基于MSP430F149单片机的恒流电子负载系统设计

许 林， 王 俊， 岳 东， 王 悦， 郑 蔚

（西南科技大学 信息工程学院 ，四川 绵阳 621000）

随着现代电子技术的发展，恒流电子负载具有广泛的应用，如工业自动化、机器人、智能仪表以及众多数字控制电路中应用恒定电流器件，因此研究和开发恒流电子负载具有十分重要的现实意义。为得到一个高精度、稳定的恒流电子负载，采用运算放大器搭建V/I转换电路，通过PID算法，当负载两端的电压发生变化时，及时调节控制电路的输出电压，从而达到调节电流的目的。把运放的正、反相输入端与输出端采用负反馈电路[1]，调节输出电流与理论值相同，从而大大提高了输出电流的精度。由于运放同相输入端的信号来自数模转换模块[2]的输出，保证了恒流电子负载的准确度。

1 系统总体设计

本系统以MSP430F149单片机为核心，包括了液晶显示模块、A/D转换模块、电压检测模块、D/A转换模块、电流检测模块、V/I转化恒流电路等。系统工作时，首先判断电路是否开路设置，以控制电路的通断；电流检测模块测量电路中的电流值；通过PID算法控制V/I恒流电路，使得负载中保持恒定电流。系统框图[3]如图1所示。

2 理论分析与计算

2.1 恒流电路分析

作为该系统的主要电路，V/I转换恒流控制电路采用运算放大器与N沟道增强型CMOS管搭建，并使用阻值为50 mΩ的大功率精密电阻R7作为电流测量负载[4]，恒流控制电路[5]如图2所示。根据虚短、虚断的概念可得如下关系式：

图1 系统框图Fig.1 System block diagram

并且使 R4=R2=100 kΩ，R1=R5=2 kΩ。

由（1）、（2）公式可以推导出：V1-V2=Vin*（R5/R4）。

所以输出的电流由Vin控制，代入数据关系得输出电流I=Vin/（50*R7）。

该电路通过电流检测[6]（使用MAX4173T作为主要电流检测器件）、A/D转化测量R7上的电流值，从而得到通过负载的电流值。使用反馈调节，将测得的电流值与设定的电流值进行比较，利用MCU进行PID算法调节、D/A转化控制运算放大器U6的输入，改变运算放大器U6的输出值。改变场效应管Q1的Vgs，让负载电流达到设定的期望值。采用闭环PID算法调节具有快速、准确的特点，并使系统具有良好的鲁棒性。

图2 恒流控制电路Fig.2 Constant current control circuit

2.2 电压、电流测量及精度分析

为使负载电流精度为±1%，电流分辨率为10 mA，负载工作电流范围为100~1 000 mA。设计中选用TI公司生产的16位DAC8550作为D/A转换芯片，5 V电源作为参考时，则它的输出范围是0~5 V。由上述公式I=Vin/（50*R7），可以知道当选择D/A输出作为运放输入Vin时，得到的负载电流范围是0~2 A，符合设计的精度要求。

要求电压测量分辨率为1 mV。那么所采用的A/D转换芯片精度应该大于5/0.001=5 000（即应采用高于13位精度的A/D转换芯片），所以本设计中选用TI公司生产的16位ADS1115作为A/D转换芯片，它具有高速，高精度，低功耗等特点。

3 系统硬件设计与软件设计

3.1 电源模块

由于外部电源为12 V直流电源，系统中各模块需要用到5 V和3.3 V电源模块。选用LM2576作为5 V稳压器件，LM2576可以提供开关稳压器件的各种功能，如工作效率高，输出电流大，输出电压稳定等。选用AMS1117作为3.3 V稳压器件，它具有低压差、高精度等特点，可以为MCU等提供稳定的电源。 5 V稳压电路原理图如图3所示，3.3 V稳压电路原理图如图4所示。

图3 5V稳压电路原理图Fig.3 Schematic of 5V regulator circuit

图4 3.3V稳压电路原理图Fig.4 Schematic of 3.3V regulator circuit

3.2 电流、电压检测模块

选用MAX4173作为电流检测芯片，按照如图5所示搭建电路，其中使用5 V的电源供电，并且在接入电源的正负端并联两个不同大小的电容，对接入的电源起到滤波作用，降低电源的噪声。第4、5脚分别为被测电阻（图2中的R7）的正、负端，第6脚输出与被测电流成正比关系的电压信号，其关系式为：Vout=Gain*R*I。

电压检测采用电阻分压的方式，在接入电源的2端串联两个电阻，其阻值分别为180 kΩ、20 kΩ，并分别在2个电阻旁并联2个0.1 μF的电容，起到滤波作用，使分压后的电压在可测范围内。然后把电阻分得的直流电压经过一个用运算放大器搭建的电压跟随器，送往A/D采样端口，经过计算即可得到直流负载电源的电压值。电路图如图6所示。

图5 电流检测模块电路Fig.5 Current detection module circuit

图6 电压检测模块电路Fig.6 Voltage detection module circuit

3.3 A/D、D/A转换模块

A/D转换芯片选用TI公司生产具有内部基准的超小型、低功耗、16位模数转换器ADS1115。ADS1115能够以高达每秒860个采样数据的速率执行转换操作，具有一个内部可编程增益放大器（PGA），该 PGA可提供从电源电压到低压至±256 mV的输入范围，因而能够以高分辨率来衡量大信号和小信号，提高检测精度和范围。ADS1115还具有一个输入多路复用器（MUX），可提供2个差分输入或4个单端输入。ADS1115可工作于连续转换模式或单触发模式，后者在一个转换完成之后将自动断电，从而极大地降低了空闲状态下的电流消耗。搭建电路图如图7所示。图中OUT0是电流检测的输入端口，OUT1是电压检测的输入端口。

D/A转换[7]芯片选用TI公司生产的D/A转换器DAC8550，DAC8550是一个小型低功耗、电压输出、16位数字模拟转换器。它是单调的，具有良好的线性关系。DAC8550采用多功能，3线串行接口，工作时钟速率可高达30 MHz。搭建电路如图 8所示，图中3、4引脚为D/A转换后的模拟电压输出，用于恒流电路的输入控制。

图7 A/D转换电路Fig.7 The A/D converter circuit

图8 D/A转换电路Fig.8 The D/A converter circuit

3.4 显示模块

显示模块采用龙丘公司生产的MiniLCD12864小液晶模块，用于显示系统所设置的相关参数和系统工作时的时事参数，便于更好的了解系统的工作情况。此块液晶体积小，显示明亮，通过对字符的编码可以最多能显示4行，每行显示9个汉字，也能显示8行ASC码，每行21个字符，具有很大的显示功效。该12864采用的是3.3 V电源供电，所需要的电流极小，具有低功耗的特点，而且它采用了串行数据传输的方式，大大节约了单片机的IO使用端口，从而减少了我们的设计成本。

3.5 程序设计

本系统采用MSP430F149单片机作为核心控制器件，软件流程图如图9所示[8]。

图9 系统软件流程图Fig.9 Flow chart of the software design

4 结 论

本系统设计的是以MSP430F149单片机为控制核心的直流电子负载设计，通过软硬件结合的方式实现。硬件由V/I转换恒流控制电路，软件通过PID算法调节，能够在电子负载两端电压变化的情况下，流过电子负载的电流为一个设定的恒定值。负载电流精度高，可调性好，并且能够在液晶上实时显示出系统参数信息，帮助实现参数的调节与整定。经测定表明，该系统可以用于各种恒流电路中，具有广泛的应用前景。

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