基于MSP430單片機(jī)的直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)

摘要：直流電子負(fù)載具有使用方便、靈活，功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，能夠很好的檢測(cè)直流穩(wěn)壓電源。因此人們對(duì)電子負(fù)載的需求越來越多，對(duì)其性能要求也越來越高。設(shè)計(jì)了一種高精度的電子負(fù)載，其主要由電子模塊、電子負(fù)載模塊、頻率切換模塊、采樣模塊、顯示模塊和電源模塊構(gòu)成。它是以MSP430單片機(jī)為控制中心，通過D/A的控制達(dá)到恒流值在一定范圍內(nèi)的控制，通過內(nèi)含A/D的采集模塊將實(shí)際的端電壓、端電流送回單片機(jī)控制模塊，還采用了PID控制算法，通過顯示模塊加以顯示電子負(fù)載參教。該直流電子負(fù)載具有精度達(dá)到±1%、分辨率高、實(shí)時(shí)測(cè)量、自動(dòng)測(cè)試等特點(diǎn)。

直流電子負(fù)載用于測(cè)試直流穩(wěn)壓電源、蓄電池等電源的性能，它可以模擬真實(shí)環(huán)境中的負(fù)載(用電器)。與傳統(tǒng)的模擬電阻性負(fù)載相比具有節(jié)能、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在電源、通訊、汽車、蓄電池等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，并成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種電子負(fù)載，有恒流和恒壓兩種模式，可手動(dòng)切換、恒流方式時(shí)要求。不論輸入電壓如何變化(在一定范圍內(nèi))，流過該電子負(fù)載的電流恒定，且電流值可設(shè)定。工作于恒壓方式時(shí)，電子負(fù)載端電壓保持恒定，且可設(shè)定。

1 理論分析與計(jì)算

1.1 電子負(fù)載恒流電路的分析

電子負(fù)載恒流電路是檢測(cè)到穩(wěn)壓電源電壓通過AD轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)通過PID算法送入顯示屏來顯示所測(cè)的電壓，通過AD后將送入單片機(jī)經(jīng)過TIV5616送入比較器LM358和三極管達(dá)到恒流的作用。

1.2 電壓、電流測(cè)量及精度分析

電壓測(cè)量是通過16位AD送入單片機(jī)直接送入顯示，而電流是通過AD送入單片機(jī)后再送入DA經(jīng)過比較器測(cè)量電流。精度是通過PID算法把所測(cè)量分為65536份進(jìn)一步進(jìn)行測(cè)試。

1.3 直流穩(wěn)壓電源的組成原理

直流穩(wěn)壓電源一般由變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓4個(gè)環(huán)節(jié)才能完成。電源變壓器是降壓變壓器，它將電網(wǎng)220 V交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。整流電路將交流電壓Ui變換成脈動(dòng)的直流電壓。再經(jīng)濾波電路濾除較大的紋波成分，輸出紋波較小的直流電壓U1。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。濾波電路可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓各濾波電容C滿足RL-C=(3～5)T/2，其中T為輸入交流信號(hào)周期，RL為整流濾波電路的等效負(fù)載電阻。穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網(wǎng)電壓和負(fù)載的變化而變化。

1.4 電源負(fù)載率的測(cè)試原理

電源負(fù)載的變化會(huì)引起電源輸出的變化，負(fù)載增加，輸出降低，相反負(fù)載減少，輸出升高。好的電源負(fù)載變化引起的輸出變化減到最低，通常指標(biāo)為3%～5%。

負(fù)載調(diào)整率是衡量電源好壞的指標(biāo)。好的電源輸出接負(fù)載時(shí)電壓降小。負(fù)載調(diào)整率=(滿載時(shí)輸出電壓-半載時(shí)輸出電壓)/額定負(fù)載時(shí)輸出電壓。整體系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 各部分硬件電路

2.1 恒流電路

恒流電路由12位D/A轉(zhuǎn)換器TLV5616IDR和LM358組成。12位D/A轉(zhuǎn)換器TLV5616IDR將單片機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，經(jīng)比較器LM358比較輸出控制三極管導(dǎo)通與截止，從而控制電路恒流。電路原理圖如圖2所示。

2.2 電壓與電流檢測(cè)電路

電壓與電流檢測(cè)電路由高精度A/D轉(zhuǎn)換器ADS1115IDGSR和電流并聯(lián)檢測(cè)器INA270組成。采用INA270檢測(cè)電流信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換器ADS1115 IDGSR將模擬的電壓電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字的電壓電流值。電路原理圖如圖3所示。

2.3 直流穩(wěn)壓電源

被測(cè)直流穩(wěn)壓電源主要由變壓部分，濾波部分，穩(wěn)壓部分組成，220 V交流電經(jīng)9 V變壓器降壓再通過電容濾波，穩(wěn)壓管7805穩(wěn)壓輸出5 V直流電。電路原理圖如圖4所示。

控制模塊由德州儀器產(chǎn)的單片機(jī)MSP430G2553用來處理采集模塊所采集的信號(hào)，單片機(jī)主要是通過PID算法來檢測(cè)電壓和電流，并信號(hào)送到恒流電路中進(jìn)一步達(dá)到控制恒流。MSP430G2553單片機(jī)控制引腳如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件流程圖如圖6所示。

PID控制器由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成。e(t)是調(diào)節(jié)器的輸入偏差，u(t)是調(diào)節(jié)器輸出的控制量。

其中Kp為比例系數(shù);Ti為積分時(shí)間常數(shù);Td為微分時(shí)間常數(shù)。

4 測(cè)試結(jié)果

在測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)，我們通過預(yù)設(shè)值與實(shí)際值、顯示值來比較，數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)上述測(cè)量數(shù)據(jù)，表明該直流電子負(fù)載具有較高的準(zhǔn)確度，同時(shí)還具有較好的操作界面，簡(jiǎn)易的操作方式等優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)束語

本文介紹了以MSP430G2553單片機(jī)為控制核心，給出了可以在恒流、恒壓兩種工作模式下的多功能直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)方案，該直流電子負(fù)載具有穩(wěn)定性好，測(cè)量精度高和操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)直流電源和一些功率電子元器件的特性進(jìn)行測(cè)試。