基于STM32 的簡易電子負(fù)載裝置

何 建，翟戰(zhàn)場

(中國民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307)

基于STM32 的簡易電子負(fù)載裝置

何 建，翟戰(zhàn)場

(中國民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307)

采用STM32F103VE為主控芯片，通過A/D及D/A轉(zhuǎn)換和控制MOSFET的導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)電子負(fù)載功率模塊的溫度控制、0-5A的恒流放電及設(shè)置電源放電截止電壓。通過測試，可實(shí)現(xiàn)0-5A恒流放電，可調(diào)精度為0.03A，并且實(shí)時(shí)顯示放電電流、電源電壓和放電時(shí)間。放電結(jié)束可顯示放電容量，具有動態(tài)負(fù)載測試功能。測試結(jié)果表明，該電子負(fù)載容量測試誤差在5%以內(nèi)，結(jié)果精確，設(shè)計(jì)簡易，方便使用。

電子負(fù)載；STM32；MOSFET；恒流；鋰電池

0 引言

測試電源性能對電源的設(shè)計(jì)和健康檢查具有相當(dāng)重要的作用[1]。目前一些電源測試裝置存在檢測時(shí)間長，檢測流程復(fù)雜的問題。故為簡化測試流程，輕量化測試裝置，提高測試效果需要研制一種新的電源測試裝置以解決上述問題。本設(shè)計(jì)基于STM32控制芯片，可滿足不同負(fù)載特性的要求進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)電源測試過程動態(tài)監(jiān)測，簡化測試流程，直觀的顯示電源測試結(jié)果，很好地解決了目前電源測試設(shè)備面臨的問題[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以STM32F103VE為主控芯片，通過按鍵實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位、放電電流和放電截止電壓的設(shè)置。前端采集模塊上加有一個(gè)容量較大的電感，用于穩(wěn)定測試時(shí)的輸出電流，避免其他的因素影響測試結(jié)果。由STM32產(chǎn)生PWM波，經(jīng)TC427放大驅(qū)動MOSFET管工作，采集通過康銅絲上的電流，經(jīng)芯片處理后回饋給單片機(jī)，與設(shè)定值進(jìn)行比較，經(jīng)過STM32的PI調(diào)節(jié)，形成一個(gè)死循環(huán)控制系統(tǒng)，并利用放電電壓、電流和時(shí)間之間的關(guān)系，計(jì)算出放電電量[3-7]。另外，使用STM32的自帶的AD和D/A轉(zhuǎn)換器，簡化了電路設(shè)計(jì)，其用于檢測放電電流和當(dāng)前電源電壓，調(diào)節(jié)MOSFET的導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)輸出電流的控制。系統(tǒng)工作時(shí)功耗部分即MOS管發(fā)熱，通過熱敏二極管采集MOS管上的溫度，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值的時(shí)候散熱風(fēng)扇開始工作[8]。系統(tǒng)通過LCD12864實(shí)時(shí)顯示測試電流，電壓和測試結(jié)果，簡化了測試流程，使用方便。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電流電壓采集電路

電流采集以雙運(yùn)放LM358為核心，LM358有兩個(gè)高增益、獨(dú)立的、內(nèi)部有頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)放，適用于電壓范圍很寬的單電源或雙電源工作方式。它的應(yīng)用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)放的地方使用。LM358通過濾波電路將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，傳輸?shù)絊TM32以完成輸出端電流電壓信號的采集[9-11]。電流電壓采集電路如圖2所示，其中I，U為電流、電壓采集輸入端口。

2.2 溫度采集和控制電路

溫度采集電路主要是經(jīng)過溫度傳感器感應(yīng)到溫度之后采用LM358芯片進(jìn)行信號放大，經(jīng)過LM358放大后的信號驅(qū)動MOS管Q2來驅(qū)動風(fēng)扇，當(dāng)溫度降下去之后MOS管Q2不工作 ，風(fēng)扇不轉(zhuǎn)。由此得到一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。溫度采集和控制電路如圖3所示。

圖2 電流電壓采集電路

2.3 功率負(fù)載電路

電子負(fù)載消耗電能轉(zhuǎn)化成熱能或其它形式的能量。一般選用場效應(yīng)管(MOSFET)、絕緣柵晶體管(IGBT)替代電阻作為消耗電能的載體，使電路負(fù)載調(diào)節(jié)與控制回路是被測電源電流在電子負(fù)載中流過的回路， MOSFET通過其導(dǎo)通程度來改變流過它的電流[12]。采用Q1-TO247來作為負(fù)載，在此回路中Q1就相當(dāng)于一個(gè)可變電阻，通過控制其柵極電壓來控制其電流。除此之外還需要串聯(lián)一個(gè)固定電阻，將主回路的電流轉(zhuǎn)換為電壓，再通過測量其電壓計(jì)算出電流。功率負(fù)載電路如圖4所示，其中P1為待測電源。

圖4功率負(fù)載電路電路

2.4 電子負(fù)載供電電路

本設(shè)計(jì)需要三種供電電源，以滿足系統(tǒng)供電需求。12V：供給MOS驅(qū)動芯片；5V：供給12864顯示器和電源基準(zhǔn)；3.3V：供給STM32芯片。電子負(fù)載供電電路如圖5所示，其中電子負(fù)載裝置采用外接12V直流電源，經(jīng)過LM780降壓及TL430校準(zhǔn)后供電給12864顯示器。另外，5V的電壓經(jīng)AMS1117處理后得到3.3V電壓，用于STM32供電。電子負(fù)載供電電路如圖5所示。

圖5電子負(fù)載供電電路

2.5 按鍵電路

按鍵部分，包括了各個(gè)功能的按鍵：設(shè)定鍵，確認(rèn)鍵，數(shù)值加減等按鍵，如圖6所示。

圖6 按鍵電路

(1)設(shè)置鍵U7：在正常放電運(yùn)行過程中此鍵按下將停止放電，在最后容量顯示界面按下此鍵可以重新進(jìn)行下一次放電參數(shù)設(shè)置。

(2)設(shè)置電流加鍵U12：每次按下電流值加0.03A，長按電流值自加，在運(yùn)行過程中按下此鍵不起作用。

(3)設(shè)置電流減鍵U8：每次按下電流值減0.03A，長按電流值自減，在運(yùn)行過程中按下此鍵不起作用。

(4)設(shè)定下限電壓加鍵U13：每次按下設(shè)定電壓值加0.08v，長按電壓值自加，在運(yùn)行過程中可以按下此鍵改變下限電壓值。

(5)設(shè)定下限電壓加鍵U9：每次按下設(shè)定電壓值減0.08v，長電壓流值自減，在運(yùn)行過程中可以按下此鍵改變下限電壓值。

(6)確定鍵U10：在參數(shù)設(shè)置結(jié)束時(shí)按下此鍵1s，界面將進(jìn)入運(yùn)行畫面，如果輸入的電壓低于設(shè)置的下限電壓，運(yùn)行畫面維持3-5s后進(jìn)入容量顯示畫面。

2.6 LCD顯示模塊設(shè)計(jì)

顯示部分采用12864作為液晶顯示器，利用該模塊靈活的接口方式和簡單方便的操作指令，構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面，而且顯示程序要簡潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。LCD顯示模塊電路如圖7所示。

圖7 LCD顯示模塊電路

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序以STM32為平臺采用基于KEIL的C語言編寫，主要是實(shí)現(xiàn)按鍵掃描、溫度采集、輸出電壓電流的控制等各功能模塊功能。

3.1 系統(tǒng)程序

程序設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示，系統(tǒng)啟動后首先要對顯示模塊、A/D模塊、D/A模塊、溫度采集模塊進(jìn)行初始化，設(shè)定系統(tǒng)的初始工作狀態(tài)，然后根據(jù)采集到的不同的按鍵狀態(tài)，系統(tǒng)進(jìn)入不同的工作模式。在不同工作模式下，在菜單界面，首先要對放電電流、放電截止電壓進(jìn)行設(shè)置，確認(rèn)按鍵按下后，系統(tǒng)以設(shè)定工作模式工作，A/D模塊將電路的實(shí)時(shí)參數(shù)傳輸給MCU并顯示，D/A模塊根據(jù)設(shè)定負(fù)載特性要求控制輸出電流、電壓[13-14]。

圖8 程序設(shè)計(jì)流程圖

3.2 系統(tǒng)功能

(1)系統(tǒng)可以通過在程序里調(diào)用不同的控制策略來模擬電源測試時(shí)的各種工作需要；

(2)系統(tǒng)具有恒流(CC)工作模式，輸出電流分辨率可設(shè)置為30mA，測試精度為±1%。CC工作模式下具有開路功能，且系統(tǒng)開路狀態(tài)下輸出電流值可設(shè)置為零；

(3)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)測量并數(shù)字顯示電子負(fù)載兩端的電壓，電壓測量精度為±(0.02%+0.02%FS )，分辨力為80mV，測試精度為±5%；

(4)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)測量并數(shù)字顯示流過電子負(fù)載的電流，電流測量精度為±(0.1%+0.1%FS)；

(5)系統(tǒng)具有過壓保護(hù)功能；

(6)系統(tǒng)擁有可靠、易用的控制界面。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試采用直流電源和10只18650鋰離子電池作為被測電源。首先測試系統(tǒng)的恒流特性，將直流電源接在電子負(fù)載輸出端口，設(shè)定不同的放電電流和放電電壓，將得到的測試電流和實(shí)際電流進(jìn)行比較，分析誤差。直流電源恒流測試結(jié)果如表1所示。

表1 直流電源恒流測試結(jié)果

由表1可知，電子負(fù)載輸出端恒流效果較好，恒流放電時(shí)系統(tǒng)放電電流的設(shè)定值與實(shí)測值誤差穩(wěn)定在0.7%左右，電流值波動在設(shè)定值的2%以下。

直流穩(wěn)壓源的測試主要測試放電過程輸出端的恒流特性。在電子負(fù)載恒流特性滿足設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，以18650鋰離子電池作為實(shí)驗(yàn)對象，負(fù)載電壓隨放電電流而變化時(shí)，測試系統(tǒng)對18650鋰離子電池的放電電量計(jì)量的性能表現(xiàn)。

表2為鋰電池容量測試結(jié)果，放電電流取1A-3.81A。圖9為10只鋰電池容量測試中設(shè)定放電電流與放電時(shí)間的擬合曲線。鋰電池容量測試擬合曲線取Y=a+b/X，以10號鋰電池為例，則Y=0.017366+3377.4227/X，故通過分析測得數(shù)據(jù)可知10條擬合曲相關(guān)系數(shù)均在0.998以上。由圖9可知，隨著放電電流的增加放電時(shí)間越來越短，放電過程中電池電壓隨著放電時(shí)間的增加而不斷降低基本擬合3400mAh鋰電池標(biāo)準(zhǔn)放電曲線Y=0.00+3400/X。

由表3可知，不同工作模式下的負(fù)載電流的大小對鋰離子電池放電電量沒用明顯的影響。圖9所示為鋰電池容量測試結(jié)果，給出了鋰電池容量測試的誤差散點(diǎn)分布。由該圖可知，鋰電池容量測試波動在4%左右，考慮到鋰電池生產(chǎn)工藝的限制，10只鋰電池并非標(biāo)稱3400mAh容量，這一數(shù)據(jù)已經(jīng)較好，這表明本設(shè)計(jì)的簡易電子負(fù)載較好的滿足了電池容量測試標(biāo)準(zhǔn)的要求[15]。

表2 鋰電池容量測試數(shù)據(jù)結(jié)果

表3 鋰電池容量測試數(shù)據(jù)誤差

續(xù)表3

放電電流(A)鋰電池實(shí)測放電容量誤差123456789103.44.002.002.002.004.000.002.002.000.002.003.512.963.241.170.891.172.963.241.173.245.303.63.763.761.651.651.651.651.650.471.651.653.696.364.194.196.662.022.022.020.152.026.363.813.633.633.635.875.873.633.633.633.635.87

圖9 鋰電池容量測試擬合曲線

圖10 鋰電池容量誤差散點(diǎn)分布

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)的直流電子負(fù)載裝置工作電壓為0-30V，工作電流為0-5A；電流測試分辨率達(dá)到了1.00%，容量測試精度達(dá)到了5.00%；且具有較好的恒流穩(wěn)定性，測試精度高。相對于市面上的直流電子負(fù)載測試儀來說，該裝置制作更為簡易，使用更為方便，實(shí)用性較高，且制作成本低，能夠更好的滿足高?？蒲屑敖虒W(xué)的需要，有較好的教學(xué)用途和應(yīng)用價(jià)值。

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[責(zé)任編輯、校對：郝杰]

Abstract：Using STM32F103VE as the main control chip,through the A/D and D/A conversion technology and the control of the MOSFET,the device could realize the discharge in constant current of 0-5A and temperature control of electronic load module,and at the same time, set discharge cut-off voltage of the power.By the test,it can realize the constant current discharge of 0-5A,adjustable precision in 0.03A,and real-time display of the discharge current,voltage and discharge time. At the end of discharge,it can show the discharge capacity,and possess the function of dynamic load test.The test results show that with the error of the electronic load capacity being below 5%, the device is of accurate test result,simple design,and convenient use.

Keywords：electronic load;STM32;MOSFET;constant current;lithium battery

DesignofAMultifunctionalSimpleElectronicLoadDeviceBasedonSTM32

HEJian,ZHAIZhan-chang

(Aviation Engineering College,Civil Aviation Flight University of China,Guanghan 618307,China)

TN86

A

1008-9233(2017)05-0051-06

2017-05-09

何建(1974-)，男，四川成都人，教授，主要從事航空電子電氣研究。