（保密区域）
第七届电工电子创新设计大赛决赛
《简易直流电子负载》测试报告
编号：
基于MSP430F149单片机的恒流电子
负载系统设计
摘要：设计一台恒流(CC)工作模式的简易直流电子负载。以MSP430F149单片机为核心。通过AD采集电流检测模块测量到的电流信息，算法处理后，利用D/A输出模块控制V/I转换电路从而实现恒流。并且将电压、电流检测数据进行处理得到被测直流稳压源的负载调整率。系统在工作中，无论电子负载两端电压是否变化，流过电子负载的电流为一个设定的恒定值。 关键词：恒流；MSP430F149;V/I转换电路;数字控制
Design of A DC Constant Current Electronic Load System
Based on MSP430F149
Abstract:The report is based on the design of a simple DC electronic load of constant current.The system realize the CC working mode by utilizing the MSP430F149 as the core,AD sampling and detective module to measure the current,D/A output module to control the V/I transform circuit after being processed by algorithm.Besides,the load regulation can be automatically measured by processing the voltage and current sampling data. When the system is working,no matter how the voltage over the load change,the current through it is a constant value.
Key Words:CC;MSP430F149;V/I transform circuit；Digital Control
1.概述及方案选择
在电路中,负载是用来消耗电源输出能量的装置。直流电子负载由于采用了功率半导体器件替代纯电阻元件作为电能消耗的载体,可实现负载的智能调节与控制,并能达到较高的调节精度和稳定性。直流电子负载不仅可以模拟实际的负载情况,还可以编程模拟一些特殊的负载，实现指定的波形曲线,用以测试稳压电源设备的瞬态特性,这是纯电阻式负载所无法实现的。
方案一：采用开关电源的开关恒流方式 采用开关电源构成恒流源电路，通过改变PWM控制器的占空比来调整输出电流，最终获得输出电流的恒定，其中输出端接一个固定的假负载。这个方案特点是效率很高，但是精度不高，这是因为开关电源电压纹波比较大，控制电路复杂，很难制作出低纹波，高精度，线性度很好的恒流源。
方案二：采用集成稳压器构成的开关恒流方式
固定式集成稳压器工作在悬浮状态, 在输出端和公共端之间接入一电位器，从而形成一固定恒流源。此方案最大的特点就是简单，但是较难实现数控、准确度不高。 方案三：采用集成运放构成的线性恒流方式
采用精密运放构成V/I转换电路构成线性恒流源。电路工作在电流负反馈状态，保证输出
电路恒定。输出电流直接由功率MOS管流出，在保证功率MOS管在线性导通的状态下，能够输出比较大的电流。而且此电路线性度比较好，电路结构简单，容易控制，输出电流纹波比较小，电流输出范围比较大，能够满足本次设计的高精度要求。 本系统选用方案三的线性恒流方式，主要由核心控制电路（单片机）模块、功率控制模块、电压/电流采样模块、过压欠压保护模块，液晶显示电路以及辅助电源模块组成。系统框图如图1所示。
图1 系统框图 2.理论分析与计算
2.1 核心电路主要部分的分析
图2 核心电路原理部分
作为该系统的主要电路，V/I转换恒流控制电路采用精密运算放大器与N沟道增强CMOS管搭建。深度的负反馈电路可以得到稳定的恒流输出和高输出阻抗，实现了电压-电流转换。该线性恒流源稳流效果较好。由于回路中会有大电流通过，因此功率问题也要考虑。针对这个问题，本设计选用了耗散功率较大的场效应管IRF540，能承受大电流的康铜丝，保证了器件的安全。它关系到整个系统性能的可靠性，是核心功率部分。恒流控制电路如上图2所示。根据虚短、虚断的概念可得如下关系式：
VR+=I⨯R8 (1) VDA=
R12
VR+ (2)
R9+R12
由(1)(2)两式即相关参数的值不难得出I=
5
VDA,所以输出电流可以通过D/A的输出电压8
来控制。 2.2 过压保护
上述主电路还包括了继电器过压保护电路，当被测电源电压达到阈值电压18±0.2V时，三极管导通，继而继电器上电吸合，完全切断负载电路，使输出电流为零。为保证可靠断开还采用了软件保护法，使得当输入电压大于18 V时，单片机迫使VDA输出为0。 2.3电压/电流测量及精度计算
为了使恒流（CC）工作模式下的电流设置范围为100mA～1000mA ，分辨率为10mA，精度
14
为±1%。设计中选用德州仪器公司生产的14位高精度D/A转换芯片DAC8162,精度可达1/2。它具有2.5V、4ppm/°C 基准源，则它的输出范围为0-2.5V，由上述公式I=
5
VDA可知，当8
D/A 的输出作为运放的控制电压时，输出电流的调节范围是0-1.56A，符合本次设计的精度要求。
为了使电压/电流的测量精度达到1mV,选择的ADC芯片的精度应该大于5/0.001=5000,即至少应该选择13位及以上的ADC芯片。本次设计中选用TI公司生产的16位A/D转换芯片
16
ADS1110，精度可达1/2，ADS1110完全能够满足设计的要求。 2.3 电源负载调整率的测试原理
直流稳压电源负载调整率是指电源输出电流从零至额定值变化时引起的输出电压变化率。负载调整率可以通过如下方式计算：
当电子负载电流IL为0时，被测电压输入记为U1，。在达到额定电流IN(1A)时，被测电压为U2，则被测直流稳压电源负载调整率为： ∆β=(U1-U2)/U1⨯100%
3.系统硬件及软件设计
3.1 电压检测及过压声光报警模块
图3 声光报警电路 图4 电压检测电路
3.2 A/D、D/A转换电路
A/D转换芯片采用TI公司生产的一款高性价比的串行A/D转换器ADS1110。电源电压为2.7-5.5V，低电流消耗240μA。带有可调增益的Delta-Sigma转换器内核、2.048V的电压基准、时钟振荡器和I2C总线接口（8个有效地址）。具有完整的数据采集系统，可编程的
转换速率15-240SPS，为精密、可连续自校准的串行A/D转换器。搭建电路如图5所示。
图5 A/D转换电路
D/A转换芯片采用TI公司生产的D/A转换器DAC8162。DAC8162是一个小型低功耗、双通道、电压输出、14位数字模拟转换器。它具有良好的单调的线性关系。DAC8550采用多功能3线串行接口，工作时钟速率可高达50MHz。兼容SPI、QSPI、Microwire以及DSP接口。搭建电路如图6所示。
图6 D/A转换电路 3.3 液晶显示模块
本次设计中显示模块选用Nokia 5110 液晶，用于显示系统所设置的相关参数和工作时的实时参数，便于更好的了解系统的工作情况。Nokia5110液晶性价比高，可以显示15个汉字，30个字符。接口简单，仅四根I/O线即可驱动。速度快，是LCD12864的20倍，是LCD1602的40倍。Nokia5110功耗低，工作电压3.3V，正常显示时工作电流200uA以下，具有掉电模式。 3.4 辅助电源模块
由于外部电源为经220V降压所得到的24V直流电源，系统中各模块需要12V和5V电源模块。分别选用7812、7805三端集成稳压器提供稳定的12V和5V直流输出。原理图如下。
图7 辅助电源模块 3.5 程序设计
本系统采用MSP430F149作为核心控制芯片，通过对按键的分析向单片机输入设定电路值，产生数字量输出，进入D/A转换器，提供控制电压VDA以调整输出电流达到预设值。单片机接收采样电压、电流经A/D芯片转换输出的数字量在液晶上显示,同时在单片机内部将检测到的电流与按键设定电流进行比较,调整输出量VDA，使得输出电流达到设定值,实现对负载电流的数字调节。主程序流程如下图7所示。
程序功能描述
（1）液晶显示子程序：设定输出值及实际端电压电流。 （2）键盘处理子程序：输出值的设定。
（3）数据处理子程序：根据设定值换算出调整值，写入D/A的值，根据A/D采样的数据
换算出实际电流值。 （4）将调整值送入D/A。 （5）进行A/D采样。 4.测试方案及测试条件 4.1测试方案
（1）恒流电路检测：用单片机设定一个电流值,打开被测直流稳压电源，使其电压从零开始增加，观察输出电流是否为设定的期望电流值，并记录在12V输出电压的情况下，由设定恒流值下的各实际输出电流值。
（2）过压保护检测：将单片机设定一个过压保护电压值(电流设在较小的值如100mA)，将线性电源电压输出由零开始增加，测试在达到规定的输出电压时，电子负载能否断开保护。 （3）负载调整率检测：在电子负载串接功率电阻下，验证电子负载上显示的电压调整率是否正确。 4.2 测试条件
安捷伦34401A 六位半数字万用表、RIGOL DM3068 六位半数字万用表、EM1715A直流稳压电源、ARRAY 3721A 80V/40A 400W 电子负载、VICYORY VC890D万用表。
5结论及性能分析
5.1 测试部分数据记录
（3）电子负载端电压、电流测试
（4）被测稳压电源负载调整率测试
5.2 测试结果分析
经过测试可知，本系统可达到以下指标：
(1)电流变化在 100mA～1000mA可实现恒流，且恒流精度小于 1%。 (2)具有过压保护功能，大于18V时报警并切断负载电路。
(3)能实时测量并显示电子负载两端电压、流过电子负载电流，测量精度均达到发挥部分要求。
(4)具有直流稳压电源负载调整率自动测量范围，达到发挥部分要求。 综合分析各项指标的测试结果并与设计指标进行比较发现，本系统的各项设计参数均能达到设计指标。
（保密区域）
第七届电工电子创新设计大赛决赛
《简易直流电子负载》测试报告
编号：
基于MSP430F149单片机的恒流电子
负载系统设计
摘要：设计一台恒流(CC)工作模式的简易直流电子负载。以MSP430F149单片机为核心。通过AD采集电流检测模块测量到的电流信息，算法处理后，利用D/A输出模块控制V/I转换电路从而实现恒流。并且将电压、电流检测数据进行处理得到被测直流稳压源的负载调整率。系统在工作中，无论电子负载两端电压是否变化，流过电子负载的电流为一个设定的恒定值。 关键词：恒流；MSP430F149;V/I转换电路;数字控制
Design of A DC Constant Current Electronic Load System
Based on MSP430F149
Abstract:The report is based on the design of a simple DC electronic load of constant current.The system realize the CC working mode by utilizing the MSP430F149 as the core,AD sampling and detective module to measure the current,D/A output module to control the V/I transform circuit after being processed by algorithm.Besides,the load regulation can be automatically measured by processing the voltage and current sampling data. When the system is working,no matter how the voltage over the load change,the current through it is a constant value.
Key Words:CC;MSP430F149;V/I transform circuit；Digital Control
1.概述及方案选择
在电路中,负载是用来消耗电源输出能量的装置。直流电子负载由于采用了功率半导体器件替代纯电阻元件作为电能消耗的载体,可实现负载的智能调节与控制,并能达到较高的调节精度和稳定性。直流电子负载不仅可以模拟实际的负载情况,还可以编程模拟一些特殊的负载，实现指定的波形曲线,用以测试稳压电源设备的瞬态特性,这是纯电阻式负载所无法实现的。
方案一：采用开关电源的开关恒流方式 采用开关电源构成恒流源电路，通过改变PWM控制器的占空比来调整输出电流，最终获得输出电流的恒定，其中输出端接一个固定的假负载。这个方案特点是效率很高，但是精度不高，这是因为开关电源电压纹波比较大，控制电路复杂，很难制作出低纹波，高精度，线性度很好的恒流源。
方案二：采用集成稳压器构成的开关恒流方式
固定式集成稳压器工作在悬浮状态, 在输出端和公共端之间接入一电位器，从而形成一固定恒流源。此方案最大的特点就是简单，但是较难实现数控、准确度不高。 方案三：采用集成运放构成的线性恒流方式
采用精密运放构成V/I转换电路构成线性恒流源。电路工作在电流负反馈状态，保证输出
电路恒定。输出电流直接由功率MOS管流出，在保证功率MOS管在线性导通的状态下，能够输出比较大的电流。而且此电路线性度比较好，电路结构简单，容易控制，输出电流纹波比较小，电流输出范围比较大，能够满足本次设计的高精度要求。 本系统选用方案三的线性恒流方式，主要由核心控制电路（单片机）模块、功率控制模块、电压/电流采样模块、过压欠压保护模块，液晶显示电路以及辅助电源模块组成。系统框图如图1所示。
图1 系统框图 2.理论分析与计算
2.1 核心电路主要部分的分析
图2 核心电路原理部分
作为该系统的主要电路，V/I转换恒流控制电路采用精密运算放大器与N沟道增强CMOS管搭建。深度的负反馈电路可以得到稳定的恒流输出和高输出阻抗，实现了电压-电流转换。该线性恒流源稳流效果较好。由于回路中会有大电流通过，因此功率问题也要考虑。针对这个问题，本设计选用了耗散功率较大的场效应管IRF540，能承受大电流的康铜丝，保证了器件的安全。它关系到整个系统性能的可靠性，是核心功率部分。恒流控制电路如上图2所示。根据虚短、虚断的概念可得如下关系式：
VR+=I⨯R8 (1) VDA=
R12
VR+ (2)
R9+R12
由(1)(2)两式即相关参数的值不难得出I=
5
VDA,所以输出电流可以通过D/A的输出电压8
来控制。 2.2 过压保护
上述主电路还包括了继电器过压保护电路，当被测电源电压达到阈值电压18±0.2V时，三极管导通，继而继电器上电吸合，完全切断负载电路，使输出电流为零。为保证可靠断开还采用了软件保护法，使得当输入电压大于18 V时，单片机迫使VDA输出为0。 2.3电压/电流测量及精度计算
为了使恒流（CC）工作模式下的电流设置范围为100mA～1000mA ，分辨率为10mA，精度
14
为±1%。设计中选用德州仪器公司生产的14位高精度D/A转换芯片DAC8162,精度可达1/2。它具有2.5V、4ppm/°C 基准源，则它的输出范围为0-2.5V，由上述公式I=
5
VDA可知，当8
D/A 的输出作为运放的控制电压时，输出电流的调节范围是0-1.56A，符合本次设计的精度要求。
为了使电压/电流的测量精度达到1mV,选择的ADC芯片的精度应该大于5/0.001=5000,即至少应该选择13位及以上的ADC芯片。本次设计中选用TI公司生产的16位A/D转换芯片
16
ADS1110，精度可达1/2，ADS1110完全能够满足设计的要求。 2.3 电源负载调整率的测试原理
直流稳压电源负载调整率是指电源输出电流从零至额定值变化时引起的输出电压变化率。负载调整率可以通过如下方式计算：
当电子负载电流IL为0时，被测电压输入记为U1，。在达到额定电流IN(1A)时，被测电压为U2，则被测直流稳压电源负载调整率为： ∆β=(U1-U2)/U1⨯100%
3.系统硬件及软件设计
3.1 电压检测及过压声光报警模块
图3 声光报警电路 图4 电压检测电路
3.2 A/D、D/A转换电路
A/D转换芯片采用TI公司生产的一款高性价比的串行A/D转换器ADS1110。电源电压为2.7-5.5V，低电流消耗240μA。带有可调增益的Delta-Sigma转换器内核、2.048V的电压基准、时钟振荡器和I2C总线接口（8个有效地址）。具有完整的数据采集系统，可编程的
转换速率15-240SPS，为精密、可连续自校准的串行A/D转换器。搭建电路如图5所示。
图5 A/D转换电路
D/A转换芯片采用TI公司生产的D/A转换器DAC8162。DAC8162是一个小型低功耗、双通道、电压输出、14位数字模拟转换器。它具有良好的单调的线性关系。DAC8550采用多功能3线串行接口，工作时钟速率可高达50MHz。兼容SPI、QSPI、Microwire以及DSP接口。搭建电路如图6所示。
图6 D/A转换电路 3.3 液晶显示模块
本次设计中显示模块选用Nokia 5110 液晶，用于显示系统所设置的相关参数和工作时的实时参数，便于更好的了解系统的工作情况。Nokia5110液晶性价比高，可以显示15个汉字，30个字符。接口简单，仅四根I/O线即可驱动。速度快，是LCD12864的20倍，是LCD1602的40倍。Nokia5110功耗低，工作电压3.3V，正常显示时工作电流200uA以下，具有掉电模式。 3.4 辅助电源模块
由于外部电源为经220V降压所得到的24V直流电源，系统中各模块需要12V和5V电源模块。分别选用7812、7805三端集成稳压器提供稳定的12V和5V直流输出。原理图如下。
图7 辅助电源模块 3.5 程序设计
本系统采用MSP430F149作为核心控制芯片，通过对按键的分析向单片机输入设定电路值，产生数字量输出，进入D/A转换器，提供控制电压VDA以调整输出电流达到预设值。单片机接收采样电压、电流经A/D芯片转换输出的数字量在液晶上显示,同时在单片机内部将检测到的电流与按键设定电流进行比较,调整输出量VDA，使得输出电流达到设定值,实现对负载电流的数字调节。主程序流程如下图7所示。
程序功能描述
（1）液晶显示子程序：设定输出值及实际端电压电流。 （2）键盘处理子程序：输出值的设定。
（3）数据处理子程序：根据设定值换算出调整值，写入D/A的值，根据A/D采样的数据
换算出实际电流值。 （4）将调整值送入D/A。 （5）进行A/D采样。 4.测试方案及测试条件 4.1测试方案
（1）恒流电路检测：用单片机设定一个电流值,打开被测直流稳压电源，使其电压从零开始增加，观察输出电流是否为设定的期望电流值，并记录在12V输出电压的情况下，由设定恒流值下的各实际输出电流值。
（2）过压保护检测：将单片机设定一个过压保护电压值(电流设在较小的值如100mA)，将线性电源电压输出由零开始增加，测试在达到规定的输出电压时，电子负载能否断开保护。 （3）负载调整率检测：在电子负载串接功率电阻下，验证电子负载上显示的电压调整率是否正确。 4.2 测试条件
安捷伦34401A 六位半数字万用表、RIGOL DM3068 六位半数字万用表、EM1715A直流稳压电源、ARRAY 3721A 80V/40A 400W 电子负载、VICYORY VC890D万用表。
5结论及性能分析
5.1 测试部分数据记录
（3）电子负载端电压、电流测试
（4）被测稳压电源负载调整率测试
5.2 测试结果分析
经过测试可知，本系统可达到以下指标：
(1)电流变化在 100mA～1000mA可实现恒流，且恒流精度小于 1%。 (2)具有过压保护功能，大于18V时报警并切断负载电路。
(3)能实时测量并显示电子负载两端电压、流过电子负载电流，测量精度均达到发挥部分要求。
(4)具有直流稳压电源负载调整率自动测量范围，达到发挥部分要求。 综合分析各项指标的测试结果并与设计指标进行比较发现，本系统的各项设计参数均能达到设计指标。