基于STC單片機的智能電子負載

夏桂書

(中國民用航空飛行學院航空工程學院，四川廣漢 618307)

0 引言

電源測試在電源的設計和檢驗當中起著重要的作用，在電工電子實驗的教學中，常常需要對學生設計制作的各類電源進行測試。傳統(tǒng)的測試方法是外接功率電阻，通過改變電阻的阻值來改變負載電流，完成對電源帶負載能力的測試［1］。但是這種測試方法具有很大的局限性，不能方便地和連續(xù)地改變負載電流，在對負載電流測試的時候需要外接電流表，使測試過程變得復雜化［2］。現在比較先進的電源測試方法是通過專業(yè)電子負載進行。但目前市面上的電子負載大多價格昂貴，體積龐大。限制了大范圍的推廣和使用。

本文針對傳統(tǒng)測試方法和成品電子負載的不足，設計了一種簡單、實用、經濟性比較高的簡易直流恒流電子負載。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)以STC12C5616AD單片機為核心，通過按鍵設置放電電流和工作模式;通過A/D轉換電路檢測實際工作電流，和當前被測電源電壓;單片機控制D/A轉換電路的輸出電壓到恒流模塊，從而控制輸出電流，完成對輸出電流的設置和調節(jié);系統(tǒng)可通過液晶實時顯示當前電流、電壓和工作狀態(tài)，實現簡單化的電源測試［3-6］。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件組成

2.1 系統(tǒng)控制和顯示電路設計

本系統(tǒng)采用STC12C5616AD單片機作為系統(tǒng)控制部分，該單片機是51內核的新一代單片機。作為傳統(tǒng)51單片機的增強型，STC12C5616AD單片機能夠工作在單時鐘周期，極大地增加系統(tǒng)的運行速度。同時該單片機內部已經有復位電路，在低速設計中可免去外部復位電路，簡化系統(tǒng)設計。片上集成有16KB ROM和768B的RAM，充足的程序空間保證了實現數據處理和運算的要求。并且STC作為國產單片機，其價格優(yōu)勢，在對經濟性要求較高的系統(tǒng)中有較強的優(yōu)勢。

液晶顯示電路選用由PCD8544芯片驅動的LCD5110液晶。PCD8544是一種低功耗的CMOS液晶控制驅動器，設計為驅動48行84列的圖像顯示。由于其較高的集成度，所有的功能都集成在一塊芯片上，因此外部電路簡單，只需要很少的外部器件。同時LCD5110采用串行接口電路與單片機相連，簡化了電路設計，減少單片機I/O口的消耗。單片機和液晶顯示電路如圖2所示。

圖2 單片機和液晶顯示電路

2.2 功率控制電路

電子負載的功率控制部分采用運算放大器和MOSFET構成電流負反饋電路，電路如圖3所示。

圖3 功率控制電路

電路設計為了對較小的被測電壓也能達到較大的電流值，所以電流采樣電阻R8采用了阻值為0.01 Ω的無感電阻。因此當電流較小時，采用電壓較小，需要對小信號進行放大。由U2構成的放大電路完成對R8上的采用電壓的放大。U2的放大倍數由電阻R4和R7決定，U2的輸出電壓與輸入有如下關系:

為實現數字化的控制負載電流大小，DAC端口的電壓由D/A轉換輸出的電壓設定。輸出電流的準確性主要由R4、R7、R8的質量確定。元件選取時，因選用具有較低溫飄的精密電阻。同時運放的穩(wěn)定性也對輸出有較大影響，特別是在小電流時，運放的失調電壓會對電流造成較大影響。

2.3 電壓和電流檢測電路

系統(tǒng)在設計時加入電壓和電流檢測電路，實現了電壓電流的實時檢測和顯示。通過ADS1115模數轉換芯片，將檢測到的電壓電流模擬信號轉化成數字信號傳送給單片機，完成實時的顯示和其它控制。

電流檢測通過圖3中檢流電阻R8對負載電流進行檢測，將電流信號轉換成更加易于檢測的電壓信號，再經運放U2對檢測到的小信號放大。由式(3)可知，U2的輸出電壓與負載電流呈線性關系，因此可通過A/D轉換電路，檢測圖3中U2輸出端口的電壓，經單片機計算即可得到實際的電流值。

電壓的檢測通過電阻分壓實現。由于被測電源的電壓Uin+范圍為0～30 V，高于A/D轉換電路的測量范圍0～4.096 V，因此需要對電壓進行分壓。根據輸入電壓范圍和A/D轉換電路的測量電壓范圍有:

可求得分壓電阻R9與R10的比值為

由于測量范圍應略大于輸出范圍，因此比值應大于6.3 倍，為了方便計算，R9取160 kΩ，R10取20 kΩ。

2.4 A/D轉換電路

A/D轉換電路用作對電流和電壓檢測電路輸出的模擬信號的采集。本系統(tǒng)采用 TI公司生產的ADS1115芯片作為A/D轉換電路的核心芯片。該芯片為具有四個單端輸入的16位串行模數轉換芯片。由于該芯片具有16位的分辨率，因此可對電壓電流信號進行精確采樣。同時ADS1115具有內部PGA模塊，可根據輸入信號的大小選擇不同的內部參考電壓，實現小信號的精確測量［8-12］。

在設計A/D轉換電路時，為實現電流電壓檢測互不干擾，采用了四線測量方法。如圖4所示，電流檢測與電壓檢測通過不同的導線與被測電源連接。

圖4 四線測量示意圖

由于導線線電阻的存在，傳統(tǒng)兩線方法，測量電流時，A、B導線上的等效電阻RL會產生壓降，當電流越大時，影響越明顯。當引入兩條單獨的電壓測量線時，由于電壓測量線上的電流非常小，因此可以準確測得被測電源的電壓。

2.5 D/A轉換電路

本系統(tǒng)設計要求負載電流步進精度不低于10 mA，設置要求較高，因此選用TI公司生產的12位數模轉換芯片 TLV5616［13-14］。

D/A轉換電路如圖5所示。TLV5616具有四線SPI接口，與單片機通訊簡單，具有較高的轉換速率，和較高的準確度。TLV5616的供電電壓是2.7～5.5 V。并且有兩倍增益的輸出緩沖器，可以擴大輸出電壓范圍。

TLV5616需要外接參考電壓，本系統(tǒng)采用KA431作為TLV5616的參考電壓源。KA431是一種高精度的串聯電壓基準。它的外部電路簡單，當按圖5所示電路連接時，輸出電壓為其典型電壓值2.495V。由于其工作電流大于1 mA時才能達到穩(wěn)定工作狀態(tài)，因此電阻R的取值有如下關系:

得R＜2 505 Ω，所以R取1 kΩ能保證參考電壓的穩(wěn)定。

圖5 D/A轉換電路

3 軟件設計

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，系統(tǒng)軟件包括各模塊的驅動程序，輸入檢測和輸出控制功能的實現［15］。

3.1 系統(tǒng)主程序

主程序流程圖如圖6所示，當系統(tǒng)工作后，程序首先完成液晶、D/A轉換芯片和A/D轉換芯片的初始化，設定芯片的工作狀態(tài)和初始輸出值;然后等待用戶的按鍵輸入，系統(tǒng)根據輸入設定的工作模式的不同，進入相應的工作模式設定中;在不同的工作模式下，設置工作電流，電壓;當設置完成后，按下輸入鍵后，系統(tǒng)開始按設定工作模式工作，D/A轉換器根據需要輸出電壓控制恒流電路的電流值大小;A/D轉換電路將電路工作狀態(tài)實時傳輸給單片機，單片機根據這些信息控制液晶的顯示和其他操作。

圖6 主程序流程圖

3.2 系統(tǒng)的工作模式

通過程序設計，可實現電子負載的多種工作模式，根據需要選擇相應的工作模式。

在模式1下，直接設定放電電流和放電截止電壓。設置完成后，按下開始工作按鈕，系統(tǒng)按設定電流開始放電，放電電流恒定。當系統(tǒng)檢測到電壓低于截止電壓時，放電完成，負載電流變?yōu)?，等待用戶操作。在這種模式下，可以對電源進行長時間的帶負載能力測試，并且能夠監(jiān)視被測電源電壓，當被測電源電壓低于設定時，能夠保護被測電源。

同時這個工作模式也可作為蓄電池的放電器，它能夠保證蓄電池完成一次完整的放電過程，且不會造成蓄電池過放損壞蓄電池。

在模式2工作情況下，比模式1增加了放電時間設定。通過設置放電時間，定時停止測試，方便不同用戶的需求。

模式3是為測量電源的最大負載電流設定的。通過設定最大負載電流和放電截止電壓。系統(tǒng)可從最小的負載電流開始，以10 mA為步進，每0.5 s增加一次負載電流，直到到達設定的最大負載電流，或是被測電源電壓小于設置的截止電壓時，終止放電。這種工作模式可以測得電源的最大負載能力和負載調節(jié)能力。對于電源性能測試十分重要。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試采用實驗電源作為被測電源，將直流穩(wěn)壓電源接到電子負載的被測端，首先測試系統(tǒng)工作電流的準確性。調節(jié)負載設定不同工作電流，與實測電流和顯示電流進行比較。測試數據如表1所示。

表1 電流準確性測試

由表1可見，系統(tǒng)負載電流的準確性較高，并且在電流較大時，相對誤差會更小。

完成電流準確性測試后，接下來測試負載電流隨負載電壓變化的穩(wěn)定性。首先設定負載電流，將輸入電壓調節(jié)到不同電壓值，觀察電流變化，測試數據如表2所示。

從表2可看出，當電流設定之后，輸入電壓的改變對負載電流影響十分微弱，可以完全忽略其影響，因此該電子負載的恒流效果良好。

表2 恒流效果測試

5 結語

本電子負載達到了預定設計要求，測試精度高，穩(wěn)定性好，同時具有使用簡單，經濟性好的特點。滿足各類基礎電類實驗室的使用需求，具有很強的應用推廣價值和良好的市場前景。

［1］劉 磊.基于MSP430單片機的直流電子負載設計［J］.電子科技，2013，26(2):25-27.

LIU Lei.Design ofDC ElectronicLoad Based on Msp430 Microcontroller［J］.Electronic Sci＆ Tech，2013，26(2):25-27.

［2］李群芳，張士軍.單片微型計算機與接口技術［M］.3版.北京:電子工業(yè)出版社，2008.24.

［3］田俊杰.基于場效應管的恒流源設計［J］.中國測試，2009，35(1):118-121.

TIAN Jun-jie.Design of Constant Current Power Based on FET［J］.China Measurement＆ Test，2009，35(1):118-121.

［4］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)，2008，22(2):24-27.

DING Rui-xia，MA Xiu-kun.Design of Intelligent Electronic Load Base on ATmega16［J］.Journal of Shanxi Normal University Natural Science Edition，2008，22(2):24-27.

［5］王明明，戴陶珍.智能直流電子負載的研制［J］.電子質量，2012，32(12):9-11.

WANG Ming-ming，DAI Tao-zhen.Development of Intelligent DC Electronic Load［J］.Electronics Quality，2012，32(12):9-11.

［6］高 佳.直流電子負載的校準和不確定度分析［J］.計量與測試技術，2010，37(8):72-73.

GAO Jia.Calibration and Uncertainty Analysis of the DC Electronic Loads［J］.Metrology ＆ Measurement Technique，2010，37(8):72-73.

［7］季浚濤，姚小翔，施 敏.基于LM3S8962的簡易恒流電子負載［J］.南通大學學報(自然科學版)，2012，11(4):13-17.

JI Jun-tao，YAO Xiao-xiang，SHI Min.Electronic Load of a Simple Constant-Current Mode Based on LM3S8962 ［J］.Journal of Nantong University Natural Science Edition，2012，11(4):13-17.

［8］李 潔，劉 沖.直流電子負載校準技術研究［J］.微計算機信息，2012，28(10):235-237.

LI Jie，LIU Chong.Research on Calibrating Method of DC Electronic Load［J］.Microcomputer Information，2012，28(10):235-237.

［9］王 超，劉志剛，深茂盛.模塊化電子模擬功率負載系統(tǒng)的設計［J］.電子運用，2005，24(9):54-57.

WANG Chao，LIU Zhi-gang，SHEN Mao-sheng.System Design of Modularized Electronic Power Load ［J］. Electrotechnical Application，2005，24(9):54-57.

［10］沈 宏，呂 強.淺談直流電子負載［J］.企業(yè)標準化，2008，27(9):16-17.

SHEN Hong，LV Qiang.Brief probe into DC Electronic Load ［J］.Brand＆ Standardization，2008，27(9):16-17.

［11］張岳同.太陽能電池板綜合測試系統(tǒng)的研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學，2012.

［12］李玉偉.基于模糊控制的高精度數控恒流源設計［J］.科技信息，2013(29):141-143.

LI Yu-wei.The Design of Constant Current Source with High Precision Digital Control Based on Fuzzy Control［J］.Science ＆Technology Information，2013(29):141-143.

［13］張洪川，滕召勝.低功耗單電源壓控精密恒流源設計［J］.儀器儀表學報，2008，29(12):2678-2682.

ZHANG Hong-chuan，TENG Zhao-sheng. Design ofPrecision Voltage-Controlled ConstantCurrentSource with Low Power Dissipation Single-Supply［J］.Chinese JournalofScientific Instrument，2008，29(12):2678-2682.

［14］李富華，趙 敏.航空發(fā)電機測試用交流電子負載的研究［J］.電氣自動化，2009，31(4):57-59.

LI Fuhua，ZHOU Min.Research on AC Electronic Load for Aviation Generator Testing［J］.Measurement＆ Detecting Technics，2009，31(4):57-59.

［15］龍厚濤，侯振義.非線性電子負載特性研究［J］.電源世界，2011，14(6):25-28.

LONG Hou-tao，HOU Zhen-yi.Research on the Characteristic of the Nonlinear Electronic Load［J］.The World of Power Supply，2011，14(6):25-28.