基于Msp430單片機(jī)的直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)

摘要 以Msp430F169單片機(jī)為控制芯片，通過(guò)設(shè)計(jì)外圍鍵盤(pán)液晶顯示模塊、A／D采集輸入電路、D／A轉(zhuǎn)換輸出電路、多路電源輸出模塊和恒流源輸出電路，配合系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，制作了一款可靠實(shí)用的直流電子負(fù)載。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該直流電子負(fù)載可靠性好、測(cè)量精確度高、抗干擾能力強(qiáng)，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞 Msp430F169；電子負(fù)載；恒流源

    傳統(tǒng)的負(fù)載檢測(cè)將電阻、電容以及電感等串并聯(lián)組合模擬實(shí)際負(fù)載，這種做法負(fù)載形式單一、大小不能連續(xù)調(diào)節(jié)，且占用較大安裝空間，電能損耗大。直流電子負(fù)載克服了傳統(tǒng)負(fù)載的缺點(diǎn)，不僅能夠精確檢測(cè)負(fù)載電壓、調(diào)整負(fù)載電流，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)模擬負(fù)載短路。直流電子負(fù)載已成為開(kāi)關(guān)電源相關(guān)設(shè)備調(diào)試檢測(cè)中的重要儀器。
    文中設(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)易的直流電子負(fù)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(shí)現(xiàn)了直流電流輸出和負(fù)載電壓調(diào)制率測(cè)量的功能。

1 系統(tǒng)總體框圖和工作原理
1．1 系統(tǒng)總體框圖
    根據(jù)直流電子負(fù)載的基本功能要求以及工作原理，系統(tǒng)主要包括：4 x 4鍵盤(pán)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。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

1．2 直流電子負(fù)載工作原理
    直流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)基于電流反饋控制原理，采用運(yùn)算放大器和MOSFET進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

    其工作原理為：當(dāng)給定一個(gè)信號(hào)Vin時(shí)，如果R3上的電壓<Vin，即運(yùn)放OPA2227的V->V+，則OPA2227輸出減小，也就降低了R3上的導(dǎo)通電流；反之，R3上的電流增加。如此反復(fù)調(diào)整，最終R3支路上的電流維持恒定值，達(dá)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(diào)節(jié)輸入或用DAC芯片輸出。

    文中設(shè)計(jì)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(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到散熱問(wèn)題，采用4個(gè)IRF640并聯(lián)連接方式。
    如圖2所示，D／A轉(zhuǎn)換器輸出電壓加在運(yùn)算放大器正輸入端，控制負(fù)載中流過(guò)的電流。采樣電阻R3將輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，供A／D轉(zhuǎn)換使用。設(shè)計(jì)中A／D轉(zhuǎn)換器和D／A轉(zhuǎn)換器的參考電壓均為2．5 V，輸出電路中流過(guò)的電流最大值為1 000 mA，因此正常情況下電阻阻值應(yīng)為2 500 mV／1 000 mA=2．5 Ω。
    考慮到系統(tǒng)的步進(jìn)功能，當(dāng)D／A轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸入加1時(shí)，其模擬輸出增加量。同時(shí)，采樣電阻上的電壓也相應(yīng)增加相同的數(shù)值，令其輸出電流增加0．5 mA，則計(jì)算得采樣電阻阻值為
   
    即D／A轉(zhuǎn)換器數(shù)字輸入量每增加數(shù)值1，恒流源輸出電流增加0．5 mA。因此為實(shí)現(xiàn)步進(jìn)功能，每按一次步進(jìn)“+”鍵，單片機(jī)送給D／A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字量D加2，從而輸出電流加1 mA，實(shí)現(xiàn)了電流步進(jìn)1 mA的要求。

2 軟件設(shè)計(jì)
    直流電子的軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)Msp430F169的相關(guān)模塊進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換、D／A轉(zhuǎn)換、液晶顯示以及I／O口控制。
2．1 系統(tǒng)主程序
    系統(tǒng)主程序主要是對(duì)相關(guān)模塊進(jìn)行初始化操作，然后對(duì)各模塊進(jìn)行函數(shù)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)直流電子負(fù)載的輸入、顯示和輸出操作。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

2．2 鍵盤(pán)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(duì)所按下的鍵值進(jìn)行相應(yīng)的程序處理。設(shè)計(jì)的直流電子負(fù)載的按鍵功能主要有設(shè)置相應(yīng)的電流值并及時(shí)顯示輸出的電流值、設(shè)置電壓調(diào)制率并能實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)調(diào)整率的大小。按鍵判斷子程序的流程圖如圖4所示。

2．3 A／D采集與轉(zhuǎn)換子程序
    Msp430F169內(nèi)部自帶12位A／D轉(zhuǎn)換模塊，所以在使用時(shí)只需對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)配置，然后啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，得到輸入模擬量相對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，然后通過(guò)液晶模塊顯示。A／D采集與轉(zhuǎn)換的程序流程圖如圖5所示。

3 測(cè)試結(jié)果及分析
    設(shè)計(jì)的直流電子負(fù)載實(shí)驗(yàn)室在常溫下測(cè)試，將直流穩(wěn)壓電源連接電子負(fù)載，在恒流模式下設(shè)定電流值，然后觀察實(shí)際測(cè)量到的電流值，檢驗(yàn)設(shè)置的電流值和測(cè)量的電流值是否一致。實(shí)測(cè)電流值如表1所示。

    由表1可以看出：只要給定了一個(gè)恒流源，無(wú)論輸入電壓如何變化，負(fù)載端電流總是恒等于給定的恒流值，流入電子負(fù)載的電壓隨被測(cè)直流電源的電壓變化而變化。

4 結(jié)束語(yǔ)
    通過(guò)試驗(yàn)可以看出，設(shè)計(jì)的直流電子負(fù)載達(dá)到了預(yù)定要求。同時(shí)設(shè)計(jì)采用了抗干擾措施和冗余技術(shù)，保證直流電子負(fù)載的安全穩(wěn)定運(yùn)行。