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标题: 角落吃灰模块重生记之二：LM324电子负载的数字化改造 [打印本页]
作者: wangbeng 时间: 2024-5-4 20:21
标题: 角落吃灰模块重生记之二：LM324电子负载的数字化改造
前段时间跟风论坛，DIY了最简单实用的LM324四管电子负载。很实用，精度也可以，从1ma-10A放电毫无压力，功率150瓦以上。
用了一段时间，为我制作各类电子玩具立下了汗马功劳。但人类是贪得无厌的，慢慢地就发现，虽然好用，但不方便。每次使用都得拿出2个万用表，一个监测电压，一个监测电流，无法自动在截止电压关闭、无法统计放电时间，各种不便。由于功能实在简单，满足不了日常应用，因此就一直在角落吃灰了。
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正好一直在学习单片机，以前论坛上按桃源客的方案，做了STC8h的电压电流表，打了板子，隔壁论坛囤了一些12864的LCD，就着手模拟电子负载的数字化改造。其实，原理非常简单，就是将原来电子负载用tl431构建的电压基准，用单片机的DAC（为简化，直接用PWM滤波后的电压）来替换，同时监测电压和电流。
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又翻出一个外壳，是以前论坛上有位朋友出的，应该是车机的外壳+自制的透明亚克力前面板，透明的前面板也省了我挖显示屏的孔了。
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硬件连接安装后的最终的效果。上盖是串口插座，用于烧录程序，上位机连接用。
编写程序，输入灵魂。
显示屏左半边是电压、电流、容量显示；右半边是控制显示,包括负载开停、菜单index、编辑状态（N和E）、PWM输出占空比、步进倍率、设定电流、停止电压、时间等。
软件流程也很简单：设定放电电流、设定停止电压，根据设定电流调整PWM占空比输出基准电压给Lm324，持续监测电压，当电压<停止电压，关闭PWM输出。
Gitee上找了个开源的C#上位机软件
SupplyVoltageCurrent-master （作者：fdc-pc，特此感谢无私分享）按自己需求和外观审美，修改了一下。 串口速率9600
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瞬间感觉高大上了好多，终于也有个数控的电子负载了。
目前缺点：
1.电压、电流均采用单片机自带12位ADC，特别是小电流测量有误差。但日常使用感觉够用。
2.使用3个微动开关作按键，实际使用不如编码器方便。
3.因只利用平时碎片时间，单片机程序写得比较随意，上位机软件比较粗糙，还需要完善。
4.因自己平时基本上电流5A以下，电压一般都是12V以下的，没装风扇。虽然日常足够使用，但还是有隐患。
下一步计划：
1.完善按键。换编码器要改变硬件、面板开孔不是很方便，因是透明面板，计划使用红外控制，随便找个机顶盒或电视机的遥控器，作为输入设备。改装方便，只需要1个VS1838接收头，利用单片机的1个IO口，就可以了，非常方便。
2.完善界面、上位机软件。
3.增加风扇、温度检测、热保护。
此次改装一下子利用了3个在吃灰的配件：lm324电子负载、stc8h的电压电流表、外壳，成就不小。
虽然还有很多需要改进的地方，不过感觉此改装还是可以给一些朋友带来一点启发，提供一点思路。
单片机和上位机的通信、协议的相关内容，或许也能让一些朋友得以一点了解，可以作为学习单片机的内容。
所以还是整理了一下分享。
按照惯例，附上单片机的程序源码 上位机的C#源码
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作者: xuguangqi08 时间: 2024-5-4 20:48
锂电池维修测试的好帮手
作者: mhtlov 时间: 2024-5-4 22:16
我也跟风了
作者: wqwq212 时间: 2024-5-4 22:38
一切能够进入数字时代，性能会提升不少。
作者: icebomb 时间: 2024-5-5 08:26
智能化改造，学习一下mcu 还是有必要。
作者: 纯今 时间: 2024-5-5 09:17
祝贺楼主新帖登上论坛首页
请问上位机软件我看到，可以完成电压电流预设
这是不是意味着，用上位机软件，就不用去按微动开关去+-设置了？
我认为上位机软件的应用是楼主帖子的特色，这一点出乎意料。点赞
作者: dang 时间: 2024-5-5 09:37
谢谢分享，学习一下
作者: wangbeng 时间: 2024-5-5 09:41
是的。这基本上是上位机软件的基本功能，就是能双向通信和控制。
作者: wlhcq 时间: 2024-5-5 10:09
楼主高手，谢谢分享。
作者: 纯今 时间: 2024-5-5 13:13
本帖最后由 纯今 于 2024-5-5 13:26 编辑
你好：楼主。但凡仔细看楼主作品，从中总能发现点有趣的地方
散热器的出处是什么？
MOS管源极与水泥电阻的悬空地，我看你没有与数字地区分。你是共地了吗？
我发现有其他楼主很重视区别浮地与数字地
作者: wangbeng 时间: 2024-5-5 14:43
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散热器已经不知道来源了，都是不知道啥时间存下来的。
模拟地与数字地，或者大电流地和小电流地，不管怎么分开，最终还是会在某一点共地的。能区分尽量是要区分的，最后再连接。这张图片的PCB图如上，我是大电流的地（4个MOS管）一路，小电流的地（tl431、lm324、mos管基极）一路，最终2路地汇集在电容C6处。
作者: zhonsir 时间: 2024-5-5 16:28
有技术就是好
作者: fzx1982 时间: 2024-5-5 16:51
楼主改造不错，值得学习
作者: 吃烧饼喝三鹿 时间: 2024-5-5 17:13
不错不错
很好的东西哈
作者: 13863122785 时间: 2024-5-5 17:28
本帖最后由 13863122785 于 2024-5-5 17:36 编辑
wangbeng 发表于 2024-5-5 14:43
散热器已经不知道来源了，都是不知道啥时间存下来的。
模拟地与数字地，或者大电流地和小电流地，不管 ...
这个电子负载地的问题一般是表头电流取样电阻电流通道与表头供电GND窜流引起的，
作者: 纯今 时间: 2024-5-5 18:10
本帖最后由 纯今 于 2024-5-5 18:13 编辑
楼主开篇上来描述1毫安到10安培稳定运行，我计算了一下，一个5瓦0.22欧姆的水泥电阻大约可以承受最大4.768安培的电流，楼主采用0.25OHM，最大电流还达不到4.768安培。我认为瞬间10安培可能，不要说长时间，60秒以上水泥电阻就灰尘烧冒烟了，再久水泥电阻，存在烧断可能。选择较小阻值，固然可以增大电流，但灵敏度降低，所以，水泥电阻很值得商榷。不妥协方案是选择10瓦水泥电阻，甚至更大功率
作者: wangbeng 时间: 2024-5-5 18:19
是4管并联的
作者: wxhjsr 时间: 2024-5-5 18:19
做的不错，要是有成品的模块就好了，更方便
作者: aping365 时间: 2024-5-5 18:32
真是厉害，佩服!
作者: moontree 时间: 2024-5-5 19:11
很不错的电子负载，看着挺实用的。
作者: wjmbest777 时间: 2024-5-5 19:35
大师，单片机很难学啊
作者: 纯今 时间: 2024-5-5 20:12
我还没下载楼主您的代码
请问你代码中对预设电流的调整
采用PID比例-积分-微分控制器算法了吗？
作者: wangbeng 时间: 2024-5-5 20:26
...这个数控电子负载，只是输出占空比变化的pwm滤波为确定的电压作为基准，去控制负载电流的。
负载电流 基准电压 占空比 这三者是确定关系的， 没理解你的想法，为什么需要PID算法去控制？
仅需要根据设定电流，计算出所对应的占空比，输出pwm波，就可以了。
作者: wangbeng 时间: 2024-5-5 20:29
其实，现在的单片机非常好学，B站上搜下，很多从零开始的教程。一般推荐“江协科技”的教程。开发板也只需要买9.9元的那种，配个几块钱的下载器，一台电脑，就可以开始了。学下单片机，会为你打开另外一扇精彩的窗户。
作者: 纯今 时间: 2024-5-5 20:29
还有楼主的这四颗MOS管用螺丝固定到一块散热器，理论上说根据共源接法，4只MOS管源极相通
不知道实际是不是这样？因为不清楚楼主具体采用什么型号的MOS管
作者: 纯今 时间: 2024-5-5 20:33
您上位机软件中，可以预设电流，电压
都牵扯到目标的调整？
莫非这些调整算法是C#作者来完成的？
有可能，上位机软件可以通过UART取得控制权
作者: 冬日里的阳光 时间: 2024-5-5 20:38
不错不错，不会单片机想先做个初级版的，不知道有没有套件
作者: wangbeng 时间: 2024-5-5 20:46
看原理图就知道这4个管是nmos，是irfp460型号的，一般用法都是源极S接地（或通过取样电阻接地），漏极D一般接电源，这里也是这样的。irfp460这个封装的D极是和散热片相通的。
上位机和单片机的控制都是通过串口（Uart)以约定的协议来通信的。所以上位机预设电压电流都是通过串口来控制的。
你可以看源码就清楚了。
作者: wangbeng 时间: 2024-5-5 20:48
只是分享下制作和思路，并不提供套件。如果不会单片机，不建议直接购买类似套件，毕竟个人应用场景复杂，需要调试、完善。建议有兴趣的话自己学习下，有一定基础后再尝试自制。
作者: 纯今 时间: 2024-5-5 21:36
在您的应用中，单片机PMW模拟DAC提供的比较电压相当于PID控制器的设定点（期望电流），而MOSFET源极的采样电压代表了系统的反馈信号（实际电流）。PID算法将基于这两个信号计算出控制MOSFET栅极电压的变化，以调节通过电子负载的电流，使其达到预设值。PID的实现最原始是工程师在运放通过电阻电容来实现的微积分。我猜测你电路原理图中MOS管周围采样电阻以外的某些电阻电容，可能就是完成PID的模拟电路。所以，就不需要PID算法了
作者: sun5320 时间: 2024-5-6 09:10
当看热闹就好
作者: lingyer1 时间: 2024-5-6 09:13
这个思路真是不错
作者: sunhai1979 时间: 2024-5-6 09:17
好贴子，收藏以后慢慢看！
作者: 微醉 时间: 2024-5-6 09:17
一直是电炉丝当负载用用的，用的时候想有个电子负载多好啊。可看看价格、想着难得有用、又没本事自制，只能羡慕你們能人啊。
作者: 13863122785 时间: 2024-5-6 09:23
wangbeng 发表于 2024-5-5 20:26
...这个数控电子负载，只是输出占空比变化的pwm滤波为确定的电压作为基准，去控制负载电流的。
负载电流 ...
纯今兄的意思可能是控制回闭环，也就是你设定电流3A，表头按照测量的电流值调整控制PWM输出，控制回路电流稳定在3A
作者: huaziy2k 时间: 2024-5-6 09:33
看高手大作
作者: wangbeng 时间: 2024-5-6 11:03
应该是这个意思。
但实际上，这个闭环没必要单片机参与和负责。LM324运放就是硬件做这个的事情，运放的开环增益几乎无穷大，只要给定基准电压，根据采样电阻的反馈，自然就可以非常稳定地控制电流了。
作者: wmshizheng 时间: 2024-5-6 11:24
真会玩，有技术就是任性。
作者: 任祥均 时间: 2024-5-6 11:29
楼主改造不错，学习了
作者: smzhudong 时间: 2024-5-6 12:08
楼主牛人，软硬通吃。个人感觉功率管的安装位置不够合理
作者: 姜尚 时间: 2024-5-6 12:21
学以致用，融会贯通， 厉害了
作者: sjh_7366 时间: 2024-5-6 13:15
不错，可以玩一玩
作者: toppers 时间: 2024-5-6 13:57
强迫症患者表示，电阻歪了，没在框内
作者: 孤云feng 时间: 2024-5-6 15:02
会软件就是好
作者: xxwwmm2017 时间: 2024-5-6 15:08
正式进入数字控制
作者: 13863122785 时间: 2024-5-6 15:32
wangbeng 发表于 2024-5-6 11:03
应该是这个意思。
但实际上，这个闭环没必要单片机参与和负责。LM324运放就是硬件做这个的事情，运放的开 ...
预设值与实测值闭环看起来比较上挡次
作者: 2545889167 时间: 2024-5-6 16:53
香蕉头看着质量不太好 可能走不了长时间10A，以及连接香蕉头的线有点细了
作者: yiqihaha 时间: 2024-5-6 17:24
这照片拍的好清晰哦
作者: 纯今 时间: 2024-5-6 20:10
你表达的比我表达的好，贴切，易懂。我就是这个意思，因为，不采用PID，就只有比例，不过我认为电路原理图上MOS附近的电阻电容，不排除有微分，积分作用，来达到平滑的趋近预设电流
作者: 纯今 时间: 2024-5-6 20:51
本帖最后由 纯今 于 2024-5-6 20:54 编辑
您是正确的，因为这台电子负载不是纯数字控制。在模拟电路中，PID控制通常是通过物理元件实现的，即利用电阻和电容来构建积分和微分环节，而比例环节则是通过LM324比较器直接实现的。楼主，只是利用STC单片机"PWM"，即脉冲宽度调制模拟代替了原来的分压电位器为in+提供了一个参考电压，从这里开始一切都是模拟电路，所以，根本不存在PID算法的事。有PID也是前面提到的电阻电容模拟方式PID，不牵扯算法
之所以这样，起源于楼主提倡的缝合手法，对业余爱好者，缝合是优点，绝对是优点。特色就是不纯粹，不是推到了重来，只看结果实现了没有
作者: 诸葛赚赚 时间: 2024-5-6 22:25
数控的电子负载，高级货啊
作者: chyutong 时间: 2024-5-7 07:46
谢谢分享，学习一下
作者: xfdjr 时间: 2024-5-7 07:55
我也有个，以前修电源时用。为你的改进点个赞。
作者: 家有开心果 时间: 2024-5-7 08:24
这个可以做呀。成本不高就是外壳不好找。
作者: wangbeng 时间: 2024-5-7 08:40
确实，我平时很少用到大电流，一般也就2、3安，所以用得比较随便。仔细看的话，我风扇都没用。
作者: shaohabbit 时间: 2024-5-7 09:23
旧貌换新颜。
作者: xilige2020 时间: 2024-5-7 10:57
感谢分享，有空学习一下
作者: 玛德陛下 时间: 2024-5-7 10:59
改拼凑的不错，都利用上了
作者: 13863122785 时间: 2024-5-7 12:46
wangbeng 发表于 2024-5-6 11:03
应该是这个意思。
但实际上，这个闭环没必要单片机参与和负责。LM324运放就是硬件做这个的事情，运放的开 ...
大环不闭环的话容易造成预设值与实测值不一致的，
作者: jvcdvp9bbs 时间: 2024-5-7 19:14
跟高手学习，谢谢分享。
作者: chenyixianqaz 时间: 2024-5-7 20:18
谢谢分享！有空学习一下
作者: 纯今 时间: 2024-5-7 20:44
我倒是很想与你探讨，楼主的缝合作品
1:当采用电压电流表去控制放电电流时，其实是从开环逐渐微动开关增大电流上去的。预设值只在楼主心中，他按动微动开关的过程，眼睛看着LCD显示的电流值。LM324实现闭环的比例算法，达到楼主心中预设电流，就不按微动开关了，就算没有PID发生了过冲，按微动-，减小回来就行了。电流准不准完全取决于STC制作的电流表精度。幽默滴说：第一种情况是人肉PID
2:我不了解细节的是楼主他那个上位机软件预设电流值。软件能从设置值马上通过PMW脉宽调整模拟输出一个in+电压。LM324从开环状态，突然就只通过比例一种调整算法逼近预设电流。才可能出现你说的，预设值与实际值不同。
希望，针对第二种情况，作者楼主最好出来，给答疑解惑。我想@13863122785 你也判断楼主来答疑解惑
作者: 13863122785 时间: 2024-5-8 09:10
本帖最后由 13863122785 于 2024-5-8 09:14 编辑
纯今 发表于 2024-5-7 20:44
我倒是很想与你探讨，楼主的缝合作品
1:当采用电压电流表去控制放电电流时，其实是从开环逐渐微动开关增 ...
呃，如果楼主表头上不显示预设电流，只能按键调整占空比，那就是你说的第一种情况，这种就是单片机及相关电路模拟了电位器，但是表头或者上位机直接操作的是预设电流值，一般咱业余现玩的基本都是你说的第二种情况，就表头输出PWM，后面运放放大积分可能后面还有分压，最终输出一个电压去控制电子负载的电流，丛预设电流值到实控电流这之间，有一个软件调整值(预设值对应占空比)，还有一系列硬件设计比例，PWM积分放大比例，电压分压比例，电子负载控制电压与受控电流比例，实际应用一般是硬件制做完成后根据硬件设置或者校准预设值与占空比的对应关系来确保设置电流与实际受控电流的一致性，但实际呢硬件温飘，线性，干挠，故障，还有GND电平，MCU数据丢失，都会影响最终实际电流，至于电流表这头，取样电阻阻值，运放放大倍数，最终通过校准ADC值换算成电流值，这个同样存在上述另一个通道的这些不确定影响因素，所以可能会出现预设值与实测值不致的情况，还有就你理解的324开环是不对的，实际电子负载只要没坏稳流控制环路是始终存在的，开环的是表头控制与最终输出
作者: wangbeng 时间: 2024-5-8 09:41
确实如此，你是有实战经验的朋友。因为是先做的板子，后找的散热器，正常是要安装在散热器的底面上，侧边热传导不畅。
作者: 忧郁的洋葱 时间: 2024-5-8 17:44
真是厉害，佩服!
作者: 纯今 时间: 2024-5-9 11:44
本帖最后由 纯今 于 2024-5-9 11:49 编辑
你好：综合你的分析，我分析了一下咱们电子负载的应用场景
还是5v充电头与PD充电头稳定输出的测定应用比较多。此时，最多100瓦，20伏特，最大电流5安培
如果有人要测试电动工具那种高倍率电池，电池组最大电流几十安培都可能，单体电池10安培也能应付
业余的可调电源20安培的场景都少见
所以，我认为用微控制器直接去驱动MOS单体，当然有栅极驱动升压电路。可以比较理想实现你反复强调的大闭环负反馈。可以实现简单精确的控制与测量，而且，单MOS可以轻松满足日常5安培的场景
这样就不用LM324这4路采取比较器设计的黑箱。我思考过，即使总电流（负反馈）与in+电压（控制）采用PID算法，这四个采样电阻不可能绝对相等，这样总电流这个负反馈参数与预设值之间差值发生变化，控制电压的变化，会引起四路电流的变化，再去影响总电流。不是不行，但总感觉这种非常适合手调电位器的设计，LM324完成电流调节的核心，就是实现四个IN+与in-的相等，这比例计算对于人类是黑箱，结果可知，过程复杂且黑箱
我认为今天找个60伏特50安培的单体MOS轻而易举，况且单体更容易制作，精确控制。你的看法如何？
作者: qq_3377 时间: 2024-5-9 20:50
324负载数字化，进来学习的
作者: wangbeng 时间: 2024-5-9 22:33
你的理解和这个数控电子负载的实际是不一样的。
目前，一般绝大多数的数控电源、数控电子负载，均不会采用你理解的用PID的调节方式。
实际上按我的理解，需要PID的场景，一般都是输出与输入不容易一一对应，或者虽然能对应保持稳态比较复杂容易受干扰的情况。比如：输入电流电压与温度的关系（温度容易受材料、环境温度、散热条件等影响）、油门与速度或高度的关系（容易受路面路况、风力风向等影响）。而基准电压和输出电压和电流的一一对应关系非常明确和线性，只要基准电压和采样电阻准确，在一定误差范围内，是完全一一对应的。也就；输出电压（电流） = 系数*基准电压。因此，完全没必要用额外的闭环和PID算法。前面13863122785说的容易出现预设值和实测值不一致的司，更容易做的是：提高DAC和ADC、采样电阻的精度。
此例中关系(不讨论精度）：
输出电流 = 基准电压/采样电阻 基准电压 = PWM占空比*3.3V
得出：输出电流= （PWM占空比*3.3V） / 采样电阻
因此，假设采样电阻0.01欧，如果想输出电流3.3A，则可以计算得出：占空比 = （3.3A*0.01欧）/3.3v = 10% ,然后调整PWM占空比为10%,即可以得到3.3A的电流。
当然，实际上电阻、pwm滤波、运放等均会出现误差，但只要测试几个点，拟合一下，在可接受精度范围内，可以得出一个一次或二次的对应公式就可以了，也就是我们平时说的校准。
作者: wangbeng 时间: 2024-5-9 22:41
电子负载中的MOS并不是工作在开关状态，而是工作在线性放大区，放电的电源的压降是在MOS上的，如12v电池3A放电，则MOS管上消耗12*3=36瓦的功率，需要强大的散热才行。
所以，你说的60伏特50安培的单体MOS，并不能真在能长时间工作在60V*50A这样大的功率下，60V只是MOS的耐压，50A电流也是需要保证MOS管的散热的条件下，一般也只会在开关状态下才可能实现。
所以你看到功率稍大一点的电子负载都是并联多管的，主要就是为了更好散热。
作者: 13863122785 时间: 2024-5-9 23:14
纯今 发表于 2024-5-9 11:44
你好：综合你的分析，我分析了一下咱们电子负载的应用场景
还是5v充电头与PD充电头稳定输出的测定应用比 ...
324这个电子负载主要是玩可调电源用的，方便并联，并到几KW都行，你想的那种电子负载也有，就是刀刀杀猪的那个P100，单管，100W(也有做到150W的)，
作者: 纯今 时间: 2024-5-10 10:15
谢谢，发现刀刀杀猪原创感觉也够加精了，管理员的侧重点，此一时彼一时吧
https://www.mydigit.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=275236
作者: 纯今 时间: 2024-5-10 17:13
本帖最后由 纯今 于 2024-5-10 20:50 编辑
wangbeng 发表于 2024-5-9 22:41
电子负载中的MOS并不是工作在开关状态，而是工作在线性放大区，放电的电源的压降是在MOS上的，如12v电池3 ...
楼主：难道你真的有先见之明，你看
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我买的是0.22ohm，实际测试都是0.5ohm
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改用机械表，目测0.2ohm，两块数字表最小量程均200欧姆，难道必须请出？[attach]2107019[/attach]
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是不是说明，还是这个测得更精确
然后，发现不同测试针脚，测试一致性不同，有两类结果
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作者: 亚历山大 时间: 2024-5-11 19:52
看见啥子都像搞，一摸上又不想动手了
作者: wangbeng 时间: 2024-5-11 20:51
你的万用表笔线的阻值可能就有0.x欧
作者: 1234456789 时间: 2024-5-11 22:30
楼主技术一流，小白羡慕嫉妒恨
作者: jbm1 时间: 2024-5-15 05:50
谢谢分享，学习一下
作者: 陈满神 时间: 2024-5-15 16:17
大哥是人才，这散热固定方式很有个性
作者: 梅花一党 时间: 2024-5-16 20:15
类似EBD电子负载了
作者: ctlu 时间: 2024-5-17 20:01
有最低电压限制（防止锂电过放）、最高放电电流限制这两个功能非常重要。
作者: 亲爱的混蛋 时间: 2024-5-22 17:13
可以卖成品了
作者: likechair 时间: 2024-6-16 21:28
谢谢分享，不想再动了。19年跟风做过一个，吃灰好多年，前段时间拿出来测试修好的60V/60AH的电动车充电器，这种活儿舍不得用IT8511，就让它上了。这玩意儿最大的麻烦就是处理散热。当初做壳子的时候没有考虑到分流器的问题，导致买的50A分流器没空间安装了，导致低压大电流不能满功率（内置分流器20A）...
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