基于單片機的直流電子負載的設計

趙亞光，李 靜

(承德石油高等專科學校后勤集團，河北 承德 067000)

各種家用電器和自動化設備都必須要有性能穩定的電源為其提供電能，如為汽車或電動車使用的鉛酸蓄電池、手機采用的鎳鎘電池或鋰電池等。這些產品在出廠前都需要進行各種帶載實驗[1］，以考核它們的精確度、穩定性和壽命等指標。由于不同電源和電池需要的測試負載不同，即便是同一種電源也可能需要不同的負載甚至特殊負載對其進行全面的測試，因此，測試負載在電源產品出廠前性能測試中占有重要地位。隨著單片機產品性能不斷完善和成熟，結合STC12C5A60S2單片機的處理速度快、低功耗、超強抗干擾等特點[2］，將其應用于直流電阻負載的設計中，設計出一款智能化的負載。它可以模擬各種不同類型的負載，包括傳統的電阻、電感、電容及其組合負載，還能模擬恒流、恒壓、恒阻負載等，盡而解決傳統負載在電源產品性能測試存在的問題。

1 電子負載總體設計及原理

1.1 電子負載的總體設計

直流電子負載系統中，STC12C5A60S2單片機作為整個系統的控制核心，并采用功率晶體管作為電子負載，STC12C5A60S2通過D/A轉換電路輸出電壓控制信號，信號經過運算放大器調整后，通過調節功率晶體管的基極電壓，把功率管模擬成負載使用[3］，其原理如圖1所示。

選用功率晶體管作為電子負載，晶體管集電極電流的總和為該負載的電流。通過控制晶體管的基極電流獲得所需的集電極電流，并將消耗的功率轉化為熱能，通過散熱器消耗熱能進而實現電能的消耗。

故障檢測主要用于功率負載電路是否發生異常，如檢測被測電源反接、電流電壓過大、溫度過高等。同時，在溫度比較高時開啟風扇改善散熱，在異常發生時斷開功率負載電路以保護系統安全穩定。

人機接口包括液晶顯示和鍵盤輸入功能，主要用于顯示運行數據，選擇工作模式，并設定該工作模式下的值。

1.2 電子負載的原理

傳統測試中，常采用靜態負載進行電源出廠前性能檢測。實際上負載的形式較為復雜，常為一些動態負載。如:負載消耗的功率是時間的函數，或者負載工作在恒定電流、恒定電阻、恒定電壓方式及不同的功率因數、峰值因數或瞬時短路等[4］，傳統電阻式負載無法模擬這些復雜的負載形式。電子負載的出現解決了這一難題，它能替代傳統的電阻性負載。

穩態下，直流電源只有阻性負荷;動態下分為阻感性負荷(如圖2中a所示)和阻容負載(如圖2中的b所示)，設被測試電源的輸出電壓為ud，方框內是等效的模擬阻感負載和阻容負載的負載單元[5、6］。

由圖2可知:

由(1)(2)可知:

由(3)(4)可知，根據負載電流IRL、IRC的變化規律，負載可以分為模擬恒流、模擬恒壓和模擬恒阻三個模式。直流電子負載利用負載模擬方法，即采用對負載電流調節方法，使可調節電流與檢測的輸入電壓滿足一定的規律，當負載電流和非線性負載電流特性曲線近似的情況下，即可模擬非線性負載。

2 電子負載的硬件設計

STC12C5A60S2系列單片機具有高速、低功耗、超強抗干擾等特點，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍。內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換(250K/S)。芯片自帶的PWM和高速A/D轉換可以滿足設計所需的快速參數調節和采樣精度要求。

2.1 采樣電路的設計

為了減小測量小電流的誤差，將電流測量分為0～50 A、0～5 A、0～0.5 A、0～0.05 A 四個量程。為了保證放大器在不同測量范圍時的輸出電壓具有穩定的放大倍數，因此，放大器的輸入電阻Ri?Rd。為了滿足這個要求采用了由三個運放組成的放大電路(見圖3)。

電壓采樣電路是通過分壓器得到的電壓信號，具體電路與電流采樣電路相似。

2.2 功率控制電路的設計

電子負載的功率控制電路主要包括功率晶體管、運放等組成負反饋控制環路。這是整個系統設計的核心，也是電子負載的核心部分。

因16位的數模轉換器MAX5444具有轉換速度快、兼容串行接口等特點作為D/A轉換電路，串行接口連接至STC12C5A60S2的外設接口。

2.3 故障檢測電路的設計

故障檢測電路主要用于檢測被測電源的電流電壓過大、反接、溫度過高等。

反接、過流、過壓檢測電路使用比較器LM393芯片，將故障檢測輸入端接芯片輸入負端，基準電壓接輸入芯片正端。正常狀態時LM393輸出高電平，發生異常時，LM393會因為負端電壓大于基準電壓而輸出低電平。進而使STC12C5A60S2通過采集對應的高低電平跳變來采取相應的報警保護措施。

溫度檢測電路使用測溫芯片TMP101，其使用兩線式串行總線數字接口，可自行選擇的9～12位分辨率。STC12C5A60S2通過接口對其進行設置和讀取溫度的操作。

3 電子負載的軟件設計

3.1 主程序設計

主程序軟件流程如圖4所示。在圖4中系統首先進行D/A、A/D、液晶顯示、控制變量的初始化，然后調用鍵盤掃描處理程序，在沒有按下自動調節按鍵時，默認為功能設置，此時單片機只預置數據輸入、按鍵查詢、預置數據顯示等功能;而當按下自動調節按鍵1次后，單片機將轉為執行負載調節、A/D采集、PWM參數調節、實際數據顯示等功能(如圖5所示)。

運行工作程序實時地檢測被測電源功率負載回路的電流、電壓值，根據預設定工作模式參數，STC12C5A60S2單片機將采集的數值進行增量式PID運算，自動調節PWM調制信號的占空比來控制功率晶體管的導通時間，快速調整D/A輸出使實際值與設定值保持一致。通過對被測電流電壓的控制，實現直流電子負載使被測電源工作在恒流、恒壓和恒阻的工作模式。

增量式PID控制算法如下[7］:

3.2 測試

利用信號示波器、DT－9205數字萬用表、數字合成信號發生器各1臺對系統進行測試。測試數據如圖6所示。其技術指標為:電壓范圍0～50 V，電流范圍0.1～10 A，最大負載電阻1 000Ω。

由圖6可以看出，直流電子負載系統的運行較為平穩，工作模式之間能夠良好切換，運行工作模式較為穩定。同時，電流波形響應速度較快，超調量小，精度均小于5%。

4 結論

基于STC12C5A60S2低功耗、高速處理單片機設計的直流電子負載，基本實現恒流、恒壓及恒阻等工作模式的調節和控制。通過測試數據證明，直流電子負載具有輸出電壓時電流調節范圍大、響應快、硬件電路簡單、易調試等優點，適用于多種測試模式，同時提供一種新的設計思路改善普通電子負載精確度不高的缺陷，該負載基本達到預定的設計要求。

[1]朱金剛.智能電子負載的設計[J］.實驗技術與管理，2006，23(6):26－29.

[2]蔣益飛，周杏鵬.基于STM32直流電子負載的設計與實現[J］.儀器儀表用戶，2012，19(3):68－70.

[3]鐘叔明.一種切換高壓直流負載繼電器設計方案[J］.電氣技術，2009(11):32－36.

[4]丁銳霞.新型電子負載的研究[D］.北京:北方工業大學.2008.

[5]武恒寶.直流電子負載的設計與實現[D］.保定:河北大學.2014.

[6]盧玉宇.恒流電子負載的創新設計與實現[J］.閩江學院學報，2009，30(5):40－43.

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