基于STM32的程控直流電子負(fù)載

1、-. z.基于STM32的程控直流電子負(fù)載 *俊杰來源：電子技術(shù)與軟件工程2018年第05期摘 要 設(shè)計了基于Corte*-M3內(nèi)核的STM32F103芯片為控制核心的硬件系統(tǒng)，采用硬件PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成串聯(lián)負(fù)反應(yīng)閉環(huán)控制構(gòu)造，提高電流控制精度。軟件直流采樣局部采用防脈沖干擾的中位值平均濾波算法對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)展處理，減小隨機(jī)誤差對電子負(fù)載性能的影響，最終實現(xiàn)恒流和恒阻兩種工作模式。并且，采用LCD顯示屏進(jìn)展模式的切換和參數(shù)的設(shè)定，實現(xiàn)了較好的人機(jī)交互。詳細(xì)研究了PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計和中位值平均濾波算法對負(fù)載參數(shù)精度提高的影響，設(shè)計了一種低本錢，較高精度，人機(jī)交互較好的程控電子負(fù)載?！娟P(guān)鍵詞】電子負(fù)載 P

2、I調(diào)節(jié)器 濾波算法 STM321 引言在各種電子產(chǎn)品設(shè)計中需要用到負(fù)載測試，如蓄電池放電試驗，購置電池、電源時等都需要負(fù)載測試。當(dāng)前，國內(nèi)外對上述產(chǎn)品的試驗一般都采用傳統(tǒng)的靜態(tài)負(fù)載電阻箱、滑線變阻器等能耗放電的方法進(jìn)展?？v觀直流電源的開展史，從復(fù)雜、笨重的線性電源到高效便捷的開關(guān)電源，從簡單的模擬電源到復(fù)雜的數(shù)控電源，電源逐漸覆蓋了我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域，因而人們對電子負(fù)載的需要越來越多，對其功能的要求也越來越高。而傳統(tǒng)的電源檢測技術(shù)在測試電源性能時，往往需要接入不同性質(zhì)、阻值的負(fù)載，傳統(tǒng)的測試方法存在很大的局限性，如大功率可變電阻體積較大，別離電阻元件阻值不連續(xù)。為準(zhǔn)確檢測電源的可靠性和帶載

3、能力，因此本文把電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，實現(xiàn)電源的可靠檢測。在傳統(tǒng)直流電源的根底上，利用微處理器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，結(jié)合軟件編程，對電子負(fù)載進(jìn)展程序控制。同時，應(yīng)用控制理論設(shè)計一套高效的控制算法，來提高電子負(fù)載的控制精度，數(shù)據(jù)直觀的顯示在LCD觸摸屏上，實現(xiàn)較好的人機(jī)交互，并能實現(xiàn)恒流、恒阻等模式的切換。本程控直流電子負(fù)載采用硬件、軟件雙調(diào)節(jié)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的模擬電阻性負(fù)載相比擬具有本錢低、性能好等長處，由于程控電子負(fù)載相較于模擬電阻性負(fù)載具有更多的優(yōu)點，電子負(fù)載被越來越多地應(yīng)用到各種實驗場所，有著廣闊的市場和廣泛的應(yīng)用前景。2 程控直流電子負(fù)載的原理及整體方案目前的恒流電路大

4、都是在根本恒流電路的根底之上進(jìn)展改良，逐漸開展成形。目前應(yīng)用比擬廣泛的有線性調(diào)節(jié)和開關(guān)式調(diào)節(jié)兩種電流調(diào)節(jié)方式，分別對這兩種調(diào)節(jié)方式的特點進(jìn)展總結(jié)，得到表1。吸取現(xiàn)階段程控直流電子負(fù)載設(shè)計的優(yōu)點。如圖1所示，本程控直流電子負(fù)載方案構(gòu)成為，STM32F103單片機(jī)通過內(nèi)部集成的D/A，A/D模塊來調(diào)節(jié)給定電壓值，再經(jīng)過V/I轉(zhuǎn)換電路改變輸出電流值，外圍可以適當(dāng)?shù)脑黾舆\(yùn)放電路來比例調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓的大小。增加了保護(hù)電路，采用運(yùn)算放大器構(gòu)成的窗口比擬器，采樣電壓位于窗口值以內(nèi)時，保護(hù)電路不動作，一旦采樣電壓值越界，保護(hù)電路及時切斷電源，并反應(yīng)給單片機(jī)，單片機(jī)控制聲光報警裝置提醒用戶。并且LCD顯示屏替換了

5、傳統(tǒng)的顯示器，可以顯示電壓、電流、英文標(biāo)注并且負(fù)載參數(shù)顯示精度可以到達(dá)三位數(shù)。3 程控電子負(fù)載的硬件設(shè)計程控電子負(fù)載的硬件設(shè)計是整個電子負(fù)載設(shè)計的根底。硬件設(shè)計主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計和外圍電路的設(shè)計，考慮如何實現(xiàn)功能的同時還必須兼顧元器件之間的相互影響的問題。本章從單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計、電壓電流轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計、PI調(diào)節(jié)器模塊的設(shè)計這幾個方面進(jìn)展硬件設(shè)計開發(fā)。3.1 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計單片機(jī)系統(tǒng)主要是由單片機(jī)最小系統(tǒng)及LCD顯示器、外部按鍵、聲光報警電路這些外圍電路一起構(gòu)成的數(shù)字電路控制模塊。顯示器件采用LCD液晶屏，顯示模塊的內(nèi)部包含有一個液晶控制芯片 ILI9341，顯示時，各種模塊共同作用把

6、 GRAM存儲單元中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成液晶面板的控制信號，使像素點呈現(xiàn)特定的顏色，各個像素點組合起來則成為一幅完整的圖像來實現(xiàn)液晶顯示。本設(shè)計用STM32F103的FSMC接口實現(xiàn)控制LCD的8080時序，較好的實現(xiàn)人機(jī)交互。采用矩陣鍵盤作為外部按鍵，蜂鳴器與LED實現(xiàn)聲光報警，完成整個單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計。3.2 電壓電流轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計V/I轉(zhuǎn)換電路是整個程控電子負(fù)載的核心電路，V/I轉(zhuǎn)換電路是一種將輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流的電路，電子負(fù)載外接電源供電時，流過電子負(fù)載的電流值不會隨著外部電壓的改變而改變，而是僅取決于控制電壓的大小。如圖2所示，外部電源V1為電子負(fù)載提供電壓，R1為電流檢測電阻。運(yùn)算放大器U

7、5與R8、C1組成PI調(diào)節(jié)器，Q1構(gòu)成場效應(yīng)管電路。電子負(fù)載內(nèi)部電路上R1上的電壓值，送入U6運(yùn)放構(gòu)成的前置放大器，進(jìn)展電壓放大后送入由U5運(yùn)放，該運(yùn)放構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器對場效應(yīng)管的Vgs進(jìn)展調(diào)節(jié)，控制場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻進(jìn)而到達(dá)恒流的目的。下面通過計算來說明V/I轉(zhuǎn)換電路的工作原理：設(shè)流過反應(yīng)電阻的電流為If，則反應(yīng)電壓為由上式可知，當(dāng)電阻R2、R4、R6、R7、Rf的阻值固定，輸出的電流值只跟輸入電壓有關(guān)，與外加電源電壓的大小無關(guān)，外部電壓在適宜的*圍內(nèi)改變時，輸出電流恒定。因為A/D模塊只能對外部電壓的大小進(jìn)展檢測，所以檢測電流時用電阻R1將電子負(fù)載電路中的電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號送入A/D模塊

8、進(jìn)展檢測。負(fù)載電流I與電流采樣點電壓Uf的關(guān)系為電壓采樣電路中，由于電子負(fù)載的輸入電壓*圍比擬寬，實際工作電壓較高，采樣前首先進(jìn)展了分壓設(shè)計。如圖2所示采用1/11的分壓被試電源兩端的電壓U與電壓采樣點電壓Ur5的關(guān)系為根據(jù)電壓檢測電路所檢測到的電壓值，可以知道電子負(fù)載兩端的實時電壓值，根據(jù)矩陣鍵盤輸入的電阻值和A/D模塊檢測到電路兩端的電壓值則可以計算出電路中應(yīng)當(dāng)存在的實時電流值，再根據(jù)恒流原理D/A模塊對電流值進(jìn)展準(zhǔn)確控制則可以實現(xiàn)恒阻模式。恒阻模式下電壓U與電路中電流I的關(guān)系為因為R1=0.2，電路中的電流100mA3.3 PI調(diào)節(jié)電路的設(shè)計為了提高電子負(fù)載的穩(wěn)定性，本設(shè)計在傳統(tǒng)的V/I

9、轉(zhuǎn)換電路上進(jìn)展了改良，增加了由運(yùn)算放大器構(gòu)成的硬件PI調(diào)節(jié)器，到達(dá)快速穩(wěn)定電流輸出的目的。PI調(diào)節(jié)器如圖3所示。對于電子負(fù)載的設(shè)計，準(zhǔn)確度是一個不容無視問題?？刂芃OS管導(dǎo)通量的變換是一個不停變化調(diào)節(jié)的過程，傳統(tǒng)的比擬器僅僅只是比擬設(shè)置值與實測值，比擬后的輸出作用于MOS管的門極。這樣的反應(yīng)系統(tǒng)只能使MOS管在通和短兩種狀態(tài)下切換，而PI調(diào)節(jié)器可以更加準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)MOS管的導(dǎo)通角，使其導(dǎo)通角更夠在更大的*圍內(nèi)進(jìn)展調(diào)整。如圖3所示的PI調(diào)節(jié)器，其輸出電壓Vout由比例和積分兩個局部組成，零狀態(tài)的階躍響應(yīng)的輸出電壓的時間特性如圖4所示。瞬間參加輸入電壓Uin時，開場的瞬間電容C1相當(dāng)于短路，反應(yīng)阻抗

10、只有電阻R3，輸出電壓從0跳變到KUin。隨著電容C1被充電UO不斷線性增長，直到到達(dá)最大放大電壓或運(yùn)算放大器飽和。因此，比例積分器擁有比例控制和積分控制兩種優(yōu)點，比例控制局部能夠迅速響應(yīng)外部輸入，積分控制局部能夠消除穩(wěn)態(tài)偏差，實現(xiàn)對MOS管導(dǎo)通角的有效控制，只要負(fù)載電路中的實測值與設(shè)定值之間有偏差，輸出就會反復(fù)調(diào)節(jié)，消除穩(wěn)態(tài)誤差，實現(xiàn)無靜差的調(diào)節(jié)。PI調(diào)節(jié)器是一種線性控制器，理論輸出值rt與實際輸出值ct構(gòu)成控制偏差將偏差的比例P和積分I通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)展控制，規(guī)律為et為PI控制器的輸入，ut為PI控制器的輸出，K為比例系數(shù)，TI為積分時間常數(shù)。通常K的增大會使閉環(huán)系統(tǒng)

11、的調(diào)節(jié)量增大，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，但是系統(tǒng)會變得不穩(wěn)定。積分環(huán)節(jié)主要作用于消除靜差，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之越強(qiáng)。積分作用越弱，系統(tǒng)響應(yīng)速度越慢。本設(shè)計，為了較快且更加準(zhǔn)確的消除誤差，取R1=R2=R3=10K，C1=1uF。所以，本設(shè)計的PI調(diào)節(jié)器K=1，TI=0.01s。4 程控電子負(fù)載的軟件設(shè)計軟件局部主要分為整體控制設(shè)計和中位值濾波算法設(shè)計兩個局部。4.1 整體控制設(shè)計程控電子負(fù)載的主程序設(shè)計主要采模塊化設(shè)計的方式。單片機(jī)工作流程圖如圖5所示。當(dāng)翻開單片機(jī)電源，單片機(jī)啟動并開場工作時用了。單片機(jī)先單片機(jī)只執(zhí)行按鍵查詢、LCD顯示等功能，顯示開場界面，

12、此時可以選擇進(jìn)入恒流或者恒阻模式。進(jìn)入恒流、恒阻模式后輸入設(shè)定的電流、電阻預(yù)置值，則完成負(fù)載設(shè)置，單機(jī)啟動運(yùn)算子程序開場運(yùn)算所需輸出電壓值，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)化產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，通過外部PI調(diào)節(jié)器和內(nèi)部閉環(huán)調(diào)節(jié)來控制MOSFET的柵極電壓，完成負(fù)載調(diào)節(jié)，在恒流、恒阻的工作模式下都進(jìn)展A/D電壓、電流檢測，測出電子負(fù)載的實際電壓和電流值，并通過液晶顯示屏顯示出來。如果電子負(fù)載在工作過程中出現(xiàn)了故障，導(dǎo)致電子負(fù)載內(nèi)部電流過大，到達(dá)可以損壞該設(shè)計的閾值時，單片時機(jī)迅速產(chǎn)生中斷，向外界發(fā)出報警信號的同時完畢整個系統(tǒng)的工作，保護(hù)內(nèi)部電路不被燒毀。4.2 A/D采樣濾波算法的設(shè)計對于A/D采樣來說，一次的采樣數(shù)據(jù)

13、不能合理的代表當(dāng)前時刻的電壓值，因為有外部和內(nèi)部各種干擾的存在，會對采樣值造成一定的誤差，為了克制這種誤差，可以采用數(shù)字濾波的方法對隨機(jī)予以消除。本設(shè)計采用中位值平均濾波算法防脈沖干擾平均濾波算法其融合了中位值濾波算法能有效克制因偶然因素引起的波動干擾和算數(shù)平均濾波算法適用于信號求均值的優(yōu)點，可消除脈沖信號干擾和采樣值偏差。程序流程圖如圖6。該方法的思路為，連續(xù)采樣n個數(shù)據(jù)，將這一組數(shù)據(jù)進(jìn)展排序，去除最大值和最小值，計算n-2個數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值，作為最后的結(jié)果。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)n取10的時候效果較好 。5 樣機(jī)測試結(jié)果文章按照本設(shè)計，制作了負(fù)載樣機(jī)，測試性能滿足如下要求：1電流輸入*圍：01A，分

14、辨率：0.01A，精度：5%2恒阻模式：12K，分辨率：1，精度：5%首先測試系統(tǒng)的恒流特性，將直流電源和電子負(fù)載構(gòu)成閉合回路，設(shè)定不同的放電電壓，將得到的測試電流和目標(biāo)電流值相比擬，分析誤差。表2為恒流模式下的測試數(shù)據(jù)節(jié)選。電流精度在5%內(nèi)時，設(shè)備兩端電壓變化*圍較廣。輸出電流分辨率可以到達(dá)10mA，可以到達(dá)設(shè)計要求。相較于現(xiàn)階段的恒流電子負(fù)載，提高了電流分辨率和恒流情況下電壓變化*圍 。表3為恒阻模式下的局部測試結(jié)果，在設(shè)定電阻值不大的時候，外部提供較大的電壓，電子負(fù)載上電流值較大時實際電阻值和目標(biāo)電阻值差距不大。隨著目標(biāo)電阻增加，電子負(fù)載上的電流減小，D/A輸出控制精度達(dá)不到要求則誤差會

15、增大，此時如果增加外部電壓來提升電路中電流，則會導(dǎo)致A/D檢測電壓超出*圍或測試不準(zhǔn)確也會使整體誤差增大。在該設(shè)計中，恒阻模式下，電阻值設(shè)置到500以下使恒阻效果較好，誤差較小。假設(shè)電阻值大于500時也能在一定的電壓*圍內(nèi)實現(xiàn)恒阻，但電壓*圍較小，誤差較大。6 完畢語本文在理論分析的根底上，設(shè)計了一種高性價比的程控直流電子負(fù)載。詳細(xì)討論了程控直流電子負(fù)載的硬件、軟件雙調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計。樣機(jī)測試結(jié)果證明，設(shè)計的電子負(fù)載具有較高的穩(wěn)定性，性能優(yōu)良，滿足設(shè)計要求。參考文獻(xiàn)1許琴.程控直流電子負(fù)載的研究與設(shè)計J.企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2013，3217：1-2.2王麗.高精度程控電流源的設(shè)計J.儀表技術(shù)與傳感器，201207：10-30.3吳振英，俞鑫東.基于MSP430F149直流電子負(fù)載醮設(shè)計J.現(xiàn)代顯示，201212：10-14.4文先仕.基于arm c