STM32 高精度直流电子负载

项目作者

• 硬件设计 + 外壳设计：陈彦权
• 固件设计 + 部分硬件电路绘制：张志文

📖 项目简介 (Introduction)

本项目是一款基于 STM32F103 微控制器的简易高精度恒流直流电子负载。设计旨在提供一个低成本、高线性度的电源测试工具，主要用于测试直流稳压电源、电池组及光伏电池板的负载特性。

系统采用“数字设定、模拟闭环”的混合控制架构，结合 OPA376 精密运放与 INA226 功率监测芯片，在实现 100mA - 1000mA 恒流控制的同时，保证优于 ±1% 的设定精度和极高的动态响应能力。

主要特性

• 恒流模式 (CC Mode)：支持 100-1000mA 连续可调。
• 高精度测量：集成 INA226，提供 16-bit 分辨率的电压电流回读。
• 高稳定性：使用 REF5040 提供 4.096V 精密基准，温漂极低。
• 安全保护：硬件级过压保护 (OVP)，阈值 18V。
• 自动化测试：内置负载调整率自动扫描功能。

⚙️ 核心功能与指标 (Specifications)

参数	指标	备注
主控芯片	STM32F103C8T6	ARM Cortex-M3
输入电压范围	0 - 18.0V	超过 18V 触发 OVP 保护
恒流控制范围	100 mA - 1000 mA	步进 10 mA
设定精度	±1%	经软件校准后
电流回读分辨率	1 mA	INA226 采样
电压回读分辨率	1 mV	INA226 采样
动态稳定性	0.25% @ 10V Step	电压突变 10V 时电流波动率
通信接口	USB Type-C (UART)	CH340N 转串口

🛠️ 硬件架构 (Hardware Architecture)

本项目硬件部分采用模块化设计，主要由以下核心器件构成：

关键元器件清单 (BOM)

组件	型号	作用	技术优势
MCU	STM32F103C8T6	系统主控	丰富的外设与成熟的生态
Power Monitor	INA226	电压电流采集	16-bit ADC, I2C 接口, 极低 Offset
DAC	MCP4725	基准电压生成	12-bit 分辨率, I2C 接口, 自带 EEPROM
Op-Amp	OPA376	误差放大器	25µV 低失调电压, 5.5MHz 带宽, 轨对轨输出
V-Ref	REF5040	电压基准源	4.096V 输出, 3ppm/°C 低温漂
MOSFET	IRFP260N	功率耗散管	50A/200V, TO-247 封装, 适合线性区工作
Display	1.3" OLED	人机交互	SH1106 驱动, I2C 接口

模拟控制环路

系统核心为模拟负反馈环路。DAC (MCP4725) 输出控制电压连接至运放 (OPA376) 同相端，运放输出驱动 MOSFET 栅极。检流电阻 (50mΩ) 两端的电压反馈至运放反相端，形成闭环控制，确保流经负载的电流严格跟随 DAC 设定值，不受输入电压波动影响。

💻 软件说明 (Software)

固件基于 STM32 标准外设库 (SPL) 开发。

目录结构

Hardware/
    ELoad.c           # 电子负载核心函数
    ELoad_config.h    # 常量配置
    Component/
        INA226.c          # INA226 驱动（I2C）
        MCP4725.c         # MCP4725 DAC 驱动（I2C）
        OLED.c            # 屏幕驱动（SH1106）
        Key.c             # 矩阵键盘扫描
    Periph/
        LED.c             # 指示灯
        OverU.c           # 过压保护
        Serial.c          # 串口通信与命令解析
Library/
    (STM32 标准库)
User/
    main.c            # 主程序逻辑
    stm32f10x_it.c    # 中断服务函数
ELoad_<version>.hex   # 可直接烧录的 HEX 文件

校准算法

为消除硬件公差（如电阻误差、运放失调），软件集成了线性回归校准算法：

• 电流校准：I_corrected = k1 * I_read + b1
• DAC 输出校准：DAC_code = k2 * I_set + b2

校准参数需通过实测数据拟合并写入固件或 EEPROM。

🚀 快速上手（Getting Started）

1. 硬件准备

   • 按照原理图完成 PCB 焊接与元器件安装。
   • 注意散热：为 IRFP260N 安装合适的散热片与风扇，确保结温安全。
   • 供电：通过 USB Type-C 提供调试/控制电源（根据设计还需外部电源）。

2. 编译与烧录

   • 使用 Keil uVision 5（或其他支持的 IDE）打开工程并编译。
   • 使用 ST-Link / J-Link 烧录固件到 STM32。

3. 操作说明

   • 键盘控制：

     • 0-9 输入电流设定值（单位 mA）。
     • # 确认设定并启动测试。
     • A 开/关 恒流输出（ON/OFF）。
     • B 进入自动测试模式。
     • C/D 菜单翻页或光标移动。

   • 串口控制（115200，8N1）：

     set current 500     # 设定恒流为 500 mA
     autotest            # 启动自动扫描测试
     get status          # 获取当前电压、电流状态
     

📊 性能验证

• 设定精度：全量程实测误差约 0.22%。
• 阶跃响应：输入电压从 5 V 跳变至 15 V 时，电流波动约 1 mA（约 0.25%），显示出良好的模拟环路抑制能力。

🤝 贡献与反馈

欢迎提交 Issue 或 Pull Request 来改进本项目。

📝 待办（TODO）

• 增加四线制（Kelvin）电压测量支持
• 优化 PID 温控风扇策略
• 开发上位机波形显示软件

📄 许可证（License）

本项目采用 MIT 许可证。详情见 LICENSE 文件。

⚠️ 免责声明

本项目仅用于教育和工程参考，请在处理大功率负载时注意散热与安全措施。