一種基于MSP430的直流電子負載設計方案

摘要：直流電子負載具有使用方便、靈活，功能強大等特點，能夠很好的檢測直流穩壓電源。因此人們對電子負載的需求越來越多，對其性能要求也越來越高。設計了一種高精度的電子負載，其主要由電子模塊、電子負載模塊、頻率切換模塊、采樣模塊、顯示模塊和電源模塊構成。它是以MSP430單片機為控制中心，通過D/A的控制達到恒流值在一定范圍內的控制，通過內含A/D的采集模塊將實際的端電壓、端電流送回單片機控制模塊，還采用了PID控制算法，通過顯示模塊加以顯示電子負載參教。該直流電子負載具有精度達到±1%、分辨率高、實時測量、自動測試等特點。

直流電子負載用于測試直流穩壓電源、蓄電池等電源的性能，它可以模擬真實環境中的負載(用電器)。與傳統的模擬電阻性負載相比具有節能、體積小、效率高等優點，在電源、通訊、汽車、蓄電池等領域有廣泛的應用，并成為當前研究的熱點。本文設計了一種電子負載，有恒流和恒壓兩種模式，可手動切換、恒流方式時要求。不論輸入電壓如何變化(在一定范圍內)，流過該電子負載的電流恒定，且電流值可設定。工作于恒壓方式時，電子負載端電壓保持恒定，且可設定。

1 理論分析與計算

1.1 電子負載恒流電路的分析

電子負載恒流電路是檢測到穩壓電源電壓通過AD轉換后送入單片機通過PID算法送入顯示屏來顯示所測的電壓，通過AD后將送入單片機經過TIV5616送入比較器LM358和三極管達到恒流的作用。

1.2 電壓、電流測量及精度分析

電壓測量是通過16位AD送入單片機直接送入顯示，而電流是通過AD送入單片機后再送入DA經過比較器測量電流。精度是通過PID算法把所測量分為65536份進一步進行測試。

1.3 直流穩壓電源的組成原理

直流穩壓電源一般由變壓、整流、濾波、穩壓4個環節才能完成。電源變壓器是降壓變壓器，它將電網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變換成脈動的直流電壓。再經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為輸入交流信號周期，RL為整流濾波電路的等效負載電阻。穩壓電路：穩壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩定，不隨交流電網電壓和負載的變化而變化。

1.4 電源負載率的測試原理

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

負載調整率是衡量電源好壞的指標。好的電源輸出接負載時電壓降小。負載調整率=(滿載時輸出電壓-半載時輸出電壓)/額定負載時輸出電壓。整體系統總體框圖如圖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轉換器TLV5616IDR和LM358組成。12位D/A轉換器TLV5616IDR將單片機輸出的數字信號轉換為模擬信號，經比較器LM358比較輸出控制三極管導通與截止，從而控制電路恒流。電路原理圖如圖2所示。

2.2 電壓與電流檢測電路

電壓與電流檢測電路由高精度A/D轉換器ADS1115IDGSR和電流并聯檢測器INA270組成。采用INA270檢測電流信號，A/D轉換器ADS1115 IDGSR將模擬的電壓電流轉換為數字的電壓電流值。電路原理圖如圖3所示。

2.3 直流穩壓電源

被測直流穩壓電源主要由變壓部分，濾波部分，穩壓部分組成，220 V交流電經9 V變壓器降壓再通過電容濾波，穩壓管7805穩壓輸出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的單片機MSP430G2553用來處理采集模塊所采集的信號，單片機主要是通過PID算法來檢測電壓和電流，并信號送到恒流電路中進一步達到控制恒流。MSP430G2553單片機控制引腳如圖5所示。

3 軟件設計

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)是調節器的輸入偏差，u(t)是調節器輸出的控制量。

其中Kp為比例系數;Ti為積分時間常數;Td為微分時間常數。

4 測試結果

在測試數據時，我們通過預設值與實際值、顯示值來比較，數據如表1所示。

根據上述測量數據，表明該直流電子負載具有較高的準確度，同時還具有較好的操作界面，簡易的操作方式等優點。

5 結束語

本文介紹了以MSP430G2553單片機為控制核心，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載設計方案，該直流電子負載具有穩定性好，測量精度高和操作簡單等特點，可以實現對被測直流電源和一些功率電子元器件的特性進行測試。