为2500元奖金，工程师整活，将可调电子负载仪做出“花”

一个外包项目，悬赏2500元。

要求：做一个可调电子负载仪。

作者在50天内，花150元成本，

目前，项目已成功结项，并全开源！

其

他的制作成本又是如何规划 的？

工程描述

这是一个迷你的、可调的、全面屏的、数控电子负载仪 。

外形类似电脑主机，命名型号为：XS1。

看看作者在功能参数上优化了哪些部分 吧！

功能介绍

①工作模式

支持恒流、恒压、恒功率、恒阻模式。

②故障保护

支持过温关断保护，过流关断保护，过压关断保护，反接保护。

温度超过设定值自动开启风扇。

③波形显示

显示两条波形，可自由绑定采样值，如负载电流、负载电压、散热器温度等。

④内置电池

内置18650动力电池，输出电流大，可驱动更大的散热风扇。usb口可给电池充电，充电电流0.5A。

⑤数字全键盘

触摸屏的优点，可快速设置参数。虽然没啥好写的，但我就要写，任性。

⑥充电器检测

内置了FUSB302芯片，支持PD协议控制，配合恒流模式可以直接测试充电器输出能力。代码未实现。

⑦后续还会增加功能

语音提示、音乐播放器、桌面时钟摆件、计时器、节拍器。

硬件部分均已实现，代码未实现

项目参数

①尺寸

54x88x84mm(宽x长x高)。

②交互方式

3寸480x854TFT屏；

电容触摸；

2颗轻触开关。

③供电方式

typec接口5V；

内置18650电池。

④负载接口

typec口、xt30口。

⑤采样范围

电压0-60V；

电流0-4A。

⑥采样范围

电压0-60V；

电流0-4A。

⑦负载能力

恒流0-4A，误差<0.04A；

恒压0-48V，误差<0.2V；

恒阻1-1000R，误差<5%；

恒功率0-100W，误差<5%。

⑧带载功率

长时间运行30W；

短时运行100W(10S)。

⑨保护方式

过流保护、过压保护、过温保护、反接保护。

根据功能与参数可以看出，本项目的确超额完成 。

在原有需求上，增加了 ——触摸屏 ；TYPE-A改为TYPE-C ；内置电池 ；保留语音提示等5种实用功能 的开发可能性；电压、电流模式的测量范围 也都超出了原需求。

那么，想实现上述功能参数，软硬件该如何设计？

下面就逐一分析一下重要模块的设计原理 ！

硬件设计原理

电子负载 在整个环境中作为消耗功率的器件，可以理解为一只大功率的、阻值可调的、电阻 。

实际电路 是通过调整mos管的栅极电压，从而控制其导通电流 。

而通过MCU 的DAC或者PWM来控制MOS ，可以实现更精确的输出。

电子负载常见的工作模式有恒流、恒压、恒功率、恒电阻模式。

其中恒功率、恒电阻 都是对输入电压进行计算后再通过电流反馈 的，与恒流模式一样。

恒压 是通过电压反馈 到MOS管的栅极电压上。

所以硬件上我设计了电流和电压两种反馈电路 ，并且通过MCU的IO口控制其是否投入使用。

总框架图

本章节会分析其 ——电路组成和 恒压恒流驱动电路、供电电路、接口电路、仿真电路的设计原理 。

①电路设计组成

PCB采用4层板设计，阻容基本采用0603封装。

PCB分为两块，一块核心板一块功率板，两者通过双排插针连接。

核心板 主要包括MCU主控周边、电源及充放电、扬声器、usb和串口通讯以及显示屏等电路。

其主控 采用华芯微特的SWM34SVET6 ，CortexM4核带8MSdram，可驱动RGB接口的显示屏 。

核心板可以独立作为其他核心板使用。

功率板 主要包括负载接口、PD协议电路、风扇驱动、模拟量采样、MOS管驱动及反馈等电路。

下面分析一些主要电路模块的设计原理 。

②恒压恒流驱动电路原理

恒流模式下 的驱动电路图如下。

MCU的CC_MODE引脚输出高电平；CV_MODE输出低电平；Q3导通，Q2截止。

此时电流反馈电路工作 ，负载回路中的取样电阻上的电压 经过运放放大后进入U5.3的IN-口 ，DAC引脚进入 U5.3的IN+口 ，形成稳定的输出到Q4[mos管]的栅极。

恒压模式下 的驱动电路图如下。

MCU的CC_MODE引脚输出低电平；CV_MODE输出高电平；Q2导通，Q3截止。

此时电压反馈电路工作 ，负载电压 经过差分电路缩小信号 后进入U6.1的IN+口 ，DAC引脚进入 U6.1的IN-口 ，形成稳定的输出到Q4[mos管]的栅极。

③供电电路原理

XS1提供typec口用来接入电源。

注意：电源电压范围不得大于6V！！推荐使用5V2A电源来供电。

typec电源插入时 ，5V 首先经过Q13的内置二极管进入后级 ，此时又Q13G极接地（USB_GND接到typec的1脚，利用typec头的特性1脚和12脚相通并且接地）从而Q13导通，A点电压接近5V 。Q12由于G极有5V电压从而截止，电池 通过Q12内部二极管进入后级 ，又因为A点电压有5V，所以电池不处于工作状态 。

typec电源去除时 ，Q13的G极悬空从而截止，Q12的G极继而为0V，Q12导通，A点电压接近电池电压 。这种电路与直接串接二极管相比能减少能量损耗。后级通过Q14来实现软件关机 ，通过SW1和Q8实现按键开机 。

由于输入电压范围在3-5V，后级使用了TX4310B电荷泵DCDC芯片 ，它可以 从1.8V至5V输入产生稳定的3.3V输出电压 ，误差在±4%（这也导致了DAC输出会随着输入电压波动而稍微变化）。

④接口电路原理

XS1所有接口都集中在背面，如下图所示。

其中2个xt30接口组成【四线测量方式】 。测试电源时需要分别接入正负极 （V+I+接正极，V-I-接负极）。

或者直接用typec接口(其内部的2组电源分别用来接V和I，母座上是没有短接起来的)。如果需要type-a口或者杜邦线，可以再做个接口板将typec口扩展出来。

风扇接口在功率板上 ，是一个2p端子。风扇驱动电路支持pwm调速 ，目前固件采用IO电平驱动，后期会更新，可以根据散热器温度来调节风速。

最下方的typec口主要作用是——供电、usb通信、串口通信。

这样节省了usb口但是牺牲了typec的正反插功能。

串口通过核心板上的拨码开关来决定 ，接到ISP串口，还是调试串口。

在底部还有一个sd卡插口，功能未测试。

⑤电路图仿真

对于复杂点的带逻辑类的电路，建议先用仿真软件跑一遍，看看结果是否如预期一样。

如需要【电路源文件】 用于参考学习， 可自行去文末参考资料处查看。

软件设计原理

MCU代码基于FreeRTOS+LVGL

IDE使用keil uvision5.38

GUI使用SquareLine Studio生成

简单高效！

本章节主要分析 ——固件 、GUI界面 、调试助手 、代码 、软件校准 部分的设计思路 。

①固件更新

核心板引出了USB接口和串口，可用于进行IAP方式以及ISP方式固件更新，目前尚未实现代码部分。

可以通过核心板上的swd接口用Jlink烧入固件。

打开keil工程，点击编译后烧入。

②GUI界面

界面使用SquareLine Studio生成，这是一个可视化的拖放式 UI 编辑器，可快速轻松地为嵌入式和桌面应用程序创建漂亮的图形用户界面。

下载安装后可供个人免费使用，限制是只能设计5个UI界面和放置50个控件。

通过软件可以设置动画效果。

通过这次项目又学到了，赚了。

上图为主界面，分成这4部分——采样显示、定值设置、模式设置、波形显示。

定值设置有2种方式：

模式多选一，选中的模式下方有指示灯。

波形可显示两条。

③调试助手

基于QT5编写的一个调试软件 ，用于查看——负载采样值、信号以及校准和修改参数等。

软件使用串口通信，使用前先设置好串口号，默认115200、8、1、无校验。

连接好设备后点击“连接”按钮 ，可进行其他操作。

mcu侧代码未适配。

①读取修改参数②查看实时数据③校准系数④查看波形

④代码浅析

代码基于FreeRTOS操作系统，建立了4个主要任务：

这里主要对load_task进行介绍：

任务通过 vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(20));

进行定时执行 ，即大约20mS执行一次。

进入while(1)循环后 ，先调用loadFaultCheck()函数检查是否有过温过压等故障。如果有就停止输出；没有则进入对应模式进行计算新的DAC。

流程如下：

MCU内置了8Msdram。

我设计了spi flash（w25Q64）并且通过mcu的sfc接口来访问 。将其映射到mcu的存储空间，使得一些常量直接在代码中定义到spi flash中 。

这些需要在使用前初始化，并且提供额外的下载算法。

相关资料都在附件中。

⑤软件校准

前面说到用了电荷泵芯片TX4310B。

理想的DAC其输出与设置的值是成正比的，但是实际情况会由于温度工作电压等因素影响而出现误差 。

这里主要提到工作电压，在同样的设定值下工作电压越低dac输出越高 。

比如恒流模式下1A的设定值，使用usb供电时电压是5.06V，TX4310B输出3.365V，dac输出是0.602V，切换到电池供电电压是3.57V，TX4310B输出3.332V，dac输出是0.63V。

两者差了30mV，反应到电流上大概有40mA的误差。

解决方案有两套。

一种是硬件上修改供电方案 ，使用2只18650电池让输入都在5V以上，然后用高精度LDO转为3.3V如AMS1117。

另一种是软件上校准 ，通过采样工作电压，换算出实际的DAC漂移电压，在设定时算上这个漂移电压。

不过由于swm34s的adc采样 也受工作电压影响，需要在采样后 计算时对其进行误差补偿 。

总体表现为——恒流模式0.1-2A时在误差10mA左右(不考虑温漂因素)。

如需要【代码+外壳+物料清单等源文件】 用于参考学习， 可自行去文末参考资料处查看。

结语

作者是一名在职工程师，更是DIY爱好者。

关于开源，值得一提的是。

在报名外包项目前，他就已经很想做一个触屏类的开源项目了。

这不，这次他既满足了DIY需求 ，还能拿到一笔奖金“回血” ，真是一举两得！

PS：本工程依据“CC-BY-NC-SA 4.0”知识共享许可协议，请勿用于商用，转载时请标明出处。

关于成本，值得一提的是。

本项目是不注重性价比的，主要用于学习研究。

150元的成本中，触摸屏占大头，外壳也花了30元。

因此，省去这两个部分，成本还能再压一压。

参考资料：

[1]https://oshwhub.com/flyn/mi-ni-dian-zi-fu-zai

— 完 —

嘉立创EDA·头条号

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先上BOM清单：

怎么样，只看这bom清单，你现在相信只需要10元的成本了吧。

接着，来看下电路如何设计，电路图如下所示：

电路原理： R1 2KΩ的可调电阻作为电子负载电流调节，TL431提供2.5V的电压基准，LM358组成同相比例放大器与电压跟随器。R3 0.01Ω的可调电阻用来采样负载电流，采样后送入LM358同相比例放大器的反向端做反馈，同相比例放大器输出后进入电压跟随器，跟随器输出控制信号，通过控制MOSFET的导通量，实现控制负载电流与恒流功能。

嵌入式物联网需要学的东西真的非常多，千万不要学错了路线和内容，导致工资要不上去！

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使用Multisim仿真： 通过电位器调整负载电流时，是线性变化，而且还能保持恒流，由此可以验证上图的电路是可以正常工作的。

实物制作： 验证完原理之后，就是实物制作了。

除了bom表里的元器件之外，还需要散热片、风扇，可以保证热量能够及时扩散出去。

打印外壳： 再使用3D打印机，打印一个简单的外壳，一个看上去还不错的电子负载就做好了。

电子负载的调试过程和结果，可以点击上面视频查看。

有人说这电子负载会不会太简单、功能有点单一了呢？那么加个单片机，加个显示屏，加点控制算法，就可以改装成数控电子负载了，感兴趣的小伙伴快来DIY吧，期待你们的作品哦。

原文作者：达尔闻说

原文标题：项目分享| DIY100w恒流电子负载，免费送

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/ekDSSb_WnzRDYO1DbLF5yw

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