如何使用Arduino構(gòu)建可調(diào)電子負(fù)載

　　如果您曾經(jīng)使用過電池、SMPS 電路或其他電源電路，那么通常會發(fā)生您必須通過加載來測試您的電源，以檢查它在不同負(fù)載條件下的性能。通常用于執(zhí)行此類測試的設(shè)備稱為恒流直流負(fù)載，它允許我們調(diào)整電源的輸出電流，然后使其保持恒定，直到再次調(diào)整為止。在本教程中，我們將學(xué)習(xí)如何使用 Arduino 構(gòu)建我們自己的可調(diào)電子負(fù)載，最大輸入電壓為 24V，漏極電流高達(dá) 5A。

　　該電路由三部分組成。第一部分是Arduino Nano部分，第二部分是數(shù)模轉(zhuǎn)換器，第三部分是純模擬電路，其中使用單個封裝的雙運算放大器來控制負(fù)載部分。這個項目的靈感來自于Arduino上的一篇文章，然而，為了降低復(fù)雜性，電路進行了更改，每個人都可以構(gòu)建它的基本功能。

　　我們的電子負(fù)載設(shè)計有以下輸入和輸出部分。

　　兩個輸入開關(guān)，用于增加和減少負(fù)載。

　　顯示設(shè)定負(fù)載、實際負(fù)載和負(fù)載電壓的 LCD。

　　最大負(fù)載電流限制為 5A。

　　負(fù)載的最大輸入電壓為 24V。

　　所需材料

　　下面列出了構(gòu)建直流電子負(fù)載所需的組件。

　　Arduino納米

　　16x2 字符 LCD

　　兩桶插座

　　MOSFET irf540n

　　麥克普4921

　　LM358

　　5 瓦分流電阻 0.1 歐姆

　　1k

　　10k - 6 個

　　散熱器

　　.1uF 50v

　　2k - 2 個

　　Arduino直流電子負(fù)載電路圖

　　在下面的示意圖中，運算放大器有兩個部分。一種是控制 MOSFET，另一種是放大感應(yīng)電流。您還可以查看本頁底部的視頻，該視頻解釋了電路的完整工作。第一部分具有 R12、R13 和 MOSFET。R12 用于降低反饋部分的負(fù)載效應(yīng)，R13 用作 Mosfet 柵極電阻。

　　額外的兩個電阻器 R8 和 R9 用于檢測將由該虛擬負(fù)載施加壓力的電源的電源電壓。根據(jù)分壓器規(guī)則，這兩個電阻最大支持 24V。超過 24V 會產(chǎn)生不適合 Arduino 引腳的電壓。所以請注意不要連接輸出電壓超過 24V 的電源。

　　電阻 R7 是這里的實際負(fù)載電阻。它是一個 5 瓦、0.1 歐姆的電阻器。根據(jù)冪律，它將支持最大 7A （P = I 2 R），但為了安全起見，將最大負(fù)載電流限制為 5A 更為明智。因此，目前最大24V、5A的負(fù)載可以通過這個假負(fù)載來設(shè)置。

　　另一部分放大器被配置為增益放大器。它將提供 6 倍的增益。在電流流動期間，會出現(xiàn)電壓降。例如，當(dāng) 5A 電流流過電阻器時，根據(jù)歐姆定律，0.1 歐姆分流電阻器 （V = I x R） 兩端的電壓降將為 0.5V 。同相放大器會將其放大到 x6，因此 3V 將是放大器第二部分的輸出。該輸出將由 Arduino nano 模擬輸入引腳感應(yīng)，并計算電流。

　　放大器的第一部分配置為電壓跟隨器電路，它將根據(jù)輸入電壓控制 MOSFET，并由于流過分流電阻的負(fù)載電流而獲得所需的反饋電壓。

　　MCP4921是數(shù)模轉(zhuǎn)換器。DAC 使用 SPI 通信協(xié)議從任何微控制器單元獲取數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，并根據(jù)它提供模擬電壓輸出。該電壓是運算放大器的輸入。我們之前還學(xué)習(xí)了如何將這個MCP4921 DAC 與 PIC一起使用。

　　另一方面，有一個 Arduino Nano，它將通過SPI 協(xié)議將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)提供給 DAC并控制負(fù)載，同時以 16x2 字符顯示屏顯示數(shù)據(jù)。使用了兩個額外的東西，即減少和增加按鈕。它不是連接到數(shù)字引腳，而是連接到模擬引腳。因此，可以將其更改為另一種類型的開關(guān)，例如滑塊或模擬編碼器。此外，通過修改代碼，可以提供原始模擬數(shù)據(jù)來控制負(fù)載。這也避免了開關(guān)抖動問題。

　　最后，通過增加負(fù)載，Arduino nano會將負(fù)載數(shù)據(jù)以數(shù)字格式提供給DAC，DAC將模擬數(shù)據(jù)提供給運放，運放根據(jù)運放的輸入電壓控制MOSFET 。 最后，根據(jù)流過分流電阻的負(fù)載電流，會出現(xiàn)一個電壓降，該電壓降將被 LM358 的第二通道進一步放大，并由 Arduino nano 得到。這將顯示在字符顯示屏上。當(dāng)用戶按下減少按鈕時，也會發(fā)生同樣的事情。

　　PCB 設(shè)計和 Gerber 文件

　　由于該電路具有高電流路徑，因此使用適當(dāng)?shù)?PCB 設(shè)計策略來消除不需要的故障情況是一個更明智的選擇。因此，為這種直流負(fù)載設(shè)計了 PCB。我使用 Eagle PCB 設(shè)計軟件來設(shè)計我的 PCB。您可以選擇任何 PCB Cad 軟件。CAD軟件中最終設(shè)計的PCB如下圖所示，

　　在設(shè)計此 PCB 時需要注意的一個重要因素是使用厚電源層以使電流在整個電路中流動。還有接地縫合VIAS（接地平面中的隨機過孔），用于在到頂部和底部的兩層中實現(xiàn)適當(dāng)?shù)慕拥亓鳌?/p>

　　拿到電路板后，您可以繼續(xù)組裝所有組件。我完成的電路板如下所示。

　　接下來，您可以上傳代碼并啟動模塊以檢查它是如何工作的。該項目的完整代碼在本頁底部給出。代碼解釋如下。

可調(diào)直流負(fù)載的 Arduino 代碼

代碼非常簡單。首先，我們包含了 SPI 和 LCD 頭文件以及設(shè)置最大邏輯電壓、片選引腳等。

?

#include  
#include  
#define SS_PIN 10 
#define MAX_VOLT 5.0 // 最大邏輯電壓
#define load_resistor 0.1 // 以歐姆為單位的分流電阻值
#define opamp_gain 6 // 運算放大器的增益
#define average 10 // 平均時間

?

本節(jié)包含所需的與程序流相關(guān)的整數(shù)和變量聲明。此外，我們使用 Arduino Nano 設(shè)置關(guān)聯(lián)的外圍設(shè)備引腳。

?

常量 int slaveSelectPin = 10; // 片選引腳
int number = 0; 
int 增加 = A2; // 增加 pin 
int 減少 = A3; //減少引腳
int current_sense = A0; //電流檢測引腳
int voltage_sense = A1; // 電壓檢測引腳
int state1 = 0; 
int state2 = 0; 
詮釋集= 0；
浮動電壓 = 0; 
浮動負(fù)載電流 = 0.0；
浮動負(fù)載電壓= 0.0；
浮動電流 = 0.0; 
浮動電壓 = 0.0；
液晶液晶（7、6、5、4、3、2）；// LCD 引腳

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這用于 LCD 和 SPI 的設(shè)置。此外，引腳方向設(shè)置在這里。

?

void setup() { 
  pinMode(slaveSelectPin, OUTPUT); 
  pinMode（增加，輸入）；  
  pinMode（減少，輸入）；  
  pinMode（current_sense，輸入）；
  pinMode（電壓感應(yīng)，輸入）；
  // 初始化 SPI: 
  SPI.begin(); 
  //設(shè)置LCD的列數(shù)和行數(shù)：
    lcd.begin(16, 2); 
  // 向 LCD 打印一條消息。
    lcd.print("數(shù)字負(fù)載"); 
    lcd.setCursor(0, 1); 
    lcd.print("電路文摘"); 
    延遲（2000 年）；
}

?

它用于轉(zhuǎn)換 DAC 值。

?

void convert_DAC(unsigned int value) 
{ 
   /*步長 = 2^n, 因此 12bit 2^12 = 4096
     對于 5V 參考，步長將是 5/4095 = 0.0012210012210012V 或 1mV（大約）*/ 
  unsigned int container ; 
  無符號整數(shù) MSB；
  無符號整數(shù) LSB；
  /*步驟：1、將12位數(shù)據(jù)存入容器
   假設(shè)數(shù)據(jù)為4095，二進制1111 1111 1111*/ 
  container = value;    
  /*步驟：2 創(chuàng)建虛擬 8 位。因此，通過除以 256，在 LSB 中捕獲高 4 位
   LSB = 0000 1111*/ 
  LSB = container/256；
  /*Step: 3 發(fā)送配置打孔4位數(shù)據(jù)。
   LSB = 0011 0000 或 0000 1111。結(jié)果為 0011 1111 */ 
  LSB = (0x30) | 低位；
  /*Step:4 容器仍然有 21bit 的值。提取低 8 位。
   1111 1111 和 1111 1111 1111。結(jié)果是 1111 1111，即 MSB*/   
  MSB = 0xFF & 容器；    
/*Step:4 將16bits的數(shù)據(jù)分成兩個字節(jié)發(fā)送。*/ 
    digitalWrite(slaveSelectPin, LOW); 
    延遲（100）；      
    SPI.傳輸（LSB）；
    SPI.傳輸（MSB）；    
    延遲（100）；
    // 將 SS 引腳拉高以取消選擇芯片：
    digitalWrite(slaveSelectPin, HIGH);             
}

?

本部分用于電流檢測相關(guān)操作。

?

浮動 read_current (void){ 
          load_current = 0;          
          for (int a = 0; a <平均值; a++){ 
          load_current = load_current + analogRead(current_sense);                
        }
        負(fù)載電流 = 負(fù)載電流 / 平均值；
        load_current = (load_current* MAX_VOLT) / 1024; 
        load_current = (load_current / opamp_gain) / load_resistor; 
        返回負(fù)載電流；
}

?

這用于讀取負(fù)載電壓。

?

浮動讀取電壓（無效）{ 
          load_voltage = 0;          
          for (int a = 0; a <平均值; a++){ 
          load_voltage = load_voltage + analogRead(voltage_sense);                
        }
        負(fù)載電壓 = 負(fù)載電壓 / 平均值；
        load_voltage = ((load_voltage * MAX_VOLT)/1024.0)*6; 
        返回負(fù)載電壓；
}

?

這是實際的循環(huán)。在這里，測量開關(guān)步驟并將數(shù)據(jù)發(fā)送到 DAC。傳輸數(shù)據(jù)后，正在測量實際電流和負(fù)載電壓。這兩個值也最終打印在 LCD 上。

?

無效循環(huán)（）{
        狀態(tài)1 =模擬讀取（增加）；
        if (state1 > 500){
          延遲(50); 
           state1 = 模擬讀取（增加）；
           如果 (state1 > 500){
              伏特 = 伏特+0.02; 
           }                   
        } 
         state2 = 模擬讀取（減少）；
        if (state2 > 500){
          延遲(50); 
           state2 = 模擬讀?。p少）；
           if (state2 > 500){ 
              if (volt == 0){ 
                volt = 0; 
              }
            其他{
                伏 = 伏-0.02; 
            }              
           } 
        }
        數(shù)字 = 伏特 / 0.0012210012210012；
        convert_DAC（數(shù)字）；        
        電壓 = 讀取電壓（）；
        當(dāng)前 = 讀取電流（）；       
         lcd.setCursor(0, 0); 
         lcd.print("設(shè)置值");      
        lcd.print("="); 
        設(shè)置=（伏特/2）*10000；
        lcd.print(設(shè)置);       
        lcd.print("毫安"); 
        lcd.setCursor(0, 1);        
        lcd.print("我");      
        lcd.print("="); 
        lcd.print（當(dāng)前）；       
        lcd.print("一個"); 
        lcd.print("V");  
        lcd.print("="); 
        lcd.print（電壓）；       
              
       // lcd.print(load_voltage); 
        //lcd.print("mA"); 
       // 延遲（1000）；
        //lcd.clear(); 
}

?

　　測試我們的可調(diào)直流負(fù)載

　　數(shù)字負(fù)載電路采用 12V 電源焊接并通電。我在電源側(cè)使用了我的 7.4V 鋰電池，并連接了一個鉗形表來檢查它是如何工作的。正如您所看到的，當(dāng)設(shè)定電流為 300mA 時，電路從電池中汲取 300mA 電流，該電流也由鉗形表測量為 310mA。

#include

#include

#define SS_PIN 10

#define MAX_VOLT 5.0

#define load_resistor 0.1

#define opamp_gain 6

#define average 10

const int slaveSelectPin = 10;

整數(shù) = 0;

int 增加 = A2;

int減少= A3；

詮釋 current_sense = A0;

詮釋電壓感應(yīng)= A1；

詮釋狀態(tài)1 = 0；

int state2 = 0;

詮釋集= 0；

浮動電壓 = 0;

浮動負(fù)載電流 = 0.0；

浮動負(fù)載電壓= 0.0；

浮動電流 = 0.0;

浮動電壓 = 0.0；

液晶液晶（7、6、5、4、3、2）；

void setup() {

// 將 slaveSelectPin 設(shè)置為輸出：

pinMode（slaveSelectPin，輸出）；

pinMode（增加，輸入）；// 聲明 LED 為輸出

pinMode(decrease, INPUT); // 將按鈕聲明為輸入

pinMode(current_sense, INPUT); //

pinMode(voltage_sense, INPUT); //

// 初始化 SPI:

SPI.begin();

//設(shè)置LCD的列數(shù)和行數(shù)：

lcd.begin(16, 2);

// 向 LCD 打印一條消息。

lcd.print("數(shù)字負(fù)載");

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print("電路文摘");

延遲（2000 年）；

}

void convert_DAC(unsigned int value)

{

/*步長 = 2^n, 因此 12bit 2^12 = 4096

對于 5V 參考，步長為 5/4095 = 0.0012210012210012V 或 1mV（大約）*/

unsigned int container ；

無符號整數(shù) MSB；

無符號整數(shù) LSB；

/*步驟：1、將12位數(shù)據(jù)存入容器

假設(shè)數(shù)據(jù)為4095，二進制1111 1111 1111*/

container = value;

/*步驟：2 創(chuàng)建虛擬 8 位。因此，通過除以 256，在 LSB 中捕獲高 4 位

LSB = 0000 1111*/

LSB = container/256；

/*Step: 3 發(fā)送配置打孔4位數(shù)據(jù)。

LSB = 0011 0000 或 0000 1111。結(jié)果為 0011 1111 */

LSB = (0x30) | 低位；

/*Step:4 容器仍然有 21bit 的值。提取低 8 位。

1111 1111 和 1111 1111 1111。結(jié)果是 1111 1111，即 MSB*/

MSB = 0xFF & 容器；

/*Step:4 將16bits的數(shù)據(jù)分成兩個字節(jié)發(fā)送。*/

digitalWrite(slaveSelectPin, LOW);

延遲（100）；

SPI.傳輸（LSB）；

SPI.傳輸（MSB）；

延遲（100）；

// 將 SS 引腳拉高以取消選擇芯片：

digitalWrite(slaveSelectPin, HIGH);

}

浮動 read_current (void){

load_current = 0;

for (int a = 0; a <平均值; a++){

load_current = load_current + analogRead(current_sense);

}

負(fù)載電流 = 負(fù)載電流 / 平均值；

load_current = (load_current* MAX_VOLT) / 1024;

load_current = (load_current / opamp_gain) / load_resistor;

返回負(fù)載電流；

}

浮動讀取電壓（無效）{

load_voltage = 0;

for (int a = 0; a <平均值; a++){

load_voltage = load_voltage + analogRead(voltage_sense);

}

負(fù)載電壓 = 負(fù)載電壓 / 平均值；

load_voltage = ((load_voltage * MAX_VOLT)/1024.0)*6;

返回負(fù)載電壓；

}

無效循環(huán)（） {

state1 = 模擬讀取（增加）；

如果（狀態(tài) 1 > 500）{

延遲（50）；

state1 = 模擬讀?。ㄔ黾樱?；

如果 (state1 > 500){

伏特 = 伏特+0.02;

}

}

state2 = 模擬讀?。p少）；

if (state2 > 500){

延遲(50);

state2 = 模擬讀?。p少）；

if (state2 > 500){

if (volt == 0){

volt = 0;

}

其他{

伏 = 伏-0.02;

}

}

}

數(shù) = 伏特 / 0.0012210012210012；

convert_DAC（數(shù)字）；

電壓 = 讀取電壓（）；

當(dāng)前 = 讀取電流（）；

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("設(shè)置值");

lcd.print("=");

設(shè)置=（伏特/2）*10000；

lcd.print(設(shè)置);

lcd.print("毫安");

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print("我");

lcd.print("=");

lcd.print（當(dāng)前）；

lcd.print("一個");

lcd.print("V");

lcd.print("=");

lcd.print（電壓）；

lcd.print("V");

// 液晶顯示器。打?。ㄘ?fù)載電壓）；

//lcd.print("mA");

// 延遲（1000）；

//lcd.clear();

}