基于MSP430F149單片機的恒流電子負載系統設計

許 林， 王 俊， 岳 東， 王 悅， 鄭 蔚

（西南科技大學 信息工程學院 ，四川 綿陽 621000）

隨著現代電子技術的發展，恒流電子負載具有廣泛的應用，如工業自動化、機器人、智能儀表以及眾多數字控制電路中應用恒定電流器件，因此研究和開發恒流電子負載具有十分重要的現實意義。為得到一個高精度、穩定的恒流電子負載，采用運算放大器搭建V/I轉換電路，通過PID算法，當負載兩端的電壓發生變化時，及時調節控制電路的輸出電壓，從而達到調節電流的目的。把運放的正、反相輸入端與輸出端采用負反饋電路[1]，調節輸出電流與理論值相同，從而大大提高了輸出電流的精度。由于運放同相輸入端的信號來自數模轉換模塊[2]的輸出，保證了恒流電子負載的準確度。

1 系統總體設計

本系統以MSP430F149單片機為核心，包括了液晶顯示模塊、A/D轉換模塊、電壓檢測模塊、D/A轉換模塊、電流檢測模塊、V/I轉化恒流電路等。系統工作時，首先判斷電路是否開路設置，以控制電路的通斷；電流檢測模塊測量電路中的電流值；通過PID算法控制V/I恒流電路，使得負載中保持恒定電流。系統框圖[3]如圖1所示。

2 理論分析與計算

2.1 恒流電路分析

作為該系統的主要電路，V/I轉換恒流控制電路采用運算放大器與N溝道增強型CMOS管搭建，并使用阻值為50 mΩ的大功率精密電阻R7作為電流測量負載[4]，恒流控制電路[5]如圖2所示。根據虛短、虛斷的概念可得如下關系式：

圖1 系統框圖Fig.1 System block diagram

并且使 R4=R2=100 kΩ，R1=R5=2 kΩ。

由（1）、（2）公式可以推導出：V1-V2=Vin*（R5/R4）。

所以輸出的電流由Vin控制，代入數據關系得輸出電流I=Vin/（50*R7）。

該電路通過電流檢測[6]（使用MAX4173T作為主要電流檢測器件）、A/D轉化測量R7上的電流值，從而得到通過負載的電流值。使用反饋調節，將測得的電流值與設定的電流值進行比較，利用MCU進行PID算法調節、D/A轉化控制運算放大器U6的輸入，改變運算放大器U6的輸出值。改變場效應管Q1的Vgs，讓負載電流達到設定的期望值。采用閉環PID算法調節具有快速、準確的特點，并使系統具有良好的魯棒性。

圖2 恒流控制電路Fig.2 Constant current control circuit

2.2 電壓、電流測量及精度分析

為使負載電流精度為±1%，電流分辨率為10 mA，負載工作電流范圍為100~1 000 mA。設計中選用TI公司生產的16位DAC8550作為D/A轉換芯片，5 V電源作為參考時，則它的輸出范圍是0~5 V。由上述公式I=Vin/（50*R7），可以知道當選擇D/A輸出作為運放輸入Vin時，得到的負載電流范圍是0~2 A，符合設計的精度要求。

要求電壓測量分辨率為1 mV。那么所采用的A/D轉換芯片精度應該大于5/0.001=5 000（即應采用高于13位精度的A/D轉換芯片），所以本設計中選用TI公司生產的16位ADS1115作為A/D轉換芯片，它具有高速，高精度，低功耗等特點。

3 系統硬件設計與軟件設計

3.1 電源模塊

由于外部電源為12 V直流電源，系統中各模塊需要用到5 V和3.3 V電源模塊。選用LM2576作為5 V穩壓器件，LM2576可以提供開關穩壓器件的各種功能，如工作效率高，輸出電流大，輸出電壓穩定等。選用AMS1117作為3.3 V穩壓器件，它具有低壓差、高精度等特點，可以為MCU等提供穩定的電源。 5 V穩壓電路原理圖如圖3所示，3.3 V穩壓電路原理圖如圖4所示。

圖3 5V穩壓電路原理圖Fig.3 Schematic of 5V regulator circuit

圖4 3.3V穩壓電路原理圖Fig.4 Schematic of 3.3V regulator circuit

3.2 電流、電壓檢測模塊

選用MAX4173作為電流檢測芯片，按照如圖5所示搭建電路，其中使用5 V的電源供電，并且在接入電源的正負端并聯兩個不同大小的電容，對接入的電源起到濾波作用，降低電源的噪聲。第4、5腳分別為被測電阻（圖2中的R7）的正、負端，第6腳輸出與被測電流成正比關系的電壓信號，其關系式為：Vout=Gain*R*I。

電壓檢測采用電阻分壓的方式，在接入電源的2端串聯兩個電阻，其阻值分別為180 kΩ、20 kΩ，并分別在2個電阻旁并聯2個0.1 μF的電容，起到濾波作用，使分壓后的電壓在可測范圍內。然后把電阻分得的直流電壓經過一個用運算放大器搭建的電壓跟隨器，送往A/D采樣端口，經過計算即可得到直流負載電源的電壓值。電路圖如圖6所示。

圖5 電流檢測模塊電路Fig.5 Current detection module circuit

圖6 電壓檢測模塊電路Fig.6 Voltage detection module circuit

3.3 A/D、D/A轉換模塊

A/D轉換芯片選用TI公司生產具有內部基準的超小型、低功耗、16位模數轉換器ADS1115。ADS1115能夠以高達每秒860個采樣數據的速率執行轉換操作，具有一個內部可編程增益放大器（PGA），該 PGA可提供從電源電壓到低壓至±256 mV的輸入范圍，因而能夠以高分辨率來衡量大信號和小信號，提高檢測精度和范圍。ADS1115還具有一個輸入多路復用器（MUX），可提供2個差分輸入或4個單端輸入。ADS1115可工作于連續轉換模式或單觸發模式，后者在一個轉換完成之后將自動斷電，從而極大地降低了空閑狀態下的電流消耗。搭建電路圖如圖7所示。圖中OUT0是電流檢測的輸入端口，OUT1是電壓檢測的輸入端口。

D/A轉換[7]芯片選用TI公司生產的D/A轉換器DAC8550，DAC8550是一個小型低功耗、電壓輸出、16位數字模擬轉換器。它是單調的，具有良好的線性關系。DAC8550采用多功能，3線串行接口，工作時鐘速率可高達30 MHz。搭建電路如圖 8所示，圖中3、4引腳為D/A轉換后的模擬電壓輸出，用于恒流電路的輸入控制。

圖7 A/D轉換電路Fig.7 The A/D converter circuit

圖8 D/A轉換電路Fig.8 The D/A converter circuit

3.4 顯示模塊

顯示模塊采用龍丘公司生產的MiniLCD12864小液晶模塊，用于顯示系統所設置的相關參數和系統工作時的時事參數，便于更好的了解系統的工作情況。此塊液晶體積小，顯示明亮，通過對字符的編碼可以最多能顯示4行，每行顯示9個漢字，也能顯示8行ASC碼，每行21個字符，具有很大的顯示功效。該12864采用的是3.3 V電源供電，所需要的電流極小，具有低功耗的特點，而且它采用了串行數據傳輸的方式，大大節約了單片機的IO使用端口，從而減少了我們的設計成本。

3.5 程序設計

本系統采用MSP430F149單片機作為核心控制器件，軟件流程圖如圖9所示[8]。

圖9 系統軟件流程圖Fig.9 Flow chart of the software design

4 結 論

本系統設計的是以MSP430F149單片機為控制核心的直流電子負載設計，通過軟硬件結合的方式實現。硬件由V/I轉換恒流控制電路，軟件通過PID算法調節，能夠在電子負載兩端電壓變化的情況下，流過電子負載的電流為一個設定的恒定值。負載電流精度高，可調性好，并且能夠在液晶上實時顯示出系統參數信息，幫助實現參數的調節與整定。經測定表明，該系統可以用于各種恒流電路中，具有廣泛的應用前景。

[1]張勝高，張慶范，王思堯，等.基于TMS320F28335的恒流型饋能式電子負載的設計[J].電子設計工程，2012（10）:103-105.

ZHANG Sheng-gao，ZHANG Qing-fan，WANG Si-yao，et al.Design of a kind of constant-current energy-feedback electric loadbasedonTMS320F28335[J].ElectronicDesignEngineering，2012（10）:103-105.

[2]李先峰，王自強.饋能型直流電子負載數字化控制的研究[J].電力電子，2008（4）:16-20.

LI Xian-Feng，WANG Zi-qiang.The studey of digital control for energy recycling DC electronic load[J].Power Electronics，2008（4）:16-20.

[3]盧玉宇.恒流電子負載的創新設計與實現[J].閩江學院學報，2009（5）:40-43.

LU Yu-yu.Innovational design and implementation of constant current electronic load[J].Journal of Minjiang University，2009（5）:40-43.

[4]吳茂成.高精度寬范圍恒流源設計[J].電測與儀表，2011，48（1）：64-66.

WU Mao-cheng.Design of a high-presion wide range constant current source[J].Electrical Measuremen＆ Instrumentation，2011，48（1）：64-66.

[5]陳凱良，竺樹聲.恒流源及其應用電路[M].浙江：浙江科學技術出版社，1992.

[6]張薿文，吳云峰，胥嫏，等.多路輸出程控恒流源設計[J].電子設計工程，2010，（10）:130-132.

ZHANG Ni-wen，WU Yun-feng，XU Lang，et al.Design of multi-channel digital controlled current source[J].Electronic Design Engineering，2010（10）:130-132.

[7]宋亮，張帥，鄧貴亮.基于DAC7512的數控直流恒流源設計[J].電子設計工程，2010，（12）:138.

SONG Liang，ZHANG Shuai，DENG Gui-liang.Design of digital controlled-constant current source based on DAC7512[J].Electronic Design Engineering，2010（12）:138-141.

[8]榮軍，張敏，李一鳴，等.基于單片機的恒流源技術研究[J].電子器件，2011，34（1）:63-65.

RONG Jun，ZHANG Min，LI Yi-ming，et al.The technology study of constant current source based on SCM[J].Chinese Journal of Election Devices，2011，34（1）:63-65.