基于MSP430单片机控制直流电子负载电路设计

摘要：系统采用MSP430作为核心控制器，通过矩阵键盘设定负载端的电流输入值，经过D/A信号转换器形成模拟信号，使用三极管形成恒流源，保证电源输出的电流恒定。同时通过反馈电路自动调整输出电流，实现负载回路电流的恒定输出，并通过液晶屏显示数据，方便实际应用。

关键词：MSP430 压控电流源 模拟闭环控制 空载过压保护

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）10-0003-02

在现实的生活中，电源类产品在出厂前，必须经过性能测试，合格后才能投入市场。在以往，通常采用静态负载，如电阻箱等可变阻值的电阻来模拟负载，但其测试精度低，方法不易操作，给电源的测试带来了困难。为了解决这个问题，人们设计了一种电子负载设备，可以有效改良电源测试的方法。电子负载主要依靠电子元器件吸收并消耗电能，其体积较小，一般采用功率半导体器件作为载体，使得负载易于调节和控制，并能达到很高的精度和稳定性。本文在系统设计中采用TI公司的单片机MSP430，该单片机工作电流低，能有效降低功耗，具有16位数据的处理能力，且内置硬件乘法器，乘除法运算都为单周期指令，运行速度更快，片内集成资源丰富，为系统设计提供了可能。同时通过测量电路实时监控被测电源的相关数据，并通过LCD显示屏，显示测得的数据。本文设计简单易行，系统运行稳定可靠。

1 系统设计的基本原理

1.1 系统设计方案

系统设计利用单片机MSP430作为核心控制器，以44矩阵键盘设定单片机输出电流值，单片机将相应的数字信号输出给D/A芯片处理，将键盘设定输出的电流值从数字电压信号转换为模拟电压信号，再经恒流控制和电流放大，将产生的信号接入被测电源的输入端（电源的正极）。被测电源的实际输出电流（电源的负极）再经过采样电阻形成电压信号经过A/D信号转换和电压检测，将数字信号输入单片机进行相应的程序处理，再经LCD液晶屏显示。

在电路的设计过程中，为减少误操作给系统硬件带来的破坏，我们也设计了空载和过载报警电路。当系统中没有接入被测电源或者检测的电流值超出一定范围，通过蜂鸣器报警和高亮LED的闪烁，引起使用者足够的注意。以上功能设计的系统框图如图1所示。

1.2 系统硬件设计的实现

电路设计中，D/A转换器我们采用的是8位的数模转换芯片DAC0832，其引脚结构如图2所示。

DAC0832内部含有两级输入寄存器，使其具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适用于多种电路设计需要。D/A转换结果采用电流形式输出，再通过选用合适的线性运算放大器实现模拟信号的放大，满足相应的设计需要。同时运放的反馈电阻可通过Rfb引脚端引用片内固有电阻，也可以根据设计需要外接反馈电阻。该芯片的典型应用如图3所示。

本文系统设计的控制芯片采用的是MSP430，反馈电阻采用的是外接电阻，经D/A转换后输出的电流连入集成运算放大器LM324的输入端，进行模拟信号的放大，再经过反馈电路，将相应的模拟信号进行数据处理。而反馈电路运行的稳定性，直接影响着系统工作的精度，作者采用了如图4的硬件设计方式实现反馈电路的功能。

受控电流源采用普通三极管SS8050和大功率三极管3DD15D相结合，通过控制流入大功率三极管3DD15D的基极偏置电压，间接控制输出到负载上的电流大小。在系统的设计调试过程中，我们采用15V电源和负载电阻来替代实际的被测电源，进行相关的参数研究。实际使用中，我们可以去除负载电阻，在15V电源和GND接线处连接被测电源。设计中，我们还需考虑到输入到单片机的电压是经过A/D变换的数字信号，这样才可以实现与MSP430的接口连接，由核心控制器来进行数据的处理。由于MSP430内置A/D转换器，可以完成模拟信号向数字信号的转换，因此降低了系统硬件电路设计的复杂性，有利的节约了开发成本。

实现空载和过载报警电路的方法是测量负载两端电压，由于这两点电压比较高，因此需分压后送A/D测量，分压电阻取值需要较大，以减小对输出电流的影响，当超过额定值时通过主控制器软件程序判断是空载或者过载，电路设计如图5所示。

2 系统设计的软件功能原理

在系统硬件设计的基础上，作者完成了相应的软件程序设计，其程序流程图如图6所示。

在整个硬件系统上电后，首先进行系统初始化，保证各硬件系统运行正常。空载或者过载部分的程序编写可以有效减少因误操作对系统的硬件造成的破坏，在这部分程序中，以容错技术为主，包括：空载报警提示、负载电压过大报警。当电流源没有外接负载或者外接负载超过系统设计的参数极限时，产生相应中断程序，调用声光报警程序和液晶显示程序，提示系统的操作者。

除此之外，程序流程图中的按键扫描程序是重要组成部分，实现的相应功能的子程序较多，其中实现的按键功能有加1键，减1键，退格键，取消键，确定键，保存键和基本的数字功能键。键码的分析中涉及到键盘扫描和编码技术，其中键盘扫描的方式一般有三种：主动查询方式、键盘中断方式和定时中断方式。键盘编码的方式常见的有三种：特征编码法、顺序编码法和反转查表法。本次设计采用主动查询方式对键盘进行扫描，采用反转查表法对键盘编码。

主程序示例。在主程序中，包括基本的头文件和主函数，由于整体程序的复杂性，在本文中我们针对主要的功能函数进行简单说明

3 结语

该简易直流电子负载电流可以在100mA～1000mA范围内进行设定，并且以10mA的步进值，对输出电流大小进行微调，因而可实际应用于检测小功率恒流源的稳定性。在恒流（CC）工作模式下，当电子负载两端电压变化10V时，显示电流值变化小于1%。电子负载还可以检测被测电源的电压与电流，达到设计要求。

作者在接下来的系统研究中，将进一步通过提升硬件性能，改善硬件设计的合理性，提升软件程序的运行效率，提高电流的输出精度，达到更稳定的测试性能。

参考文献

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[3] 金鹏科技有限公司.中文模块C型液晶图文显示器使用说明书[Z].http：//.cn/qkpdf/szjs/szjs201310/szjs20131002.pdf" style="color:red" target="_blank">原版全文 推荐访问： 单片机 电路设计 控制 电子负载 MSP430