWER_COLOR);
  }
  
  // 繪制Y軸刻度值
  tft.setTextColor(0xAD75);
  tft.setTextSize(1);
  tft.setCursor(GRAPH_X + 2,GRAPH_Y + 5);
  tft.print(maxVal, 1);                // 最大值
  tft.setCursor(GRAPH_X + 2,GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT/2 + 5);
  tft.print(maxVal/2, 1);              // 中間值
  tft.setCursor(GRAPH_X - 5, GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT + 5);
  tft.print("0");                      // 最小值
}

采用自動(dòng)縮放機(jī)制，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)的最大值動(dòng)態(tài)調(diào)整 Y 軸范圍;使用不同顏色繪制三條曲線，分別表示電壓、電流和功率

項(xiàng)目代碼

/**************************************************************************************
 * 文件: /STM32F103_INA219_RealTime_PowerMonitor/STM32F103_INA219_RealTime_PowerMonitor.ino
 * 作者：零知派（深圳市在芯間科技有限公司）
 * -^^- 零知派，讓電子制作變得更簡單！ -^^-
 * 時(shí)間: 2026-4-16 15:30:45
 * 說明: 基于零知派標(biāo)準(zhǔn)板(STM32F103RBT6主控)和零知派INA219電流功率監(jiān)測計(jì)，通過軟件I2C（SoftWire）實(shí)現(xiàn)傳感器穩(wěn)定通信。
 *       實(shí)時(shí)采集總線電壓、負(fù)載電流及功率數(shù)據(jù)，在ST7789 TFT屏可視化展示實(shí)時(shí)數(shù)值與歷史趨勢曲線，同步串口輸出數(shù)據(jù)供調(diào)試分析。
 ***************************************************************************************/

#include "INA219.h"
#include       // 圖形顯示基礎(chǔ)庫（適配ST7789）
#include    // ST7789 TFT屏硬件驅(qū)動(dòng)庫
#include           // 軟件I2C庫

// -------------------------- 硬件引腳定義模塊 --------------------------
/**
 * ST7789 TFT屏硬件SPI引腳配置
 * 硬件SPI固定引腳：SCK=13（時(shí)鐘）、SDA(MOSI)=11（數(shù)據(jù)），以下為可配置引腳
 */
#define TFT_CS    10  // TFT片選引腳（低電平有效）
#define TFT_DC    2   // TFT數(shù)據(jù)/命令選擇引腳（高=數(shù)據(jù)，低=命令）
#define TFT_RST   4   // TFT復(fù)位引腳（低電平復(fù)位，可不接則設(shè)為-1）

// -------------------------- 全局參數(shù)配置模塊 --------------------------
/**
 * INA219傳感器配置
 * @param 0x44: INA219默認(rèn)I2C地址0x40（可通過A0/A1引腳修改為0x41/0x44/0x45）
 * @param &sw: 綁定軟件I2C實(shí)例
 */
SoftWire sw(SCL, SDA, SOFT_STANDARD);   // 軟件I2C引腳
INA219 INA(0x44, &sw); 

/**
 * ST7789 TFT屏配置
 * 分辨率：240x320（寬x高），旋轉(zhuǎn)后實(shí)際顯示方向由setRotation(1)決定
 */
Adafruit_ST7789 tft = Adafruit_ST7789(TFT_CS, TFT_DC, TFT_RST);
#define TFT_WIDTH  240    // ST7789屏物理寬度（像素）
#define TFT_HEIGHT 320    // ST7789屏物理高度（像素）

/**
 * 波形繪制歷史數(shù)據(jù)配置
 * HISTORY_SIZE：波形緩存長度（決定時(shí)間軸跨度），建議根據(jù)刷新頻率調(diào)整
 */
const int HISTORY_SIZE = 100;    // 最大歷史數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)（100個(gè)采樣點(diǎn)，對(duì)應(yīng)100秒）
float voltageHistory[HISTORY_SIZE];  // 電壓歷史數(shù)據(jù)緩存
float currentHistory[HISTORY_SIZE];  // 電流歷史數(shù)據(jù)緩存
float powerHistory[HISTORY_SIZE];    // 功率歷史數(shù)據(jù)緩存
int historyIndex = 0;               // 歷史數(shù)據(jù)當(dāng)前寫入索引（循環(huán)覆蓋）

/**
 * 顯示界面顏色配置（RGB565格式，5位紅+6位綠+5位藍(lán)）
 */
#define BACKGROUND    ST77XX_BLACK    // 屏幕背景色
#define VOLTAGE_COLOR ST77XX_YELLOW   // 電壓波形/文本顏色
#define CURRENT_COLOR ST77XX_GREEN    // 電流波形/文本顏色
#define POWER_COLOR   ST77XX_CYAN     // 功率波形/文本顏色
#define TEXT_COLOR    ST77XX_WHITE    // 通用文本顏色
#define AXIS_COLOR    ST77XX_WHITE    // 坐標(biāo)軸顏色
#define PANEL_COLOR   0x18A0          // 數(shù)值面板背景色（RGB565：深灰藍(lán)）

/**
 * 顯示區(qū)域坐標(biāo)配置（像素單位）
 * 波形區(qū)：左上方主要區(qū)域；數(shù)值面板：右側(cè)固定面板
 */
#define GRAPH_WIDTH   200       // 波形顯示區(qū)域?qū)挾?#define GRAPH_HEIGHT  120       // 波形顯示區(qū)域高度
#define GRAPH_X       10        // 波形區(qū)左上角X坐標(biāo)
#define GRAPH_Y       60        // 波形區(qū)左上角Y坐標(biāo)
#define PANEL_WIDTH   80        // 實(shí)時(shí)數(shù)值面板寬度
#define PANEL_X       240       // 數(shù)值面板左上角X坐標(biāo)（補(bǔ)充：原代碼240超出屏寬，建議改為150）
#define PANEL_Y       0         // 數(shù)值面板左上角Y坐標(biāo)

// -------------------------- 初始化函數(shù) --------------------------
/**
 * @brief 系統(tǒng)初始化入口函數(shù)
 * @details 完成串口、TFT屏、INA219傳感器、數(shù)據(jù)緩存、靜態(tài)UI的初始化
 */
void setup(void) {
  // 1. 串口初始化（調(diào)試用，波特率115200）
  Serial.begin(115200);

  // 2. TFT屏初始化
  tft.init(TFT_WIDTH, TFT_HEIGHT);       // 初始化屏顯參數(shù)
  tft.invertDisplay(false);              // 關(guān)閉顯示反轉(zhuǎn)（true為反色顯示）
  tft.setRotation(1);                    // 旋轉(zhuǎn)屏幕（0-3，1為90度順時(shí)針）
  tft.fillScreen(BACKGROUND);            // 清屏（背景色）
  showSplashScreen();                    // 顯示啟動(dòng)畫面
  delay(1500);                           // 啟動(dòng)畫面停留1.5秒

  // 3. INA219傳感器初始化
  sw.begin();                            // 啟動(dòng)軟件I2C
  sw.setClock(100000);                   // 設(shè)置I2C時(shí)鐘頻率（100kHz，INA219最大支持400kHz）
  if (!INA.begin()) {                    // 檢測INA219是否連接
    Serial.println("Failed to find INA219 chip");
    while (1) { delay(10); }             // 硬件錯(cuò)誤，死循環(huán)報(bào)錯(cuò)
  }
  // 校準(zhǔn)INA219（最大預(yù)期電流0.5A，分流電阻0.1Ω）
  if (!INA.setMaxCurrentShunt(0.5, 0.1)) {
    Serial.println("Calibration failed!");
    while(1);                            // 校準(zhǔn)失敗，死循環(huán)報(bào)錯(cuò)
  }

  // 4. 歷史數(shù)據(jù)緩存初始化（清零）
  for (int i = 0; i < HISTORY_SIZE; i++) {
    voltageHistory[i] = 0;
    currentHistory[i] = 0;
    powerHistory[i] = 0;
  }

  // 5. 繪制靜態(tài)UI框架（僅初始化時(shí)繪制一次）
  drawStaticUI();

  // 初始化完成提示
  Serial.println("System initialized");
  Serial.print("INA219_LIB_VERSION: ");
  Serial.println(INA219_LIB_VERSION);
}

// -------------------------- 主循環(huán)函數(shù) --------------------------
/**
 * @brief 系統(tǒng)主循環(huán)
 * @details 每秒采集一次數(shù)據(jù)，更新緩存、UI和串口輸出，循環(huán)執(zhí)行
 */
void loop(void) {
  // 1. 讀取INA219數(shù)據(jù)（核心傳感器數(shù)據(jù)采集）
  float busVoltage = INA.getBusVoltage();        // 讀取總線電壓（V）
  float current = INA.getCurrent_mA() - 0.8;     // 讀取電流（mA），減去0.8mA校準(zhǔn)零點(diǎn)偏移
  float power = INA.getPower_mW();               // 讀取功率（mW）

  // 2. 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到歷史緩存（循環(huán)覆蓋）
  voltageHistory[historyIndex] = busVoltage;
  currentHistory[historyIndex] = current;
  powerHistory[historyIndex] = power;

  // 3. 更新屏幕顯示（實(shí)時(shí)數(shù)值+波形）
  updateUI(busVoltage, current, power);

  // 4. 更新緩存索引（循環(huán)復(fù)用緩存）
  historyIndex = (historyIndex + 1) % HISTORY_SIZE;

  // 5. 串口輸出調(diào)試信息（格式化打?。?  Serial.println("ntBUS(V)ttSHUNT(mV)tCURRENT(mA)tPOWER(mW)tOVFttCNVR");
  Serial.print("t");
  Serial.print(busVoltage, 2);                  // 總線電壓（保留2位小數(shù)）
  Serial.print("tt");
  Serial.print(INA.getShuntVoltage_mV(), 2);    // 分流電阻電壓（mV）
  Serial.print("tt");
  Serial.print(current, 2);                     // 電流（mA）
  Serial.print("tt");
  Serial.print(power, 2);                       // 功率（mW）
  Serial.print("tt");
  Serial.print(INA.getMathOverflowFlag());      // 數(shù)學(xué)溢出標(biāo)志（1=溢出，需重新校準(zhǔn)）
  Serial.print("tt");
  Serial.print(INA.getConversionFlag());        // 轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志（1=數(shù)據(jù)有效）
  Serial.println();

  // 6. 采樣間隔（1秒，可根據(jù)需求調(diào)整，最小受INA219轉(zhuǎn)換時(shí)間限制）
  delay(1000);
}

// -------------------------- 屏幕顯示功能模塊 --------------------------
/**
 * @brief 啟動(dòng)畫面顯示
 * @details 系統(tǒng)初始化時(shí)顯示品牌/功能提示，提升用戶體驗(yàn)
 */
void showSplashScreen() {
  tft.fillScreen(BACKGROUND);          // 清屏
  tft.setTextColor(ST77XX_YELLOW);     // 設(shè)置文本顏色為黃色
  tft.setTextSize(3);                  // 文本大?。?=8x8像素，3=24x24像素）
  tft.setCursor(70, 80);               // 設(shè)置文本光標(biāo)位置（X,Y）
  tft.print("POWER");                  // 打印"POWER"
  tft.setCursor(85, 120);              // 調(diào)整光標(biāo)位置
  tft.print("MONITOR");                // 打印"MONITOR"
  
  tft.setTextColor(ST77XX_CYAN);       // 切換文本顏色為青色
  tft.setTextSize(1);                  // 縮小文本大小
  tft.setCursor(90, 180);              // 調(diào)整光標(biāo)位置
  tft.print("Initializing...");        // 打印初始化提示
}

/**
 * @brief 繪制靜態(tài)UI框架
 * @details 繪制僅需初始化一次的界面元素（標(biāo)題、邊框、坐標(biāo)軸、面板、圖例）
 */
void drawStaticUI() {
  tft.fillScreen(BACKGROUND);          // 清屏

  // 1. 繪制標(biāo)題
  tft.setTextColor(TEXT_COLOR);
  tft.setTextSize(2);
  tft.setCursor(50, 5);
  tft.print("POWER MONITOR");

  // 2. 繪制波形區(qū)邊框
  tft.drawRect(GRAPH_X, GRAPH_Y, GRAPH_WIDTH, GRAPH_HEIGHT, AXIS_COLOR);
  drawAxes();  // 繪制坐標(biāo)軸

  // 3. 繪制實(shí)時(shí)數(shù)值面板（右側(cè)）
  tft.fillRect(PANEL_X, PANEL_Y, PANEL_WIDTH, 240, PANEL_COLOR);  // 面板背景
  tft.drawRect(PANEL_X, PANEL_Y, PANEL_WIDTH, 240, TEXT_COLOR);   // 面板邊框
  tft.setTextColor(TEXT_COLOR);
  tft.setTextSize(1);
  tft.setCursor(PANEL_X + 10, PANEL_Y + 10);
  tft.print("REALTIME");
  tft.setCursor(PANEL_X + 15, PANEL_Y + 20);
  tft.print("VALUES");
  tft.drawFastHLine(PANEL_X, PANEL_Y + 35, PANEL_WIDTH, TEXT_COLOR);  // 分隔線

  // 4. 繪制波形圖例
  drawLegend();

  // 5. 繪制坐標(biāo)軸標(biāo)簽
  tft.setTextSize(1);
  tft.setCursor(GRAPH_X - 5, GRAPH_Y - 15);
  tft.print("Value");          // Y軸標(biāo)簽
  tft.setCursor(GRAPH_X + GRAPH_WIDTH - 30, GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT + 5);
  tft.print("Time (s)");       // X軸標(biāo)簽

  // 6. 繪制數(shù)值面板靜態(tài)文本（V/I/P標(biāo)簽）
  drawPanelStaticText();
}

/**
 * @brief 繪制波形區(qū)坐標(biāo)軸
 * @details 繪制X/Y軸、軸尖標(biāo)記和水平網(wǎng)格線，提升波形可讀性
 */
void drawAxes() {
  // 繪制Y軸（垂直軸）
  tft.drawFastVLine(GRAPH_X, GRAPH_Y, GRAPH_HEIGHT, AXIS_COLOR);
  tft.drawLine(GRAPH_X, GRAPH_Y, GRAPH_X - 3, GRAPH_Y + 5, AXIS_COLOR);  // Y軸上尖
  tft.drawLine(GRAPH_X, GRAPH_Y, GRAPH_X + 3, GRAPH_Y + 5, AXIS_COLOR);

  // 繪制X軸（水平軸）
  tft.drawFastHLine(GRAPH_X, GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT, GRAPH_WIDTH, AXIS_COLOR);
  tft.drawLine(GRAPH_X + GRAPH_WIDTH, GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT, 
               GRAPH_X + GRAPH_WIDTH - 5, GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT - 3, AXIS_COLOR);  // X軸右尖
  tft.drawLine(GRAPH_X + GRAPH_WIDTH, GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT, 
               GRAPH_X + GRAPH_WIDTH - 5, GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT + 3, AXIS_COLOR);

  // 繪制水平網(wǎng)格線（4等分）
  for (int i = 1; i < 4; i++) {
    int yPos = GRAPH_Y + i * GRAPH_HEIGHT / 4;  // 網(wǎng)格線Y坐標(biāo)
    for (int x = GRAPH_X; x < GRAPH_X + GRAPH_WIDTH; x += 4) {  // 虛線繪制
      tft.drawPixel(x, yPos, 0x5AEB);  // 淺灰色像素（RGB565）
    }
  }
}

/**
 * @brief 繪制數(shù)值面板靜態(tài)文本
 * @details 繪制V/I/P標(biāo)簽和單位，僅初始化時(shí)繪制
 */
void drawPanelStaticText() {
  tft.setTextColor(TEXT_COLOR);
  tft.setTextSize(2);

  // 電壓標(biāo)簽
  tft.setCursor(PANEL_X + 10, PANEL_Y + 50);
  tft.print("V:");
  // 電流標(biāo)簽
  tft.setCursor(PANEL_X + 10, PANEL_Y + 110);
  tft.print("I:");
  // 功率標(biāo)簽
  tft.setCursor(PANEL_X + 10, PANEL_Y + 170);
  tft.print("P:");

  // 單位標(biāo)注
  tft.setTextSize(1);
  tft.setCursor(PANEL_X + 55, PANEL_Y + 70);
  tft.print("V");    // 電壓單位
  tft.setCursor(PANEL_X + 55, PANEL_Y + 130);
  tft.print("mA");   // 電流單位
  tft.setCursor(PANEL_X + 55, PANEL_Y + 190);
  tft.print("mW");   // 功率單位
}

/**
 * @brief 繪制波形圖例
 * @details 繪制電壓/電流/功率的顏色標(biāo)識(shí)，方便用戶識(shí)別波形
 */
void drawLegend() {
  int legendY = GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT + 25;  // 圖例Y坐標(biāo)

  // 電壓圖例
  tft.fillRect(20, legendY, 15, 3, VOLTAGE_COLOR);  // 顏色塊
  tft.setTextColor(VOLTAGE_COLOR);
  tft.setTextSize(1);
  tft.setCursor(40, legendY - 3);
  tft.print("VOLTAGE");

  // 電流圖例
  tft.fillRect(100, legendY, 15, 3, CURRENT_COLOR);
  tft.setTextColor(CURRENT_COLOR);
  tft.setCursor(120, legendY - 3);
  tft.print("CURRENT");

  // 功率圖例
  tft.fillRect(180, legendY, 15, 3, POWER_COLOR);
  tft.setTextColor(POWER_COLOR);
  tft.setCursor(200, legendY - 3);
  tft.print("POWER");
}

/**
 * @brief 更新整個(gè)UI界面
 * @details 包含實(shí)時(shí)數(shù)值更新和波形繪制，是界面動(dòng)態(tài)更新的核心函數(shù)
 * @param voltage 總線電壓（V）
 * @param current 電流（mA）
 * @param power 功率（mW）
 */
void updateUI(float voltage, float current, float power) {
  // 1. 更新右側(cè)數(shù)值面板
  updatePanelValues(voltage, current, power);

  // 2. 清空波形區(qū)（保留邊框和坐標(biāo)軸）
  tft.fillRect(GRAPH_X + 1, GRAPH_Y + 1, GRAPH_WIDTH - 1, GRAPH_HEIGHT - 1, BACKGROUND);
  drawAxes();  // 重新繪制坐標(biāo)軸（避免被清空）

  // 3. 計(jì)算波形最大值（用于歸一化顯示）
  float maxVal = 0.1;  // 初始值（避免除以0）
  for (int i = 0; i < HISTORY_SIZE; i++) {
    if (voltageHistory[i] > maxVal) maxVal = voltageHistory[i];
    if (currentHistory[i] > maxVal) maxVal = currentHistory[i];
    if (powerHistory[i] > maxVal) maxVal = powerHistory[i];
  }
  maxVal *= 1.15;  // 留15%余量，避免波形超出顯示區(qū)

  // 4. 繪制波形（循環(huán)繪制歷史數(shù)據(jù)點(diǎn)）
  for (int i = 1; i < HISTORY_SIZE; i++) {
    // 計(jì)算緩存索引（循環(huán)讀?。?    int prevIndex = (historyIndex + i - 1) % HISTORY_SIZE;
    int currIndex = (historyIndex + i) % HISTORY_SIZE;

    // 計(jì)算X坐標(biāo)（時(shí)間軸）
    int x1 = GRAPH_X + (i-1) * 2;
    int x2 = GRAPH_X + i * 2;
    if (x2 > GRAPH_X + GRAPH_WIDTH) break;  // 超出顯示區(qū)則停止

    // 繪制電壓波形（歸一化到顯示區(qū)高度）
    int y1_voltage = GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT - constrain(voltageHistory[prevIndex] / maxVal * GRAPH_HEIGHT, 0, GRAPH_HEIGHT);
    int y2_voltage = GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT - constrain(voltageHistory[currIndex] / maxVal * GRAPH_HEIGHT, 0, GRAPH_HEIGHT);
    tft.drawLine(x1, y1_voltage, x2, y2_voltage, VOLTAGE_COLOR);

    // 繪制電流波形
    int y1_current = GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT - constrain(currentHistory[prevIndex] / maxVal * GRAPH_HEIGHT, 0, GRAPH_HEIGHT);
    int y2_current = GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT - constrain(currentHistory[currIndex] / maxVal * GRAPH_HEIGHT, 0, GRAPH_HEIGHT);
    tft.drawLine(x1, y1_current, x2, y2_current, CURRENT_COLOR);

    // 繪制功率波形
    int y1_power = GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT - constrain(powerHistory[prevIndex] / maxVal * GRAPH_HEIGHT, 0, GRAPH_HEIGHT);
    int y2_power = GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT - constrain(powerHistory[currIndex] / maxVal * GRAPH_HEIGHT, 0, GRAPH_HEIGHT);
    tft.drawLine(x1, y1_power, x2, y2_power, POWER_COLOR);
  }

  // 5. 繪制Y軸數(shù)值標(biāo)簽（最大值、中間值、0）
  tft.setTextColor(0xAD75);  // 淺紫色
  tft.setTextSize(1);
  tft.setCursor(GRAPH_X + 2, GRAPH_Y + 5);
  tft.print(maxVal, 1);              // 最大值（保留1位小數(shù)）
  tft.setCursor(GRAPH_X + 2, GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT/2 + 5);
  tft.print(maxVal/2, 1);            // 中間值
  tft.setCursor(GRAPH_X - 5, GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT + 5);
  tft.print("0");                    // 最小值
}

/**
 * @brief 更新實(shí)時(shí)數(shù)值面板
 * @details 清空原有數(shù)值區(qū)域并打印新值，避免文本重疊
 * @param voltage 總線電壓（V）
 * @param current 電流（mA）
 * @param power 功率（mW）
 */
void updatePanelValues(float voltage, float current, float power) {
  tft.setTextColor(TEXT_COLOR);
  tft.setTextSize(1);

  // 1. 更新電壓數(shù)值
  tft.fillRect(PANEL_X + 25, PANEL_Y + 65, 30, 12, PANEL_COLOR);  // 清空原有數(shù)值
  tft.setCursor(PANEL_X + 25, PANEL_Y + 70);
  tft.print(voltage, 2);  // 保留2位小數(shù)

  // 2. 更新電流數(shù)值
  tft.fillRect(PANEL_X + 25, PANEL_Y + 125, 30, 12, PANEL_COLOR);
  tft.setCursor(PANEL_X + 25, PANEL_Y + 130);
  tft.print(current, 2);

  // 3. 更新功率數(shù)值
  tft.fillRect(PANEL_X + 25, PANEL_Y + 185, 30, 12, PANEL_COLOR);
  tft.setCursor(PANEL_X + 25, PANEL_Y + 190);
  tft.print(power, 2);
}

/******************************************************************************
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******************************************************************************/

系統(tǒng)流程圖

2.4 INA219庫文件解析

1）傳感器軟件I2C 初始化

初始化傳感器對(duì)象，指定 I2C 地址和軟件 I2C 總線

INA219::INA219(const uint8_t address, SoftWire *wire)  // SoftWire使用I2C
{
  _address     = address;
  _wire        = wire;
  //  no calibrated values by default.
  _current_LSB = 0;
  _maxCurrent  = 0;
  _shunt       = 0;
  _error       = 0;
}


bool INA219::begin()
{
  if (! isConnected()) return false;
  return true;
}


bool INA219::isConnected()
{
  if ((_address < 0x40) || (_address > 0x4F)) return false;
  _wire->beginTransmission(_address);
  return ( _wire->endTransmission() == 0);
}

2）寄存器讀寫函數(shù)

INA219 通過 I2C 讀寫寄存器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互

uint16_t INA219::_readRegister(uint8_t reg)
{
  _wire->beginTransmission(_address);
  _wire->write(reg);
  int n = _wire->endTransmission();
  if (n != 0)
  {
    _error = -1;
    return 0;
  }

  uint16_t value = 0;
  if (2 == _wire->requestFrom(_address, (uint8_t)2))
  {
    value = _wire->read();
    value read();
  }
  else
  {
    _error = -2;
    return 0;
  }
  return value;
}


uint16_t INA219::_writeRegister(uint8_t reg, uint16_t value)
{
  _wire->beginTransmission(_address);
  _wire->write(reg);
  _wire->write(value >> 8);
  _wire->write(value & 0xFF);
  int n = _wire->endTransmission();
  if (n != 0)
  {
    _error = -1;
  }
  return n;
}

三、項(xiàng)目演示

3.1監(jiān)測過程與比較

系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示電壓、電流和功率信息，并通過波形圖表展示歷史數(shù)據(jù)變化趨勢

界面包含三個(gè)主要區(qū)域

左側(cè)波形區(qū)：實(shí)時(shí)顯示電壓、電流、功率的三通道波形；右側(cè)數(shù)據(jù)區(qū)：實(shí)時(shí)數(shù)值顯示，包含單位標(biāo)識(shí)；底部圖例：顏色標(biāo)識(shí)區(qū)分不同參數(shù)

Tips

零知派標(biāo)準(zhǔn)板上的A1和A0都與Vs+引腳連接引出排針接口，通過跳線帽短接直接切換0x41、0x44和0x45 I2C總線地址，本項(xiàng)目將A1通過跳線帽短接，I2C地址為0x44

3.2 萬用表對(duì)比測試

將萬用表分別打到量程為20V的電壓檔以及20mA的電流檔

進(jìn)行電壓檔測試

進(jìn)行電流檔測試

注：電壓值和電流值誤差控制在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的0.5%精度

3）通過串口輸出數(shù)據(jù)，便于進(jìn)一步分析

3.3 視頻演示

?https://live.csdn.net/v/522314?spm=1001.2014.3001.5501

系統(tǒng)啟動(dòng)過程、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測、波形顯示效果，以及在不同負(fù)載條件下系統(tǒng)的響應(yīng)特性?？梢钥吹疆?dāng)電路負(fù)載變化時(shí)，電流和功率讀數(shù)實(shí)時(shí)更新，波形圖表平滑滾動(dòng)，系統(tǒng)響應(yīng)迅速且穩(wěn)定。

四、INA219 電流功率監(jiān)測計(jì)技術(shù)講解

INA219是一款基于I2C接口的高端電流分流和功率監(jiān)控器，能夠監(jiān)測分流器壓降和電源電壓。其內(nèi)部包含16位ADC、可編程增益放大器(PGA) 和精密基準(zhǔn)電壓源，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度測量

4.1 INA219工作原理

根據(jù)芯片手冊，經(jīng)過分流電阻N（采樣電阻）后，能夠采集到的最低有效電壓LSB為10uV。

利用歐姆定律計(jì)算電流公式：

電流測量：根據(jù)Rshunt(0.1Ω)分流電阻兩端的電壓降計(jì)算；電壓測量：直接測量總線電壓（支持0-26V范圍）；功率計(jì)算：內(nèi)部乘法器實(shí)時(shí)計(jì)算功率

4.2I2C通信協(xié)議

本項(xiàng)目采用軟件模擬 I2C（SoftWire）與 INA219 通信

1)串行總線地址

INA219 有兩個(gè)地址引腳A0 和 A1都設(shè)置為GND，該從機(jī)地址為0x40

2）軟件I2C時(shí)序

總線上的所有從機(jī)在 SCL 的上升沿移入從機(jī)地址字節(jié)，其中最后一位指示要進(jìn)行的是讀操作還是寫操作。在第九個(gè)時(shí)鐘脈沖期間，被尋址的從機(jī)通過生成確認(rèn)信號(hào)并將 SDA 拉至低電平來響應(yīng)主機(jī)

4.3寄存器配置

1）配置寄存器(0x00)

BRNG位(13)：總線電壓范圍選擇(0=16V, 1=32V)；PG位(11-12)：PGA增益設(shè)置(00=±40mV, 01=±80mV, 10=±160mV, 11=±320mV)；BADC位(7-10)：總線ADC分辨率和平均模式；SADC位(3-6)：分流ADC分辨率和平均模式；

eg：MODE位(0-2)：操作模式選擇

陰影部分的值為默認(rèn)值，采取連續(xù)分流和總線測量模式

2）校準(zhǔn)寄存器(0x05)

校準(zhǔn)值計(jì)算公式：

其中電流LSB = 最大預(yù)期電流 / 32768

Current_LSB=10010^-6=100uA=0.0001A

計(jì)算基準(zhǔn)值：Cal=0.04096/(Current_LSB/R)=0.04096/(0.0001A0.1R)=4096=0x1000

校準(zhǔn)寄存器與縮放

如果發(fā)現(xiàn)測量到的電流值有誤，用電流表測到的實(shí)際值為0.290A，INA219測量結(jié)果為0.342A

采用Cal的校準(zhǔn)公式（縮放校準(zhǔn)后的）Cal=4096*0.290/0.3421 = 3472 = 0x0D90

五、常見問題解答（Q&A）

Q1：測量值不準(zhǔn)確怎么辦？

A：可以嘗試：重新校準(zhǔn)傳感器，確保setMaxCurrentShunt()函數(shù)的參數(shù)與實(shí)際使用的分流電阻匹配；進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)，在無負(fù)載情況下測量電流值，并在代碼中進(jìn)行補(bǔ)償

Q2：軟件 I2C 通信不穩(wěn)定怎么辦？

A：可以：調(diào)整i2c_delay參數(shù)，確保通信時(shí)序正確；降低通信速率（如從 400kHz 降至 100kHz）

Q3：軟件I2C通信失敗如何排查？

A：檢查引腳配置是否正確（SCL接零知標(biāo)準(zhǔn)板A5、SDA接零知標(biāo)準(zhǔn)板A4）；采用I2C掃描函數(shù)確認(rèn)INA219地址設(shè)置（默認(rèn)0x40）

項(xiàng)目資源整合

INA219 庫（支持 SoftWire）： RobTillaart/INA219

INA219 數(shù)據(jù)手冊： INA219 DataSheet

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