直流電子負載的設計

1、直流電子負載的設計（E題）摘 要：本系統(tǒng)設計的直流電子負載，以單片機STC12C5A60S2為主控芯片，包 括主控器、鍵盤、顯示電路、MOSFET功率電路和信號處理電路。該系統(tǒng)利用取 樣和采集電路獲取流經電子負載的電流和電床值，送入單片機內部集成的A/D轉 換器，并經過運算處理控制D/A輸出，控制MOSEFT漏極電流，從而使直流電子 負載達到設定功能。本設計著重闡述了系統(tǒng)框架、工作原理、軟硬件設計，并給 出了系統(tǒng)測試表。測試結果表明，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性強、調節(jié)速度快的特點，很 好的滿足了提出的性能指標。關鍵詞：電子負載；控制功率；恒流；恒斥；更阻電子負載是一種能以手控或程控方式吸收電能的儀器，起

2、到可變電流吸收 器、可變電源電阻器或分路電床調節(jié)器作用，當它吸收可變電流時將維持某一固 定電床。系統(tǒng)主要工作于恒床、悄流和恒阻三種工作模式，可用于交直流的電源 的測試，現有的電子負載大多以模擬環(huán)節(jié)控制，單片機為核心控制系統(tǒng)，由于受 到處理器口身硬件資源和速度的限制，硬件電路設計復雜，數據實時處理能力差, 調節(jié)和控制的適應性和可靠性差，難以適應不同電源的具體情況。隨著計算機技以其運算術尤其是超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，具有更強處理能力的單片機, 速度快、實時性強、功耗低、抗干擾能力強等特點愈來愈多地被應用，采用集成 ADC模數轉換器的單片機芯片作為整個系統(tǒng)的核心控制單元，大大減少了系統(tǒng)對外圍器件

3、的需求。1 系統(tǒng)設計1. 1總體設計方案1. 1.1設計思路題冃要求設計一個直流電子負載，有恒流、恒床和恒模三種模式，可手動切換。設計中切換部分采用程控鍵盤切換，而三種模式都是采用運算放大器結合反 饋網絡組成的電路實現，根據設計要求，此電路中的反饋網絡以場效應管為核心。 控制部分采用單片機來完成，顯示采用液晶模塊。恒壓模式、怕阻模式與怕流模 式破件實現方法基本相同，軟件實現方法類似。圖2-1直流電子負載系統(tǒng)實現框圖該系統(tǒng)實現框圖如上圖2-1所示，包括主控器、鍵盤、顯示電路、MOSFET 功率屯路和信號處理電路五個部分，信號處理模塊包括信號調整屯路和信號調理 電路。圖2-1中的待測電源是直流電子

4、負載的待測電源，不屬于直流電子負載的 系統(tǒng)組成。1.1.2方案論證與比較1.主控器模塊的設計方案與選擇主控器負責控制與協調其他各個模塊工作，并進行簡單的數字信號處理。在 整個電子負載系統(tǒng)中，主控器是系統(tǒng)的控制屮心，其工作效率的高低關系到系統(tǒng) 效率的高低以及系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。方案一：采用ATMEL公司的AT89C51o 51單片機價格便宜，應用廣泛，使 用AT89C51需外接兩路AD轉換電路，實現較為復雜。方案二：采用宏晶單片機STC12C5A60S2o STC12C5A60S2比普通51單片機快812倍，尤其是其單片機內部有10位高速ADC,可以省去外接兩路A/D轉換電 路，大大提高了系統(tǒng)的整

5、體性能和集成度。選擇方案二以宏晶單片機STC12C5A60S2為核心，組成單片最小系統(tǒng)。2. 鍵盤模塊的設計方案與選擇方案一：采用矩陣式鍵盤。將鍵盤排列成矩陣形式，需要通過軟件對按鍵進行判斷和定義，且接口電路由單片機系統(tǒng)宜接訪問和控制，鍵盤的掃描、去抖動、判斷和編碼等操作都需要單片機完成，這樣會使得單片機的T作量非常大，使單片機的效率降低。方案二：采用專用的按鍵掃描控制芯片。能夠獨立的完成對鍵盤中按鍵的掃描與管理,并且通過簡單接口與微控制器進行連接。使用按鍵掃描控制芯片來完 成微控制器的鍵盤管理，可以大大的提高微控制器的工作效率。選擇方案二，在本直流電子負載中，采用周立功公司生產的ZLG728

6、9鍵盤掃 描控制集成芯片。3. 顯示模塊的設計方案與選擇方案一：采用數碼管顯示。數碼管具有接線簡單，成本低廉，配置簡單靈活, 編程容易，對外界環(huán)境要求較低，易于維護等特點。但是，考慮到普通數碼管能 夠顯示的信息量有限，并且一般情況下要顯示較多的信息所占用的系統(tǒng)I/O資源 較多。方案二：考慮到本系統(tǒng)中顯示的內容以及系統(tǒng)的實用性，采用液晶顯示 (LCD)0液晶顯示具有功耗低、體積小、質量輕、無輻射危害、平面直角顯示以 及影響穩(wěn)定不閃爍、畫面效果好、分辨率高、抗干擾能力強等優(yōu)點。點陣式LCD 不僅可以顯示字符、數字，還可以顯示各種圖形、曲線及漢字，并且可以實現屏 幕上下左右滾動、動畫、閃爍、文本特征

7、顯示等功能。選擇方案二，本系統(tǒng)采用的點陣式LCD型號為FYD12864o4. M0SFET功率電路的設計方案與選擇方案一：采用MTY25N60E M0S管，它常用于電力領域的應用。專為高電床、 高速開關芯片，可以應用于電力供應、電機控制、PWM變流器等領域。方案二：采用達林頓TIP122芯片。TIP122芯片效率比方案低，功耗也相對 較高。其通用參數為：電流參數：I嚴5A/I(訐8A/IE). 1A電壓參數：)二Ucbo二 IOOV/Ufbo二5V功 率：P訕二65W 極性：NPN通過比較論證，選擇方案二，采用MTY25N60E。5.信號處理電路的設計方案與選擇本系統(tǒng)設計信號處理包括濾波、A/

8、D轉換、D/A轉換和運算放大器對信號的放大。A/D轉換由宏晶單片機STC12C5A60S2內部提供，低通濾波就是用簡 單的電容并聯來實現，故只對DA轉換電路和運算放大器提岀方案。(1) D/A轉換電路方案一：采用DAC0809o DAC0809是并行8位數/模轉換器，占用端口多，轉 換頻率低于IMo方案二：采用TLC5615o TLC5615是串行10位數/模轉換器，占用端口少,轉換頻率高。兩者相比TLC5615的速度快，故選擇方案二。(2)信號放大電路方案一：采用LM358O LM358內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放人器，適合于電源電床范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電

9、源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電床無關。它的使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算放大器的場合。 方案二：釆用OP07。OP07是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)床的雙極性運算放大器,價格比較貴，使用于高增益的測量和放大傳感器的微弱等方面。可作為一種雙極 晶體管和小信號數字化的MOSFET取代低電壓應用。雖然OP07在高增益和高功率上比LM358占優(yōu)勢，但是使用LM358也能完成該設計的要求，而且LM358比較常見、價格便宜，故選擇方案一。1. 1.3系統(tǒng)組成根據方案比較與論證，最終確定的系統(tǒng)組成框圖如圖2-2所示。包括 STC12C5A32S2單片機系統(tǒng)模

10、塊、ZL7289鍵盤模塊、LCD液晶顯示模塊、TLC5615 D/A轉換模塊和LM358與MTY25N60E組成電路模塊。圖2-2系統(tǒng)的總體結構框圖2硬件電路設計2.1主控電路的設計主控電路由宏晶單片機STC12C5A60S2.時鐘電路、晶振電路組成的單片機 最小系統(tǒng)構成。主控電路原理圖如圖2-3所示。21PIO 22P2I 23P222425%27R22330k_30_3L_32RJ7 33 P05 h PQ5_3 PM 36 PQ3 37 PQ2 38TOI 39 POD 40P20CNDP11XTAL1P22XTAL2P13/R1IP3.7P14ARP3.6P25P35P26P3.4P2

11、74NT1/P33NA/P4.4ALBP451XHP3.1NA/P4.6P3.0PQ7RST7BI.7PQ6PI.7/TCDPQ5Pl.RXDPQ4PLSPQ3Pl.4PQ2PI.3PQIPl.2PQOPl.lvcc piooxoim87K43IS X217<» 30pF |16匚二1Y115142qMH131230pF111093)C101 oI(1FC5I'GMDVCCSIR2I -IOKcwSITI2C5A60S2圖2-3主控電路原理圖22鍵盤電路的設計鍵盤電路采用周立功公司生產的ZLG7289鍵盤掃描控制集成芯片。ZLG7289B是廣州周立功單片機發(fā)展有限公司自

12、行設計的數碼管顯示驅動及鍵盤掃描管理 芯片，可直接驅動8位共陰式數碼管，同吋還可以掃描管理多于64個按鍵。ZLG7289內部含有顯示譯碼器，可宜接接受BCD碼或16進制碼，并同時具有兩 種譯碼方式。此外，還具有多種控制指令。ZLG7289B采用SPI并行總線與微控 制器接口，僅占用少數兒根I/O 口線。鍵盤電路的原理圖如圖2-4所示。_2eilOJUfClCAP附GNDJIPZ46P257P268pa2910345345GNDn121214嚴RES2IUKaCAPiiF arItAHZGP1(忖UIKRTVCT08CINCCBCCNDIOUG7NCKCMJIG6<5kCjLJlGiSax

13、KGMJIGI«0KCUG3時lOIKiZO<R0KLVUGISRKR1kojuguSEKR2KR7ATS1KR3KRfOKIKRS®7!皿硼2K27262521T>2?2D19J8j7J615R17RbS21(JKQCAP曙(N)R18 RbS 1(KR19弦1(JK1UKRSgzURES21)K7WPBK15 陽PB oK23K5Kl=o o1 >WfflKI3JK21Rll I0°11_1_SU444K4.q a AUPBK3. o a AUPBK2. QO.SkV'PBKIRES 2URESRES21) fc-iREC27J2XJ

14、R15RECIUKRB22Wrn_i 再二1RES2ZX)| OO 4)1Kl o o11SU4®KH. o o1 1SU4«Kl= OO i 1K9.o o1JK8.I PS。1SVPBK3QNTBK19SWTBKl=QO 4BVPBKJQO1»VTBQO<SVVPBCND圖2-4 ZLG7289鍵盤電路原理圖2. 3恒流電路的設計本設計對單片機程控輸出數字信號，經過D/A轉換器輸出模擬量，再經過運算放大器隔離放大，控制輸出功率管的基極，隨著功率管基極電床的變化而輸出不同的電流。在通過鍵盤設定好需要輸出電流值后，單片機對設定值按照一定的算法進行處理。經D/

15、A輸出電床控制恒流源電路輸出相應的電流值。單片機系統(tǒng)還兼顧對恒流源進行實吋監(jiān)控，輸出電流經過電流/電床轉變后，通過A/D轉換圖2-5恒流電子負載電路芯片，實時把模擬量轉化為數據量，再經單片機分析處理，通過數據形式的反饋 環(huán)節(jié)，使電流更加穩(wěn)定，恒流電子負載電路圖如圖2-5所示。2. 4恒壓電路的設計此電路中的運算放大器工作在差分模式，利用取樣返lH|, A點-與B點比較。 R4的改變直接導致V-的改變，從而運放輸出信號改變，場效應管導通使得A點 改變，使V+與V-趨近于相等，從而達到電壓恒定。GND圖2-6恒床電子負載電路25恒阻電路的設計恒阻的原理是基于恒床的原理實現的，主要是通過在恒流電路的

16、基礎上通過 MCU檢測到的輸入電床來計算電流，達到實現恒阻的FI的。恒阻電子負載電路如 圖2-7所示。圖2-7恒阻電子負載電路3. 軟件設計3. 1軟件設計主流程圖流程圖如圖3-1所示。圖3-1系統(tǒng)軟件主流程圖3. 2恒流電路流程圖 流程圖如圖3-2所示。圖3-2恒流電路流程圖4. 設計實現4. 1過載保護電路4. 1.1過流保護由于場效管的開斷受單片機對DAC5615的輸出影響，在單片機復位以及程序 出現錯誤跑飛時，單片機輸出口會出線全高電平，從而使場效管全開，被測試電 源出現斷路情況，這對那些帶負載能力低的電源是不允許出現的。所以有必要設 計過流保護電路，限定DAC5615輸出控制電床的最

17、高上限，該系統(tǒng)采用將康銅絲 接在整流輸入地和負載地之間的方法來實現過流保護，而康銅電阻應越小越好， 這樣會使兩個地之間的電床很小。但是如果太小由于干擾問題會造成過流保護的 誤判，并且對于后級運放的要求比較高，經過實驗論證結果得：選擇0.3歐姆的 電阻效果比較好。此外康銅絲在本系統(tǒng)中起測試負載電流的作用。4.1. 2過壓保護當電源的輸出電壓超過其最大的限定電床時，電源會將其輸出關閉，稱Z 為過電床保護。過電壓保護測試用來驗證電源在出現上述杲常情況時，能否正確 地作出反應。過電床保護功能對于M0SFET場效應管井常重要，因為若M0SFET場效應管的工作電床超過其額定值時，會導致其永久性的損壞。4.

18、1. 3短路保護該系統(tǒng)采用當電源的輸出短路時，則電源應該限制其輸出電流或關閉其輸岀，以避免損壞。短路保護測試是驗證當輸出短路時，電源能否正確反應。電子 負載可采用短路測試鍵來模擬短路負載，可以直接測暈其短路時的輸出電圧及電流。4. 2抗干擾措施在該系統(tǒng)中存在口激等干擾，導致信號測量結果不穩(wěn)定，所以必須要有抗干擾措施。本設計中采用大功率電路用粗導線連接，其余電路用細導線連接，基本派車了干擾對本系統(tǒng)的影響-5. 系統(tǒng)測試系統(tǒng)采用多路宜流穩(wěn)床電源GPS-3303C和高精度萬用表進行測試。測試恒流 和恒壓模式下系統(tǒng)工作是否正常。5. 1恒流模式的測試通過鍵盤設置恒定值和穩(wěn)床電源提供不同的端電床，測得測

19、試點電流數據如 表5-1所示。表5-1恒流模式下測試數據表實端測電 、電T預IV3V5V10V12V15V18V100mA0. 98A0. 99A0. 97A1.01A1.02A1.01A1.00A300mA0. 27A0. 28A0. 29A0. 28A0. 30A0. 31A0. 31A500mA0. 47A0. 47A0. 49A0. 48A0. 51A0. 52A0. 51A800mA0. 79A0. 78A0. 81A0. 82A0. 82A0. 81A0. 83A1. 0A0. 99A0. 98A0. 97A0. 99A1.02A1.03A1.03A1. 5A1.47A1.47A1.49A1. 54A1. 53A1. 52A1. 51A2. 0A1.99A1.97A1.98A2. 01A2. 01A2. 01A2. 03A3. 0A2. 98A2. 98A2.99A3. 01A3. 04A3. 02A3. 02A由數據表明，實測電流的值祁穩(wěn)定在設定值左右，經計算，相對誤差小于 2%。說明系統(tǒng)在恒流模式下工作正常。5. 2恒壓模式的測試恒斥模式的