基于MSP430单片机的直流电子负载设计

摘要：直流电子负载具有使用方便、灵活，功能强大等特点，能够很好的检测直流稳压电源。因此人们对电子负载的需求越来越多，对其性能要求也越来越高。设计了一种高精度的电子负载，其主要由电子模块、电子负载模块、频率切换模块、采样模块、显示模块和电源模块构成。它是以MSP430单片机为控制中心，通过D/A的控制达到恒流值在一定范围内的控制，通过内含A/D的采集模块将实际的端电压、端电流送回单片机控制模块，还采用了PID控制算法，通过显示模块加以显示电子负载参教。该直流电子负载具有精度达到±1%、分辨率高、实时测量、自动测试等特点。

直流电子负载用于测试直流稳压电源、蓄电池等电源的性能，它可以模拟真实环境中的负载(用电器)。与传统的模拟电阻性负载相比具有节能、体积小、效率高等优点，在电源、通讯、汽车、蓄电池等领域有广泛的应用，并成为当前研究的热点。本文设计了一种电子负载，有恒流和恒压两种模式，可手动切换、恒流方式时要求。不论输入电压如何变化(在一定范围内)，流过该电子负载的电流恒定，且电流值可设定。工作于恒压方式时，电子负载端电压保持恒定，且可设定。

1 理论分析与计算

1.1 电子负载恒流电路的分析

电子负载恒流电路是检测到稳压电源电压通过AD转换后送入单片机通过PID算法送入显示屏来显示所测的电压，通过AD后将送入单片机经过TIV5616送入比较器LM358和三极管达到恒流的作用。

1.2 电压、电流测量及精度分析

电压测量是通过16位AD送入单片机直接送入显示，而电流是通过AD送入单片机后再送入DA经过比较器测量电流。精度是通过PID算法把所测量分为65536份进一步进行测试。

1.3 直流稳压电源的组成原理

直流稳压电源一般由变压、整流、滤波、稳压4个环节才能完成。电源变压器是降压变压器，它将电网220 V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。整流电路将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压U1。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。滤波电路可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压各滤波电容C满足RL-C=(3～5)T/2，其中T为输入交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。

1.4 电源负载率的测试原理

电源负载的变化会引起电源输出的变化，负载增加，输出降低，相反负载减少，输出升高。好的电源负载变化引起的输出变化减到最低，通常指标为3%～5%。

负载调整率是衡量电源好坏的指标。好的电源输出接负载时电压降小。负载调整率=(满载时输出电压-半载时输出电压)/额定负载时输出电压。整体系统总体框图如图1所示。

2 各部分硬件电路

2.1 恒流电路

恒流电路由12位D/A转换器TLV5616IDR和LM358组成。12位D/A转换器TLV5616IDR将单片机输出的数字信号转换为模拟信号，经比较器LM358比较输出控制三极管导通与截止，从而控制电路恒流。电路原理图如图2所示。

2.2 电压与电流检测电路

电压与电流检测电路由高精度A/D转换器ADS1115IDGSR和电流并联检测器INA270组成。采用INA270检测电流信号，A/D转换器ADS1115 IDGSR将模拟的电压电流转换为数字的电压电流值。电路原理图如图3所示。

2.3 直流稳压电源

被测直流稳压电源主要由变压部分，滤波部分，稳压部分组成，220 V交流电经9 V变压器降压再通过电容滤波，稳压管7805稳压输出5 V直流电。电路原理图如图4所示。

控制模块由德州仪器产的单片机MSP430G2553用来处理采集模块所采集的信号，单片机主要是通过PID算法来检测电压和电流，并信号送到恒流电路中进一步达到控制恒流。MSP430G2553单片机控制引脚如图5所示。

3 软件设计

软件流程图如图6所示。

PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。e(t)是调节器的输入偏差，u(t)是调节器输出的控制量。

其中Kp为比例系数;Ti为积分时间常数;Td为微分时间常数。

4 测试结果

在测试数据时，我们通过预设值与实际值、显示值来比较，数据如表1所示。

根据上述测量数据，表明该直流电子负载具有较高的准确度，同时还具有较好的操作界面，简易的操作方式等优点。

5 结束语

本文介绍了以MSP430G2553单片机为控制核心，给出了可以在恒流、恒压两种工作模式下的多功能直流电子负载设计方案，该直流电子负载具有稳定性好，测量精度高和操作简单等特点，可以实现对被测直流电源和一些功率电子元器件的特性进行测试。