基于STC单片机的智能电子负载

夏桂书

(中国民用航空飞行学院航空工程学院，四川广汉 618307)

0 引言

电源测试在电源的设计和检验当中起着重要的作用，在电工电子实验的教学中，常常需要对学生设计制作的各类电源进行测试。传统的测试方法是外接功率电阻，通过改变电阻的阻值来改变负载电流，完成对电源带负载能力的测试［1］。但是这种测试方法具有很大的局限性，不能方便地和连续地改变负载电流，在对负载电流测试的时候需要外接电流表，使测试过程变得复杂化［2］。现在比较先进的电源测试方法是通过专业电子负载进行。但目前市面上的电子负载大多价格昂贵，体积庞大。限制了大范围的推广和使用。

本文针对传统测试方法和成品电子负载的不足，设计了一种简单、实用、经济性比较高的简易直流恒流电子负载。

1 系统组成

系统以STC12C5616AD单片机为核心，通过按键设置放电电流和工作模式;通过A/D转换电路检测实际工作电流，和当前被测电源电压;单片机控制D/A转换电路的输出电压到恒流模块，从而控制输出电流，完成对输出电流的设置和调节;系统可通过液晶实时显示当前电流、电压和工作状态，实现简单化的电源测试［3-6］。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2 硬件组成

2.1 系统控制和显示电路设计

本系统采用STC12C5616AD单片机作为系统控制部分，该单片机是51内核的新一代单片机。作为传统51单片机的增强型，STC12C5616AD单片机能够工作在单时钟周期，极大地增加系统的运行速度。同时该单片机内部已经有复位电路，在低速设计中可免去外部复位电路，简化系统设计。片上集成有16KB ROM和768B的RAM，充足的程序空间保证了实现数据处理和运算的要求。并且STC作为国产单片机，其价格优势，在对经济性要求较高的系统中有较强的优势。

液晶显示电路选用由PCD8544芯片驱动的LCD5110液晶。PCD8544是一种低功耗的CMOS液晶控制驱动器，设计为驱动48行84列的图像显示。由于其较高的集成度，所有的功能都集成在一块芯片上，因此外部电路简单，只需要很少的外部器件。同时LCD5110采用串行接口电路与单片机相连，简化了电路设计，减少单片机I/O口的消耗。单片机和液晶显示电路如图2所示。

图2 单片机和液晶显示电路

2.2 功率控制电路

电子负载的功率控制部分采用运算放大器和MOSFET构成电流负反馈电路，电路如图3所示。

图3 功率控制电路

电路设计为了对较小的被测电压也能达到较大的电流值，所以电流采样电阻R8采用了阻值为0.01 Ω的无感电阻。因此当电流较小时，采用电压较小，需要对小信号进行放大。由U2构成的放大电路完成对R8上的采用电压的放大。U2的放大倍数由电阻R4和R7决定，U2的输出电压与输入有如下关系:

为实现数字化的控制负载电流大小，DAC端口的电压由D/A转换输出的电压设定。输出电流的准确性主要由R4、R7、R8的质量确定。元件选取时，因选用具有较低溫飘的精密电阻。同时运放的稳定性也对输出有较大影响，特别是在小电流时，运放的失调电压会对电流造成较大影响。

2.3 电压和电流检测电路

系统在设计时加入电压和电流检测电路，实现了电压电流的实时检测和显示。通过ADS1115模数转换芯片，将检测到的电压电流模拟信号转化成数字信号传送给单片机，完成实时的显示和其它控制。

电流检测通过图3中检流电阻R8对负载电流进行检测，将电流信号转换成更加易于检测的电压信号，再经运放U2对检测到的小信号放大。由式(3)可知，U2的输出电压与负载电流呈线性关系，因此可通过A/D转换电路，检测图3中U2输出端口的电压，经单片机计算即可得到实际的电流值。

电压的检测通过电阻分压实现。由于被测电源的电压Uin+范围为0～30 V，高于A/D转换电路的测量范围0～4.096 V，因此需要对电压进行分压。根据输入电压范围和A/D转换电路的测量电压范围有:

可求得分压电阻R9与R10的比值为

由于测量范围应略大于输出范围，因此比值应大于6.3 倍，为了方便计算，R9取160 kΩ，R10取20 kΩ。

2.4 A/D转换电路

A/D转换电路用作对电流和电压检测电路输出的模拟信号的采集。本系统采用 TI公司生产的ADS1115芯片作为A/D转换电路的核心芯片。该芯片为具有四个单端输入的16位串行模数转换芯片。由于该芯片具有16位的分辨率，因此可对电压电流信号进行精确采样。同时ADS1115具有内部PGA模块，可根据输入信号的大小选择不同的内部参考电压，实现小信号的精确测量［8-12］。

在设计A/D转换电路时，为实现电流电压检测互不干扰，采用了四线测量方法。如图4所示，电流检测与电压检测通过不同的导线与被测电源连接。

图4 四线测量示意图

由于导线线电阻的存在，传统两线方法，测量电流时，A、B导线上的等效电阻RL会产生压降，当电流越大时，影响越明显。当引入两条单独的电压测量线时，由于电压测量线上的电流非常小，因此可以准确测得被测电源的电压。

2.5 D/A转换电路

本系统设计要求负载电流步进精度不低于10 mA，设置要求较高，因此选用TI公司生产的12位数模转换芯片 TLV5616［13-14］。

D/A转换电路如图5所示。TLV5616具有四线SPI接口，与单片机通讯简单，具有较高的转换速率，和较高的准确度。TLV5616的供电电压是2.7～5.5 V。并且有两倍增益的输出缓冲器，可以扩大输出电压范围。

TLV5616需要外接参考电压，本系统采用KA431作为TLV5616的参考电压源。KA431是一种高精度的串联电压基准。它的外部电路简单，当按图5所示电路连接时，输出电压为其典型电压值2.495V。由于其工作电流大于1 mA时才能达到稳定工作状态，因此电阻R的取值有如下关系:

得R＜2 505 Ω，所以R取1 kΩ能保证参考电压的稳定。

图5 D/A转换电路

3 软件设计

系统软件采用C语言编写，系统软件包括各模块的驱动程序，输入检测和输出控制功能的实现［15］。

3.1 系统主程序

主程序流程图如图6所示，当系统工作后，程序首先完成液晶、D/A转换芯片和A/D转换芯片的初始化，设定芯片的工作状态和初始输出值;然后等待用户的按键输入，系统根据输入设定的工作模式的不同，进入相应的工作模式设定中;在不同的工作模式下，设置工作电流，电压;当设置完成后，按下输入键后，系统开始按设定工作模式工作，D/A转换器根据需要输出电压控制恒流电路的电流值大小;A/D转换电路将电路工作状态实时传输给单片机，单片机根据这些信息控制液晶的显示和其他操作。

图6 主程序流程图

3.2 系统的工作模式

通过程序设计，可实现电子负载的多种工作模式，根据需要选择相应的工作模式。

在模式1下，直接设定放电电流和放电截止电压。设置完成后，按下开始工作按钮，系统按设定电流开始放电，放电电流恒定。当系统检测到电压低于截止电压时，放电完成，负载电流变为0，等待用户操作。在这种模式下，可以对电源进行长时间的带负载能力测试，并且能够监视被测电源电压，当被测电源电压低于设定时，能够保护被测电源。

同时这个工作模式也可作为蓄电池的放电器，它能够保证蓄电池完成一次完整的放电过程，且不会造成蓄电池过放损坏蓄电池。

在模式2工作情况下，比模式1增加了放电时间设定。通过设置放电时间，定时停止测试，方便不同用户的需求。

模式3是为测量电源的最大负载电流设定的。通过设定最大负载电流和放电截止电压。系统可从最小的负载电流开始，以10 mA为步进，每0.5 s增加一次负载电流，直到到达设定的最大负载电流，或是被测电源电压小于设置的截止电压时，终止放电。这种工作模式可以测得电源的最大负载能力和负载调节能力。对于电源性能测试十分重要。

4 系统测试

系统测试采用实验电源作为被测电源，将直流稳压电源接到电子负载的被测端，首先测试系统工作电流的准确性。调节负载设定不同工作电流，与实测电流和显示电流进行比较。测试数据如表1所示。

表1 电流准确性测试

由表1可见，系统负载电流的准确性较高，并且在电流较大时，相对误差会更小。

完成电流准确性测试后，接下来测试负载电流随负载电压变化的稳定性。首先设定负载电流，将输入电压调节到不同电压值，观察电流变化，测试数据如表2所示。

从表2可看出，当电流设定之后，输入电压的改变对负载电流影响十分微弱，可以完全忽略其影响，因此该电子负载的恒流效果良好。

表2 恒流效果测试

5 结语

本电子负载达到了预定设计要求，测试精度高，稳定性好，同时具有使用简单，经济性好的特点。满足各类基础电类实验室的使用需求，具有很强的应用推广价值和良好的市场前景。

［1］刘 磊.基于MSP430单片机的直流电子负载设计［J］.电子科技，2013，26(2):25-27.

LIU Lei.Design ofDC ElectronicLoad Based on Msp430 Microcontroller［J］.Electronic Sci＆ Tech，2013，26(2):25-27.

［2］李群芳，张士军.单片微型计算机与接口技术［M］.3版.北京:电子工业出版社，2008.24.

［3］田俊杰.基于场效应管的恒流源设计［J］.中国测试，2009，35(1):118-121.

TIAN Jun-jie.Design of Constant Current Power Based on FET［J］.China Measurement＆ Test，2009，35(1):118-121.

［4］丁锐霞，马秀坤.基于ATmega16的智能电子负载设计［J］.山西师范大学学报(自然科学版)，2008，22(2):24-27.

DING Rui-xia，MA Xiu-kun.Design of Intelligent Electronic Load Base on ATmega16［J］.Journal of Shanxi Normal University Natural Science Edition，2008，22(2):24-27.

［5］王明明，戴陶珍.智能直流电子负载的研制［J］.电子质量，2012，32(12):9-11.

WANG Ming-ming，DAI Tao-zhen.Development of Intelligent DC Electronic Load［J］.Electronics Quality，2012，32(12):9-11.

［6］高 佳.直流电子负载的校准和不确定度分析［J］.计量与测试技术，2010，37(8):72-73.

GAO Jia.Calibration and Uncertainty Analysis of the DC Electronic Loads［J］.Metrology ＆ Measurement Technique，2010，37(8):72-73.

［7］季浚涛，姚小翔，施 敏.基于LM3S8962的简易恒流电子负载［J］.南通大学学报(自然科学版)，2012，11(4):13-17.

JI Jun-tao，YAO Xiao-xiang，SHI Min.Electronic Load of a Simple Constant-Current Mode Based on LM3S8962 ［J］.Journal of Nantong University Natural Science Edition，2012，11(4):13-17.

［8］李 洁，刘 冲.直流电子负载校准技术研究［J］.微计算机信息，2012，28(10):235-237.

LI Jie，LIU Chong.Research on Calibrating Method of DC Electronic Load［J］.Microcomputer Information，2012，28(10):235-237.

［9］王 超，刘志刚，深茂盛.模块化电子模拟功率负载系统的设计［J］.电子运用，2005，24(9):54-57.

WANG Chao，LIU Zhi-gang，SHEN Mao-sheng.System Design of Modularized Electronic Power Load ［J］. Electrotechnical Application，2005，24(9):54-57.

［10］沈 宏，吕 强.浅谈直流电子负载［J］.企业标准化，2008，27(9):16-17.

SHEN Hong，LV Qiang.Brief probe into DC Electronic Load ［J］.Brand＆ Standardization，2008，27(9):16-17.

［11］张岳同.太阳能电池板综合测试系统的研究［D］.合肥:合肥工业大学，2012.

［12］李玉伟.基于模糊控制的高精度数控恒流源设计［J］.科技信息，2013(29):141-143.

LI Yu-wei.The Design of Constant Current Source with High Precision Digital Control Based on Fuzzy Control［J］.Science ＆Technology Information，2013(29):141-143.

［13］张洪川，滕召胜.低功耗单电源压控精密恒流源设计［J］.仪器仪表学报，2008，29(12):2678-2682.

ZHANG Hong-chuan，TENG Zhao-sheng. Design ofPrecision Voltage-Controlled ConstantCurrentSource with Low Power Dissipation Single-Supply［J］.Chinese JournalofScientific Instrument，2008，29(12):2678-2682.

［14］李富华，赵 敏.航空发电机测试用交流电子负载的研究［J］.电气自动化，2009，31(4):57-59.

LI Fuhua，ZHOU Min.Research on AC Electronic Load for Aviation Generator Testing［J］.Measurement＆ Detecting Technics，2009，31(4):57-59.

［15］龙厚涛，侯振义.非线性电子负载特性研究［J］.电源世界，2011，14(6):25-28.

LONG Hou-tao，HOU Zhen-yi.Research on the Characteristic of the Nonlinear Electronic Load［J］.The World of Power Supply，2011，14(6):25-28.