基于STM32 的简易电子负载装置

何 建，翟战场

(中国民用航空飞行学院 航空工程学院，四川 广汉 618307)

基于STM32 的简易电子负载装置

何 建，翟战场

(中国民用航空飞行学院 航空工程学院，四川 广汉 618307)

采用STM32F103VE为主控芯片，通过A/D及D/A转换和控制MOSFET的导通，实现电子负载功率模块的温度控制、0-5A的恒流放电及设置电源放电截止电压。通过测试，可实现0-5A恒流放电，可调精度为0.03A，并且实时显示放电电流、电源电压和放电时间。放电结束可显示放电容量，具有动态负载测试功能。测试结果表明，该电子负载容量测试误差在5%以内，结果精确，设计简易，方便使用。

电子负载；STM32；MOSFET；恒流；锂电池

0 引言

测试电源性能对电源的设计和健康检查具有相当重要的作用[1]。目前一些电源测试装置存在检测时间长，检测流程复杂的问题。故为简化测试流程，轻量化测试装置，提高测试效果需要研制一种新的电源测试装置以解决上述问题。本设计基于STM32控制芯片，可满足不同负载特性的要求进行设置，实现电源测试过程动态监测，简化测试流程，直观的显示电源测试结果，很好地解决了目前电源测试设备面临的问题[2]。

1 系统设计

本设计以STM32F103VE为主控芯片，通过按键实现系统复位、放电电流和放电截止电压的设置。前端采集模块上加有一个容量较大的电感，用于稳定测试时的输出电流，避免其他的因素影响测试结果。由STM32产生PWM波，经TC427放大驱动MOSFET管工作，采集通过康铜丝上的电流，经芯片处理后回馈给单片机，与设定值进行比较，经过STM32的PI调节，形成一个死循环控制系统，并利用放电电压、电流和时间之间的关系，计算出放电电量[3-7]。另外，使用STM32的自带的AD和D/A转换器，简化了电路设计，其用于检测放电电流和当前电源电压，调节MOSFET的导通实现输出电流的控制。系统工作时功耗部分即MOS管发热，通过热敏二极管采集MOS管上的温度，当温度达到设定值的时候散热风扇开始工作[8]。系统通过LCD12864实时显示测试电流，电压和测试结果，简化了测试流程，使用方便。系统设计框图如图1所示。

图1 系统设计框图

2 硬件设计

2.1 电流电压采集电路

电流采集以双运放LM358为核心，LM358有两个高增益、独立的、内部有频率补偿的运放，适用于电压范围很宽的单电源或双电源工作方式。它的应用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运放的地方使用。LM358通过滤波电路将电流信号转换为电压信号，传输到STM32以完成输出端电流电压信号的采集[9-11]。电流电压采集电路如图2所示，其中I，U为电流、电压采集输入端口。

2.2 温度采集和控制电路

温度采集电路主要是经过温度传感器感应到温度之后采用LM358芯片进行信号放大，经过LM358放大后的信号驱动MOS管Q2来驱动风扇，当温度降下去之后MOS管Q2不工作 ，风扇不转。由此得到一个闭环控制系统。温度采集和控制电路如图3所示。

图2 电流电压采集电路

2.3 功率负载电路

电子负载消耗电能转化成热能或其它形式的能量。一般选用场效应管(MOSFET)、绝缘栅晶体管(IGBT)替代电阻作为消耗电能的载体，使电路负载调节与控制回路是被测电源电流在电子负载中流过的回路， MOSFET通过其导通程度来改变流过它的电流[12]。采用Q1-TO247来作为负载，在此回路中Q1就相当于一个可变电阻，通过控制其栅极电压来控制其电流。除此之外还需要串联一个固定电阻，将主回路的电流转换为电压，再通过测量其电压计算出电流。功率负载电路如图4所示，其中P1为待测电源。

图4功率负载电路电路

2.4 电子负载供电电路

本设计需要三种供电电源，以满足系统供电需求。12V：供给MOS驱动芯片；5V：供给12864显示器和电源基准；3.3V：供给STM32芯片。电子负载供电电路如图5所示，其中电子负载装置采用外接12V直流电源，经过LM780降压及TL430校准后供电给12864显示器。另外，5V的电压经AMS1117处理后得到3.3V电压，用于STM32供电。电子负载供电电路如图5所示。

图5电子负载供电电路

2.5 按键电路

按键部分，包括了各个功能的按键：设定键，确认键，数值加减等按键，如图6所示。

图6 按键电路

(1)设置键U7：在正常放电运行过程中此键按下将停止放电，在最后容量显示界面按下此键可以重新进行下一次放电参数设置。

(2)设置电流加键U12：每次按下电流值加0.03A，长按电流值自加，在运行过程中按下此键不起作用。

(3)设置电流减键U8：每次按下电流值减0.03A，长按电流值自减，在运行过程中按下此键不起作用。

(4)设定下限电压加键U13：每次按下设定电压值加0.08v，长按电压值自加，在运行过程中可以按下此键改变下限电压值。

(5)设定下限电压加键U9：每次按下设定电压值减0.08v，长电压流值自减，在运行过程中可以按下此键改变下限电压值。

(6)确定键U10：在参数设置结束时按下此键1s，界面将进入运行画面，如果输入的电压低于设置的下限电压，运行画面维持3-5s后进入容量显示画面。

2.6 LCD显示模块设计

显示部分采用12864作为液晶显示器，利用该模块灵活的接口方式和简单方便的操作指令，构成全中文人机交互图形界面，而且显示程序要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。LCD显示模块电路如图7所示。

图7 LCD显示模块电路

3 软件设计

系统程序以STM32为平台采用基于KEIL的C语言编写，主要是实现按键扫描、温度采集、输出电压电流的控制等各功能模块功能。

3.1 系统程序

程序设计流程图如图7所示，系统启动后首先要对显示模块、A/D模块、D/A模块、温度采集模块进行初始化，设定系统的初始工作状态，然后根据采集到的不同的按键状态，系统进入不同的工作模式。在不同工作模式下，在菜单界面，首先要对放电电流、放电截止电压进行设置，确认按键按下后，系统以设定工作模式工作，A/D模块将电路的实时参数传输给MCU并显示，D/A模块根据设定负载特性要求控制输出电流、电压[13-14]。

图8 程序设计流程图

3.2 系统功能

(1)系统可以通过在程序里调用不同的控制策略来模拟电源测试时的各种工作需要；

(2)系统具有恒流(CC)工作模式，输出电流分辨率可设置为30mA，测试精度为±1%。CC工作模式下具有开路功能，且系统开路状态下输出电流值可设置为零；

(3)系统能实时测量并数字显示电子负载两端的电压，电压测量精度为±(0.02%+0.02%FS )，分辨力为80mV，测试精度为±5%；

(4)系统能实时测量并数字显示流过电子负载的电流，电流测量精度为±(0.1%+0.1%FS)；

(5)系统具有过压保护功能；

(6)系统拥有可靠、易用的控制界面。

4 系统测试

系统测试采用直流电源和10只18650锂离子电池作为被测电源。首先测试系统的恒流特性，将直流电源接在电子负载输出端口，设定不同的放电电流和放电电压，将得到的测试电流和实际电流进行比较，分析误差。直流电源恒流测试结果如表1所示。

表1 直流电源恒流测试结果

由表1可知，电子负载输出端恒流效果较好，恒流放电时系统放电电流的设定值与实测值误差稳定在0.7%左右，电流值波动在设定值的2%以下。

直流稳压源的测试主要测试放电过程输出端的恒流特性。在电子负载恒流特性满足设计要求的基础上，以18650锂离子电池作为实验对象，负载电压随放电电流而变化时，测试系统对18650锂离子电池的放电电量计量的性能表现。

表2为锂电池容量测试结果，放电电流取1A-3.81A。图9为10只锂电池容量测试中设定放电电流与放电时间的拟合曲线。锂电池容量测试拟合曲线取Y=a+b/X，以10号锂电池为例，则Y=0.017366+3377.4227/X，故通过分析测得数据可知10条拟合曲相关系数均在0.998以上。由图9可知，随着放电电流的增加放电时间越来越短，放电过程中电池电压随着放电时间的增加而不断降低基本拟合3400mAh锂电池标准放电曲线Y=0.00+3400/X。

由表3可知，不同工作模式下的负载电流的大小对锂离子电池放电电量没用明显的影响。图9所示为锂电池容量测试结果，给出了锂电池容量测试的误差散点分布。由该图可知，锂电池容量测试波动在4%左右，考虑到锂电池生产工艺的限制，10只锂电池并非标称3400mAh容量，这一数据已经较好，这表明本设计的简易电子负载较好的满足了电池容量测试标准的要求[15]。

表2 锂电池容量测试数据结果

表3 锂电池容量测试数据误差

续表3

放电电流(A)锂电池实测放电容量误差123456789103.44.002.002.002.004.000.002.002.000.002.003.512.963.241.170.891.172.963.241.173.245.303.63.763.761.651.651.651.651.650.471.651.653.696.364.194.196.662.022.022.020.152.026.363.813.633.633.635.875.873.633.633.633.635.87

图9 锂电池容量测试拟合曲线

图10 锂电池容量误差散点分布

5 结语

本设计的直流电子负载装置工作电压为0-30V，工作电流为0-5A；电流测试分辨率达到了1.00%，容量测试精度达到了5.00%；且具有较好的恒流稳定性，测试精度高。相对于市面上的直流电子负载测试仪来说，该装置制作更为简易，使用更为方便，实用性较高，且制作成本低，能够更好的满足高校科研及教学的需要，有较好的教学用途和应用价值。

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[责任编辑、校对：郝杰]

Abstract：Using STM32F103VE as the main control chip,through the A/D and D/A conversion technology and the control of the MOSFET,the device could realize the discharge in constant current of 0-5A and temperature control of electronic load module,and at the same time, set discharge cut-off voltage of the power.By the test,it can realize the constant current discharge of 0-5A,adjustable precision in 0.03A,and real-time display of the discharge current,voltage and discharge time. At the end of discharge,it can show the discharge capacity,and possess the function of dynamic load test.The test results show that with the error of the electronic load capacity being below 5%, the device is of accurate test result,simple design,and convenient use.

Keywords：electronic load;STM32;MOSFET;constant current;lithium battery

DesignofAMultifunctionalSimpleElectronicLoadDeviceBasedonSTM32

HEJian,ZHAIZhan-chang

(Aviation Engineering College,Civil Aviation Flight University of China,Guanghan 618307,China)

TN86

A

1008-9233(2017)05-0051-06

2017-05-09

何建(1974-)，男，四川成都人，教授，主要从事航空电子电气研究。