基于Msp430單片機的直流電子負載設計

劉 磊

(南京理工大學泰州科技學院，江蘇泰州 225300)

傳統的負載檢測將電阻、電容以及電感等串并聯組合模擬實際負載，這種做法負載形式單一、大小不能連續調節，且占用較大安裝空間，電能損耗大［1］。直流電子負載克服了傳統負載的缺點，不僅能夠精確檢測負載電壓、調整負載電流，同時還可以實現模擬負載短路。直流電子負載已成為開關電源相關設備調試檢測中的重要儀器。

文中設計了一款簡易的直流電子負載，采用Msp430F169微控制器作為程序和算法控制單元，配合基于MOSFET的恒流源電路，實現了直流電流輸出和負載電壓調制率測量的功能［2］。

1 系統總體框圖和工作原理

1.1 系統總體框圖

根據直流電子負載的基本功能要求以及工作原理，系統主要包括:4×4鍵盤模塊、電源模塊、LCD12864顯示模塊、MCU控制模塊、恒流源模塊和電流、電壓采集模塊組成［3］。系統總體框圖如圖1所示。

圖1 直流電子負載系統框圖

1.2 直流電子負載工作原理

直流電子負載的設計基于電流反饋控制原理，采用運算放大器和MOSFET進行設計。具體設計原理圖如圖2所示。

圖2 電流串聯負反饋恒流源

其工作原理為:當給定一個信號Vin時，如果R3上的電壓 ＜Vin，即運放 OPA2227的V-＞V+，則OPA2227輸出減小，也就降低了R3上的導通電流;反之，R3上的電流增加。如此反復調整，最終R3支路上的電流維持恒定值，達到恒流的效果。R3上的電流值等于Vin/R3，改變Vin可改變恒流值。Vin的值可用電位調節輸入或用DAC芯片輸出。

文中設計的恒流源輸出電流最大1 A，Vo端電壓最大18 V，最大功率18 W。實際設計過程中考慮到散熱問題，采用4個IRF640并聯連接方式。

如圖2所示，D/A轉換器輸出電壓加在運算放大器正輸入端，控制負載中流過的電流。采樣電阻R3將輸出電流轉換為電壓信號，供A/D轉換使用。設計中A/D轉換器和D/A轉換器的參考電壓均為2.5 V，輸出電路中流過的電流最大值為1 000 mA，因此正常情況下電阻阻值應為2 500 mV/1 000 mA=2.5 Ω。

設D/A轉換器的參考電壓為VREF，鍵盤輸入數字量為D，D/A轉換輸出的模擬電壓。

選擇參考電壓VREF=2.5 V，采樣電阻R3=1.220 7 Ω。當輸入數字量加1時，模擬增加量

輸出電流變化量ΔI為

即D/A轉換器數字輸入量每增加數值1，恒流源輸出電流增加0.5 mA。因此為實現步進功能，每按一次步進“+”鍵，單片機送給D/A轉換器的輸入數字量D加2，從而輸出電流加1 mA，實現了電流步進1 mA的要求。

2 軟件設計

直流電子的軟件設計主要是對Msp430F169的相關模塊進行初始化，然后進行A/D轉換、D/A轉換、液晶顯示以及I/O口控制。

2.1 系統主程序

系統主程序主要是對相關模塊進行初始化操作，然后對各模塊進行函數調用，實現直流電子負載的輸入、顯示和輸出操作。系統主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

2.2 鍵盤子程序

按鍵處理程序的功能是判斷是否有鍵被按下，然后針對所按下的鍵值進行相應的程序處理。設計的直流電子負載的按鍵功能主要有設置相應的電流值并及時顯示輸出的電流值、設置電壓調制率并能實時顯示相應調整率的大小。按鍵判斷子程序的流程圖如圖4所示。

圖4 鍵盤子程序流程圖

2.3 A/D采集與轉換子程序

Msp430F169內部自帶12位A/D轉換模塊，所以在使用時只需對其進行相應配置，然后啟動A/D轉換，得到輸入模擬量相對應的數字量，然后通過液晶模塊顯示［4-5］。A/D采集與轉換的程序流程圖如圖5所示。

圖5 A/D采集與轉換流程圖

3 測試結果及分析

設計的直流電子負載實驗室在常溫下測試，將直流穩壓電源連接電子負載，在恒流模式下設定電流值，然后觀察實際測量到的電流值，檢驗設置的電流值和測量的電流值是否一致。實測電流值如表1所示。

表1 恒流模式下系統指標測試表

由表2可以看出:只要給定了一個恒流源，無論輸入電壓如何變化，負載端電流總是恒等于給定的恒流值，流入電子負載的電壓隨被測直流電源的電壓變化而變化。

4 結束語

通過試驗可以看出，設計的直流電子負載達到了預定要求。同時設計采用了抗干擾措施和冗余技術，保證直流電子負載的安全穩定運行。

［1］丁銳霞，馬秀坤.基于ATmega16的智能電子負載設計［J］.山西師范大學學報:自然科學版，2008，23(2):24-27

［2］馬建龍.關于直流電子負載的研究［J］.計算機工程應用技術，2012(6):142-143.

［3］蔣益飛，周杏鵬.基于STM32直流電子負載的設計與實現［J］.儀器儀表用戶，2012(3):69-70.

［4］洪利，章揚，李世寶.MSP430單片機原理與應用實例詳解［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2010.

［5］Texes Instruments Incorporated.Msp430x1xx family user's guide［M］.USA:Texes Instruments Incorporated，2003.