基于Msp430单片机的直流电子负载设计

摘要 以Msp430F169单片机为控制芯片，通过设计外围键盘液晶显示模块、A／D采集输入电路、D／A转换输出电路、多路电源输出模块和恒流源输出电路，配合系统软件设计，制作了一款可靠实用的直流电子负载。经实验测试，该直流电子负载可靠性好、测量精确度高、抗干扰能力强，具有较强的实用价值。
关键词 Msp430F169；电子负载；恒流源

    传统的负载检测将电阻、电容以及电感等串并联组合模拟实际负载，这种做法负载形式单一、大小不能连续调节，且占用较大安装空间，电能损耗大。直流电子负载克服了传统负载的缺点，不仅能够精确检测负载电压、调整负载电流，同时还可以实现模拟负载短路。直流电子负载已成为开关电源相关设备调试检测中的重要仪器。
    文中设计了一款简易的直流电子负载，采用Msp430F169微控制器作为程序和算法控制单元，配合基于MOSFET的恒流源电路，实现了直流电流输出和负载电压调制率测量的功能。

1 系统总体框图和工作原理
1．1 系统总体框图
    根据直流电子负载的基本功能要求以及工作原理，系统主要包括：4 x 4键盘模块、电源模块、LCD12864显示模块、MCU控制模块、恒流源模块和电流、电压采集模块组成。系统总体框图如图1所示。

1．2 直流电子负载工作原理
    直流电子负载的设计基于电流反馈控制原理，采用运算放大器和MOSFET进行设计。具体设计原理图如图2所示。

    其工作原理为：当给定一个信号Vin时，如果R3上的电压<Vin，即运放OPA2227的V->V+，则OPA2227输出减小，也就降低了R3上的导通电流；反之，R3上的电流增加。如此反复调整，最终R3支路上的电流维持恒定值，达到恒流的效果。R3上的电流值等于Vin／R3，改变Vin可改变恒流值。Vin的值可用电位调节输入或用DAC芯片输出。

    文中设计的恒流源输出电流最大1 A，Vo端电压最大18 V，最大功率18 W。实际设计过程中考虑到散热问题，采用4个IRF640并联连接方式。
    如图2所示，D／A转换器输出电压加在运算放大器正输入端，控制负载中流过的电流。采样电阻R3将输出电流转换为电压信号，供A／D转换使用。设计中A／D转换器和D／A转换器的参考电压均为2．5 V，输出电路中流过的电流最大值为1 000 mA，因此正常情况下电阻阻值应为2 500 mV／1 000 mA=2．5 Ω。
    考虑到系统的步进功能，当D／A转换的数字输入加1时，其模拟输出增加量。同时，采样电阻上的电压也相应增加相同的数值，令其输出电流增加0．5 mA，则计算得采样电阻阻值为
   
    即D／A转换器数字输入量每增加数值1，恒流源输出电流增加0．5 mA。因此为实现步进功能，每按一次步进“+”键，单片机送给D／A转换器的输入数字量D加2，从而输出电流加1 mA，实现了电流步进1 mA的要求。

2 软件设计
    直流电子的软件设计主要是对Msp430F169的相关模块进行初始化，然后进行A／D转换、D／A转换、液晶显示以及I／O口控制。
2．1 系统主程序
    系统主程序主要是对相关模块进行初始化操作，然后对各模块进行函数调用，实现直流电子负载的输入、显示和输出操作。系统主程序流程图如图3所示。

2．2 键盘子程序
    按键处理程序的功能是判断是否有键被按下，然后针对所按下的键值进行相应的程序处理。设计的直流电子负载的按键功能主要有设置相应的电流值并及时显示输出的电流值、设置电压调制率并能实时显示相应调整率的大小。按键判断子程序的流程图如图4所示。

2．3 A／D采集与转换子程序
    Msp430F169内部自带12位A／D转换模块，所以在使用时只需对其进行相应配置，然后启动A／D转换，得到输入模拟量相对应的数字量，然后通过液晶模块显示。A／D采集与转换的程序流程图如图5所示。

3 测试结果及分析
    设计的直流电子负载实验室在常温下测试，将直流稳压电源连接电子负载，在恒流模式下设定电流值，然后观察实际测量到的电流值，检验设置的电流值和测量的电流值是否一致。实测电流值如表1所示。

    由表1可以看出：只要给定了一个恒流源，无论输入电压如何变化，负载端电流总是恒等于给定的恒流值，流入电子负载的电压随被测直流电源的电压变化而变化。

4 结束语
    通过试验可以看出，设计的直流电子负载达到了预定要求。同时设计采用了抗干扰措施和冗余技术，保证直流电子负载的安全稳定运行。