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基于MSP430F149單片機(jī)的直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2016-10-15 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要 鑒于電子負(fù)載在電源設(shè)備測(cè)試中的廣泛應(yīng)用,研制了一臺(tái)以單片機(jī)為核心處理器的。單片機(jī)內(nèi)設(shè)ADC12模塊對(duì)負(fù)載電壓、電流信號(hào)實(shí)時(shí)采樣,并外設(shè)10位D/A轉(zhuǎn)換芯片輸出模擬電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOS管,內(nèi)部控制采用,實(shí)現(xiàn)定電流、定電壓、定電阻和定功率4種工作模式。經(jīng)安裝測(cè)試,系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間3 s,電壓電流測(cè)量誤差均±0.5%,且跟蹤速度快、測(cè)量精度高,并具有一定的經(jīng)濟(jì)實(shí)用價(jià)值。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201610/307609.htm

在電子、通信、能源等領(lǐng)域中,需要對(duì)電源穩(wěn)壓器、蓄電池和功率電子元件等設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。在進(jìn)行傳統(tǒng)的負(fù)載測(cè)試時(shí),需要用電阻、電容和電感或是其串并聯(lián)組合來(lái)模擬實(shí)際負(fù)載情況,該測(cè)試方法其負(fù)載調(diào)節(jié)為有級(jí)調(diào)節(jié),精度差、體積大、功耗高且穩(wěn)定性差。是以功率半導(dǎo)體器件為載體,吸收和消耗電能的一種模擬負(fù)載。其基本原理是通過(guò)控制功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOS)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)或功率晶體管(GTR)等的導(dǎo)通量,實(shí)現(xiàn)定電流、定電壓、定電阻和定功率4種工作模式。因此,負(fù)載可進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié),且體積小、精度高、穩(wěn)定性好。

設(shè)計(jì)的為控制核心,內(nèi)部使用,配以外圍模塊,實(shí)現(xiàn)了直流電子負(fù)載的恒壓、恒流、恒阻和恒功率功能,其具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、跟蹤速度快、精度高、以及控制靈活的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和工作原理

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)直流電子負(fù)載的實(shí)現(xiàn)方式,本設(shè)計(jì)包括電壓電流檢測(cè)模塊、控制驅(qū)動(dòng)模塊、鍵盤及液晶顯示模塊等,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于MSP430F149單片機(jī)的直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)

1.2 工作原理

通過(guò)人機(jī)交互模塊中的鍵盤和LCD顯示功能,系統(tǒng)能夠選擇不同的工作模式,即定電流、定電壓、定電阻和定功率4種工作模式,且還可通過(guò)鍵盤設(shè)置在不同工作模式下的參數(shù)值。選定工作模式并設(shè)置相關(guān)參數(shù)之后,再運(yùn)行此模式。MSP430F149對(duì)工作電壓和電流實(shí)時(shí)檢測(cè),并通過(guò)內(nèi)部與設(shè)定值進(jìn)行比較,快速調(diào)整功率器件的導(dǎo)通量,直至系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)與設(shè)定值保持一致。其調(diào)整時(shí)間3 s,電壓電流測(cè)量誤差均±0.5%。

4種工作模式的具體原理如下所述:(1)定電流模式。無(wú)論負(fù)載電壓如何變化,負(fù)載電流始終與設(shè)定的電流參考值保持一致。(2)定電壓模式。負(fù)載電壓的變化決定負(fù)載電流的變化,電壓值設(shè)定后,電流會(huì)發(fā)生變化,直到電壓值與所設(shè)定的參考電壓相等。(3)定阻模式。負(fù)載電壓、負(fù)載電流成比例的變化,從而使得電阻值維持恒定,電壓與電流相比的結(jié)果與按鍵輸入電阻值相等。(4)定功率模式。功率值是負(fù)載電流、負(fù)載電壓相乘的結(jié)果,通過(guò)控制調(diào)節(jié),負(fù)載電壓、電流相乘結(jié)果與設(shè)定的功率值相等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

MSP430F149是系統(tǒng)控制的核心,擁有16位處理器,超低功耗,并具有較多的I/O端口,可滿足人機(jī)交互模塊的需求,片內(nèi)12位A/D轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換效率,可滿足電壓電流采樣精度要求。

2.1 電壓電流檢測(cè)模塊

電壓電流檢測(cè)模塊包括電壓采樣電路、電流采樣電路、片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換電路,其硬件原理如圖2所示。

基于MSP430F149單片機(jī)的直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)

電壓檢測(cè)采用電阻分壓原理,即采樣得到電阻R4上的電壓值,取樣后送入內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換電路,最終輸出一個(gè)3.3 V的電壓。為方便計(jì)算與調(diào)試,設(shè)置A/D的測(cè)量范圍為0~3 V,R4采用滑動(dòng)變阻器。由于系統(tǒng)所測(cè)電壓范圍為0~30 V,因此R3與R4的比值應(yīng)為9:1。采樣電壓UADV與實(shí)際電壓U的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下所示

基于MSP430F149單片機(jī)的直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)

電流采樣電路需將變化的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào),電流信號(hào)以R5為載體轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。由于系統(tǒng)所測(cè)電流范圍為0~3 A,設(shè)置片內(nèi)A/D測(cè)量范圍為0~3 V。因此,當(dāng)R5上有3 A電流流過(guò),其電壓不能超過(guò)3 V,即R5的取值不能超過(guò)1 Ω。為使系統(tǒng)安全低耗的運(yùn)行,選定精密電阻R5為0.5 Ω,然后電壓信號(hào)通過(guò)運(yùn)算放大器LM324放大2倍,最終送入內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行處理。采樣電壓UADV與實(shí)際負(fù)載電流的關(guān)系為

基于MSP430F149單片機(jī)的直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)

2.2 控制驅(qū)動(dòng)模塊

控制驅(qū)動(dòng)模塊包括隔離放大電路和D/A轉(zhuǎn)換電路。硬件原理如圖3所示。

基于MSP430F149單片機(jī)的直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)

功率半導(dǎo)體器件選用n溝道增強(qiáng)型功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF740,漏源之間的最大承受電壓為400 V,常溫下漏極電流最大為10 A,符合設(shè)計(jì)需求。在D/A輸出口與IRF740柵極之間加入線性光耦器件HCPL7840,驅(qū)動(dòng)功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF740工作,同時(shí)起到隔離作用,以提高抗干擾能力。

MSP430F149無(wú)內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換電路,因此,需要在外圍增設(shè)D/A轉(zhuǎn)換電路。D/A轉(zhuǎn)換芯片選用10位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器,只需3根串行總線便可完成10位數(shù)據(jù)的傳輸,易于和單片機(jī)進(jìn)行接口,并簡(jiǎn)化了電路,其外部基準(zhǔn)電壓一般為2.048 V,因此系統(tǒng)選用高精度基準(zhǔn)電壓源REF3020,滿足了芯片需要。最大可輸出基于基準(zhǔn)2倍的電壓,即可驅(qū)動(dòng)MOS管正常工作。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件的主程序流程如圖4所示,可使被測(cè)負(fù)載穩(wěn)定的工作在恒流、恒壓、恒阻、恒功率4種工作模式下。軟件包括初始化程序、數(shù)據(jù)采集程序、單片機(jī)處理程序、D/A轉(zhuǎn)換程序和LCD顯示程序等。程序執(zhí)行時(shí)先對(duì)各模塊程序進(jìn)行初始化,然后對(duì)負(fù)載電壓電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣,再經(jīng)過(guò)MSP430F149處理,并結(jié)合相應(yīng)的控制算法,快速調(diào)整PWM輸出,最終的實(shí)際值與預(yù)先設(shè)定值保持一致。

基于MSP430F149單片機(jī)的直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)

在控制驅(qū)動(dòng)功率負(fù)載電路PWM輸出時(shí),軟件部分采用的是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,在上述4種工作模式中,若實(shí)際值大于給定值,利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法不斷訓(xùn)練,實(shí)時(shí)調(diào)整PID控制器參數(shù),并通過(guò)得到的最優(yōu)參數(shù)便可精確推導(dǎo)出控制量,進(jìn)而得到PWM占空比。同時(shí)驅(qū)動(dòng)MOS管的柵極電壓,降低管內(nèi)的導(dǎo)通量使實(shí)際值減小,最終與給定值保持一致。若實(shí)際值小于給定值,則增大MOS管的導(dǎo)通量使實(shí)際值增大。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可最大化的逼近直流電子負(fù)載的非線性曲線,實(shí)時(shí)調(diào)整PID參數(shù),使PID調(diào)節(jié)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài),且此算法的收斂速度快,能夠到達(dá)理想的控制效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)以MSP430F149超低功耗單片機(jī)為控制核心設(shè)計(jì)的直流電子負(fù)載裝置,實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載輸入電壓為0~30 V、負(fù)載輸入電流為0~3 A的調(diào)節(jié)與控制。通過(guò)軟硬件結(jié)合調(diào)試,測(cè)得系統(tǒng)最大負(fù)載電阻為90 Ω、最大負(fù)載功率為90 W,電壓和電流的測(cè)量誤差均控制在以下,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)恒壓、恒流、恒阻、恒功率4種工作模式的平滑調(diào)節(jié)與切換。此處系統(tǒng)以軟件替代硬件的原則,簡(jiǎn)化了硬件電路。綜上所述,文中設(shè)計(jì)的直流電子負(fù)載裝置具有測(cè)量誤差小、硬件簡(jiǎn)單、易于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。



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