ＩＳＳＮ １Ｏ０８．９４４６ 承德石油高等专科学校学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｅｎｇｄｅ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｃｏｌｌｅｇｅ 第１７卷第４期，２０１５年８月 Ｖｏ１．１７，Ｎｏ．４，Ａｕｇ．２０１５ 五 基于单片机的直流电子负载的设计 赵亚光，李静 ０６７０００） （承德石油高等专科学校后勤集团，河北 承德摘要：基于ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２单片机的处理速度快、低功耗、超强抗干扰等特点，将其用于直流电子负载的设计。 为改善传统负载类型不宜修改、使用不便及精确度不高的情况，采用ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２单片机作为直流电子负 载的控制器，实现对信号的采集、参数的设计和功能选择等。测试结果表明，该负载具有输出电压时电流调节 范围大，响应快，适用于多种测试模式，同时提供一种新的设计思路改善普通电子负载精确度不高的缺陷。 关键词：直流电子负载；ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２；单片机；测量模式 中图分类号：ＴＮ４ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００８—９４４６（２０１５）０４－００３０－０５ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｄｉｒｅｃｔ—Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｌｏａｄ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｈｉｐ Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ＺＨＡ０ Ｙａ—ｇｕａｎｇ．ＬＩ Ｊｉｎｇ （Ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ Ｇｒｏｕｐ，Ｃｈｅｎｇｄｅ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｃｈｅｎｇｄｅ ０６７０００，Ｈｅｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０￥２ ｉｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｄｉｒｅｃｔ—ｃｕｒｒｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｌｏａｄ ｄｅｓｉｇｎ，ｉｎ ｒｅｓｐｅｃｔ ｔｈａｔ ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２ ｈａｓ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｐｅｅｄ，ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｕｌｔｒａ ｓｔｒｏｎｇ ａｎｔｉ・ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｌｏａｄ ｔｙｐｅｓ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｄｉｉｃｕｌｆｔ ｔｏ ｂｅ ｍｏｄｉ— ｌｅｄ，ｉｎｃｏｎｖｅｎｉｆｅｎｔ ａｎｄ ｉｎａｃｃｕｒａｔｅ，ｔｈｅ ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒ０ｌｌｅｒ ａｓ ｄｉｒｅｃｔ－ｃｕｒｒｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｌｏａｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｆｅａｔｕｒｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ．Ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｈａｓ ａ ｌａｒｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｒａｎｇｅ，ａ ｆａｓｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ， ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｔｅｓｔ ｍｏｄｅ．Ｉｔ ａｌｓｏ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ａ ｎｅｗ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｌｏａｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｒｅｃｔ－ｃｕｒｒｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｌｏａｄ；ＳＴＣ １ ２ Ｃ５ Ａ６０ Ｓ２；ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ；ｍｅａｓｕｒｅ— ｍｅｎｔ ｍｏｄｅ 各种家用电器和自动化设备都必须要有性能稳定的电源为其提供电能，如为汽车或电动车使用的 铅酸蓄电池、手机采用的镍镉电池或锂电池等。这些产品在出厂前都需要进行各种带载实验 ，以考核 它们的精确度、稳定性和寿命等指标。由于不同电源和电池需要的测试负载不同，即便是同一种电源也 可能需要不同的负载甚至特殊负载对其进行全面的测试，因此，测试负载在电源产品出厂前性能测试中 占有重要地位。随着单片机产品性能不断完善和成熟，结合ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２单片机的处理速度快、低功 耗、超强抗干扰等特点 ，将其应用于直流电阻负载的设计中，设计出一款智能化的负载。它可以模拟 各种不同类型的负载，包括传统的电阻、电感、电容及其组合负载，还能模拟恒流、恒压、恒阻负载等，尽 而解决传统负载在电源产品性能测试存在的问题。 １ 电子负载总体设计及原理 １．１ 电子负载的总体设计 直流电子负载系统中，ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２单片机作为整个系统的控制核心，并采用功率晶体管作为电 收稿日期：２０１５－０５－２６ 作者简介：赵亚光（１９８４一），男，河北宽城人，承德石油高等专科学校后勤集团助理工程师，主要从事电工电子及 后勤研究工作。 赵亚光，等：基于单片机的直流电子负载的设计 ・３ｌ・ 子负载，ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２通过Ｄ／Ａ转换电路输出电压控制信号，信号经过运算放大器调整后，通过调节 功率晶体管的基极电压，把功率管模拟成负载使用 ，其原理如图１所示。 液晶 显示 键盘 输入 图１直流电子负载原理框图 选用功率晶体管作为电子负载，晶体管集电极电流的总和为该负载的电流。通过控制晶体管的基 极电流获得所需的集电极电流，并将消耗的功率转化为热能，通过散热器消耗热能进而实现电能的 消耗。 故障检测主要用于功率负载电路是否发生异常，如检测被测电源反接、电流电压过大、温度过高等。 同时，在温度比较高时开启风扇改善散热，在异常发生时断开功率负载电路以保护系统安全稳定。 人机接口包括液晶显示和键盘输入功能，主要用于显示运行数据，选择工作模式，并设定该工作模 式下的值。 １．２电子负载的原理 一一一一一一一一一Ｊ Ｌ一 一一一一一一．一一一一 阻性负载。 ａ ｂ 稳态下，直流电源只有阻性负荷；动态下分为阻感性负 荷（如图２中ａ所示）和阻容负载（如图２中的ｂ所示），设 图２动态下等值电阻 被测试电源的输出电压为ｕ ，方框内是等效的模拟阻感负载和阻容负载的负载单元 由图２可知： ｄｉＲＬ ｕｄ＝ ×ｇ‘ＲＬ＋ 。 （１） ． ｄ（ ｄ—Ｒ×ｔ’ＲＣ） Ｃ ——— 一 ＲＣ （２） 由（１）（２）可知： ＲＬ ‘１一ｅ－Ｔ） ＝（３） ＲＣ等×ｅ （４） 由（３）（４）可知，根据负载电流， ， 。的变化规律，负载可以分为模拟恒流、模拟恒压和模拟恒阻三 个模式。直流电子负载利用负载模拟方法，即采用对负载电流调节方法，使可调节电流与检测的输入电 压满足一定的规律，当负载电流和非线性负载电流特性曲线近似的情况下，即可模拟非线性负载。 ・３２・ 承德石油高等专科学校学报 ２０１５年第１７卷第４期 ２ 电子负载的硬件设计 ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０￥２系列单片机具有高速、低功耗、超强抗干扰等特点，指令代码完全兼容传统８０５１，但 速度快８—１２倍。内部集成ＭＡＸ８１０专用复位电路，２路ＰＷＭ，８路高速１０位Ａ／Ｄ转换（２５０Ｋ／Ｓ）。芯 片自带的ＰＷＭ和高速Ａ／Ｄ转换可以满足设计所需的快速参数调节和采样精度要求。 ２．１采样电路的设计 为了减小测量小电流的误差，将电流测量分为０～５０ Ａ、０～５ Ａ、０—０．５ Ａ、０～０．０５ Ａ四个量程。 为了保证放大器在不同测量范围时的输出电压具有稳定的放大倍数，因此，放大器的输入电阻Ｒ 》 。为了满足这个要求采用了由三个运放组成的放大电路（见图３）。 单片 一１５Ｖ 图３电流采样电路设计 电压采样电路是通过分压器得到的电压信号，具体电路与电流采样电路相似。 ２．２功率控制电路的设计 电子负载的功率控制电路主要包括功率晶体管、运放等组成负反馈控制环路。这是整个系统设计 的核心，也是电子负载的核心部分。 因ｌ６位的数模转换器ＭＡＸ５４４４具有转换速度快、兼容串行接口等特点作为Ｄ／Ａ转换电路，串行 接口连接至ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２的外设接口。 ２．３故障检测电路的设计 故障检测电路主要用于检测被测电源的电流电压过大、反接、温度过高等。 反接、过流、过压检测电路使用比较器ＬＭ３９３芯片，将故障检测输入端接芯片输入负端，基准电压 接输入芯片正端。正常状态时ＬＭ３９３输出高电平，发生异常时，ＬＭ３９３会因为负端电压大于基准电压 而输出低电平。进而使ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２通过采集对应的高低电平跳变来采取相应的报警保护措施。 温度检测电路使用测温芯片ＴＭＰ１０１，其使用两线式串行总线数字接口，可自行选择的９～１２位分 辨率。ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２通过接口对其进行设置和读取温度的操作。 ３ 电子负载的软件设计 ３．１主程序设计 主程序软件流程如图４所示。在图４中系统首先进行Ｄ／Ａ、Ａ／Ｄ、液晶显示、控制变量的初始化，然 赵亚光，等：基于单片机的直流电子负载的设计 ・３３・ 后调用键盘扫描处理程序，在没有按下自动调节按键时，默认为功能设置，此时单片机只预置数据输入、 按键查询、预置数据显示等功能；而当按下自动调节按键１次后，单片机将转为执行负载调节、Ａ／Ｄ采 集、ＰＷＭ参数调节、实际数据显示等功能（如图５所示）。 图４主程序流程图 图５运行流程图 运行工作程序实时地检测被测电源功率负载回路的电流、电压值，根据预设定工作模式参数， ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２单片机将采集的数值进行增量式ＰＩＤ运算，自动调节ＰＷＭ调制信号的占空比来控制功 率晶体管的导通时间，快速调整Ｄ／Ａ输出使实际值与设定值保持一致。通过对被测电流电压的控制， ・３４・ 承德石油高等专科学校学报 ２０１５年第１７卷第４期 实现直流电子负载使被测电源工作在恒流、恒压和恒阻的工作模式。 增量式ＰＩＤ控制算法如下 ： ｕ（ｊ｝）＝ ｅ（ ）＋Ｋ ∑ｅ（ ）＋Ｋａ［ｅ（ ）一ｅ（ 一１）］ 式中，Ｋ ＝Ｋ 寺和Ｋ ＝Ｋ 分别为ＰＩＤ算法的积分和微分系数，两者与采样周期Ｔ有关。 Ａｕ（Ｊｊ｝）：Ｋ ［ｅ（ｋ）一８（ｋ一１）］＋Ｋ ｅ（ｋ）＋Ｋ ［ｅ（五）一２ｅ（ｋ一１）＋ｅ（ｋ一２）］ （５） （６） 若令。。＝ （１＋ ＋≥），。。＝ （１＋２≥），ｎ。＝≥× ，则单片机系统一旦确定了ａ。，。 ，。：，并计 算出前后三次测量值的偏差，即求的控制量。增量式ＰＩＤ由前两个周期的偏差ｅ（ｋ一１）和ｅ（ｋ一２）可计 算出其增量只，进而算出实际的输出值。该方法可以节省内存，提高控制速度。 ３．２测试 利用信号示波器、ＤＴ一９２０５数字万用表、数字合成信号发生器各１台对系统进行测试。测试数据 如图６所示。其技术指标为：电压范围０～５０ Ｖ，电流范围０．１～１０ Ａ，最大负载电阻１ ０００ ｎ。 恒流测试数据 ９ 恒压测试 ６０ ５０ 恒阻测试 １．８ １．６ １．４ ＿＿皿４０ ３０ ０．６ ０．４ ０Ｉ２ ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ ｌ０ ２０ １０ ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ 测试次数 测试次数 图６测试结果 由图６可以看出，直流电子负载系统的运行较为平稳，工作模式之间能够良好切换，运行工作模式 较为稳定。同时，电流波形响应速度较快，超调量小，精度均小于５％。 ４ 结论 基于ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２低功耗、高速处理单片机设计的直流电子负载，基本实现恒流、恒压及恒阻等 工作模式的调节和控制。通过测试数据证明，直流电子负载具有输出电压时电流调节范围大、响应快、 硬件电路简单、易调试等优点，适用于多种测试模式，同时提供一种新的设计思路改善普通电子负载精 确度不高的缺陷，该负载基本达到预定的设计要求。 参考文献： ［１］ 朱金刚．智能电子负载的设计［Ｊ］．实验技术与管理，２００６，２３（６）：２６—２９． ［２］ 蒋益飞。周杏鹏．基于ＳＴＭ３２直流电子负载的设计与实现［Ｊ］．仪器仪表用户，２０１２，１９（３）：６８—７０ 『３］ 钟叔明．一种切换高压直流负载继电器设计方案［Ｊ］．电气技术，２００９（１１）：３２—３６． ［４］ 丁锐霞．新型电子负载的研究［Ｄ］．北京：北方工业大学．２００８． ［５］ 武恒宝．直流电子负载的设计与实现［Ｄ］．保定：河北大学．２０１４． 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