基于單片機的電子負載畢業(yè)論文(含原理圖+程序)

1、 摘 要電子負載的原理是控制內(nèi)功率 MOSFET 或晶體管的導通量，靠功率管的耗散功率消耗電能的設備，它的基本工作方式有恒壓、恒流、恒阻、恒功率這幾種。本設計從直流電子負載系統(tǒng)方案分析入手，詳細討論了整個系統(tǒng)的硬件電路和軟件實現(xiàn)，并給出較為合理的解決方案。為便于控制的實現(xiàn)和功能的擴展，采用了STC89C52 單片機作為核心控制器，設計了 DA 輸出控制電路、AD 電壓電流檢測電路、鍵盤電路、顯示電路和驅(qū)動電路，通過軟、硬件的協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)了整個設計。通過運放、PI 調(diào)節(jié)器及負反饋控制環(huán)路來控制 MOSFET 的柵極電壓，從而達到其內(nèi)阻變化。這個控制環(huán)路是整個電路的核心實質(zhì)，MOS 管在這里既作

2、為電流的控制器件同時也作為被測電源的負載。控制 MOS 管的導通量，其內(nèi)阻發(fā)生相應的變化，從而達到流過該電子負載的電流恒定，實現(xiàn)恒流工作模式。本設計能實現(xiàn)電子負載的恒流控制：能夠檢測被測電源的電流、電壓及功率并由液晶顯示。在額定使用環(huán)境下,恒流方式時不論輸入電壓如何變化（在一定范圍內(nèi)），電子負載將根據(jù)設定值來吸收電流，流過該電子負載的電流恒定。關鍵詞關鍵詞：電子負載； 恒流模式； PI 調(diào)節(jié)器； AD 轉(zhuǎn)換； DA 轉(zhuǎn)換畢業(yè)論文（論文） ABSTRACT ABSTRACTThe principle of electronic load is control of transistors ins

3、ide power MOSFET or the guide flux of power tube, it is a consumption power equipment which depends on the dissipation power of tube, there are four basic working ways that persistence pressure, constant current, the constant resistance, constant power .This design start with the analysis of DC elec

4、tric load system solutions, it discussed the realization of the whole system hardware circuit and software in detail, and give a reasonable solution. In order to realize the control and the expansion of function conveniently, we adopted the STC89C52 microcontroller as the core controller, and design

5、ed the DA output control circuit, AD voltage current detection circuit, keyboard circuit, display circuit and drive circuit, through the coordination between hardware and software, finally, we realized the whole design. PI adjuster and negative feedback control loop of the circuit which control the

6、grid voltage of MOSFET, so as to change its resistance. The core essences are the op-amp, MOS tube here both as a control device and as a power load tested. Controlling the guide flux of the MOS tube, the resistance of the MOS tube will change accordingly, thus the current which flows the electronic

7、 load current will constant, At last, we realized constant current work pattern.This design can realize the Constant-current control of the electronic load: it can measured the current, voltage and power of Measured power and the LCD display. If it use situations in rated, no matter how the input vo

8、ltage change in the constant-current mode (within a certain range), the electronic load will be based on setting to absorb the current, the current which flows the electronic load will constant.Key words: electronic load; constant-current pattern; PI adjuster; AD transform; DA conversion東華理工大學畢業(yè)設計（論

9、文） 目 錄目目 錄錄緒 論.1第一章 電子負載系統(tǒng)設計方案.21.1 電子負載工作原理.21.2 系統(tǒng)設計要求.31.3系統(tǒng)總體設計方案論證.31.4系統(tǒng)具體設計方案.5第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設計.62.1 核心處理器的設計 .62.2 顯示模塊的設計 .72.3 鍵盤模塊 .82.4 D/A 轉(zhuǎn)換模塊的選擇.102.5 采樣電路模塊 .112.5.1 電壓采樣電路 .122.5.2 電流采樣電路 .122.5.3 輸入的模擬量采樣 .132.6 電流取樣 PI 控制器等組成的負反饋控制模塊 .142.7 PI 調(diào)節(jié)器.152.8 功率電路模塊 .172.8.1 電子模擬負載方式的選擇 .

10、172.8.2 功率耗散 MOS 管的選型 .172.9 電源電路的設計 .19第三章 電子負載軟件系統(tǒng)設計.213.1 電壓電流 A/D 采樣程序設計 .223.2 液晶顯示子程序 .223.3 D/A 轉(zhuǎn)化程序.233.4 鍵盤識別處理程序設計 .24第四章 系統(tǒng)調(diào)試.254.1 硬件調(diào)試 .254.2軟件調(diào)試.264.3 軟硬件綜合調(diào)試 .26第五章 結(jié)論.27致 謝.28參考文獻.29附錄一 整體電路原理圖 .30附錄二 電子負載設計程序 .31東華理工大學畢業(yè)設計（論文） 緒 論1緒 論在人們生活的多個領域都要用到負載測試，如充電電源試驗、蓄電池放電試驗以及購買電池、電源時等都需要負

11、載測試。當前，國內(nèi)外對上述產(chǎn)品的試驗一般都采用傳統(tǒng)的靜態(tài)負載(如電阻、電阻箱、滑線變阻器等)能耗放電的辦法進行。隨著電力電子技術的、計算機技術和自動控制技術的迅速發(fā)展，為電源檢測技術帶來了革命性的變化。由于鐵道電氣化供電、電氣牽引、信號控制 、無線通信、計算機指揮調(diào)度中心及家庭日常生活等應用領域都在大量應用各種各樣的電源，因此人們對電子負載的需求越來越多，對其性能要求也越來越高。而傳統(tǒng)的電源檢測技術面臨著極大的挑戰(zhàn)。為準確檢測電源的可靠性和帶載能力，因此把電力電子技術和微機控制技術有機地結(jié)合起來，實現(xiàn)電源的可靠檢測。從電源類型來看，電子負載可分為直流電子負載和交流電子負載兩種。直流電子負載比起

12、交流電子負載，應用的歷史較長，范圍更廣。最初在實驗室，利用電力電子器件的特性，通過分析等值電路，用電力電子元件搭建電子電路來模擬負載，可以實現(xiàn)定電阻、定電壓等特性。隨后又有工作人員將單片機技術應用到電子負載中，逐步可實現(xiàn)定電流模式和可編程斜率模式。單片機技術與變換器電路的密切結(jié)合還使得電子負載可以工作在其它多種模式下:定功率模式、動態(tài)電阻模式、短路模式等。隨著功率場效應晶體管 (MOSFET)，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和場效應晶閘管(McT)等主要開關器件的出現(xiàn)以及電力電子變換器拓撲的發(fā)展，由于變換器能更好的將一種電能變?yōu)榱硪环N或多種形式的電能，交流電子負載也得到了實現(xiàn)。交流電子負載是可

13、以模擬傳統(tǒng)真實阻抗負載的電力電子裝置，它能模擬一個固定或變化的負載，甚至將試驗的電能反饋回電網(wǎng)，其設計初衷是交流電源出廠試驗。交流電源出廠試驗通常采用電阻箱耗能的辦法，它存在調(diào)節(jié)不便、自動化程度低、耗電量大等缺點，而采用交流電子負載進行試驗可有效克服這些缺點，它可使試驗更加簡單、靈活，且大大降低試驗的成本。電子負載可以模擬真實環(huán)境中的負載（用電器） 。它有恒流、恒阻、恒壓和恒功率功能，以及短路，過流，動態(tài)等等，應該說所有的電源廠家都會有用，而且也必須有。電子負載分為直流電子負載和交流電子負載，由于電子負載的應用方面問題，直流電子負載應用比較廣泛，本文主要介紹直流電子負載。電子負載與傳統(tǒng)的模擬電

14、阻性負載相比具有節(jié)能、體積小、重量輕、成本低、效率高等優(yōu)點，由于電子負載所具有的性能特點和優(yōu)點，電子負載被越來越多地應用到各種試驗場合。因此，電子負載的研究具有廣闊的市場和廣泛的應用前景。東華理工大學畢業(yè)設計（論文） 第一章 電子負載系統(tǒng)設計方案2第一章 電子負載系統(tǒng)設計方案1.1 電子負載工作原理電子負載用于測試直流穩(wěn)壓電源、蓄電池等電源的性能。電子負載的原理是控制內(nèi)功率 MOSFET 或晶體管的導通量（占空比） ，靠功率管的耗散功率消耗電能的設備，它能夠準確檢測出負載電壓,精確調(diào)整負載電流,同時可以實現(xiàn)模擬負載短路,模擬負載是感性阻性和容性,容性負載電流上升時間。它的基本工作方式有恒壓、恒

15、流、恒阻、恒功率這幾種。（1）恒定電流方式在定電流模式中,在額定使用環(huán)境下, 不論輸入電壓大小如何變化, 電子負載將根據(jù)設定值來吸收電流。若被測電壓在510V變化，設定電流為100mA，則當調(diào)節(jié)被測電壓值時，負載上的電流值應維持在100mA不變, 而此時負載值是可變的。定電流模式能用于測試電壓源及AD/ DC電源的負載調(diào)整率。負載調(diào)整率是電源在負載變動情況下能夠提供穩(wěn)定的輸出電壓的能力, 是電源輸出電壓偏差率的百分比。（2）恒定電阻方式此種狀態(tài)下，負載如純電阻，吸收與電壓成線性正比的電流。此方式適用于測試電壓源，電流源的啟動與限流特性。在定電阻模式中, 電子負載將吸收與輸入電壓成線性的負載電流

16、。若負載設定為1 k, 當輸入電壓在110 V 變化時, 電流變化則為10100 mA 。（3）恒定電壓方式在定電壓方式下電子負載將吸收足夠的電流來控制電壓達到設計值。定電壓模式能被使用于測試電源的限流特性。另外, 負載可以模擬電池的端電壓, 故也可以使用于測試電池充電器。（4）恒定功率方式在定功率工作模式時，電子負載所流入的負載電流依據(jù)所設定的功率大小而定，東華理工大學畢業(yè)論文（論文） 第一章 電子負載系統(tǒng)設計方案 3此時負載電流與輸入電壓的乘積等于負載功率設定值，即負載功率保持設定值不變。本電子負載機實現(xiàn)了在恒流模式下一定范圍內(nèi)的正常工作，PI 調(diào)節(jié)器的基準電壓由單片機 D/A 轉(zhuǎn)換輸出。

17、用 A/D 轉(zhuǎn)換器與單片機連接把電路中電壓電流的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后用液晶顯示方式顯示出即時的電壓電流。1.2 系統(tǒng)設計要求根據(jù)電子負載的原理，設計出實現(xiàn)恒流模式下的電子負載：能夠檢測被測電壓型電源的電流、電壓及功率并由液晶顯示。在額定使用環(huán)境下,恒流方式為不論輸入電壓如何變化（在一定范圍內(nèi)） ，電子負載將根據(jù)設定值來吸收電流，流過該電子負載的電流恒定。設計出最大功率為 100W，電流 O 一 20A，電壓 O 一 50V 的直流電子負載。1.3系統(tǒng)總體設計方案論證根據(jù)系統(tǒng)的設計要求，得出以下三種方案：方案一：如圖 1-1 所示，運用傳統(tǒng)的電子負載設計方式，通過比較器的比較結(jié)果及反饋來

18、控制 MOSFET 的柵極電壓，從而達到其內(nèi)阻變化的目的。方案二：如圖 1-2 所示，采用了單片機作為核心控制器，設計了 AD 電壓電流檢測電路、鍵盤電路、液晶顯示電路和驅(qū)動電路，ATmegal6 單片機為核心處理器。鍵盤、串口通訊和 LCD 實現(xiàn)人機交互，MOS 管電路為電子負載主電路。單片機輸出一定占空比的 PWM 控制信號，控制功率電路 MOS 管的導通和關斷時間，來獲得實際所需的工作電流、電壓。電路中的檢測電路為電壓、電流負反饋回路，通過 A/D 采集到單片機，與預置值進行比較，作為單片機進一步調(diào)節(jié) PWM 占空比的依據(jù)。東華理工大學畢業(yè)論文（論文） 第一章 電子負載系統(tǒng)設計方案 4圖

19、 1-1 傳統(tǒng)的電子負載設計顯 示按鍵輸入AtmegA/D轉(zhuǎn)換PWM控制電流檢測電壓檢測功率控制圖 1-2 方案二系統(tǒng)設計模塊方案三：為便于控制的實現(xiàn)和功能的擴展，如圖 1-3 所示為新型電子負載設計系統(tǒng)模塊框圖。采用了 STC89C52 單片機作為核心控制器，設計了 DA 輸出控制電路、AD 電壓電流檢測電路、鍵盤電路、液晶顯示電路和驅(qū)動電路，通過軟、硬件的協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)了整個設計。通過運放、PI 調(diào)節(jié)器及負反饋控制環(huán)路，是整個電路的核心實質(zhì)，來控制 MOSFET 的柵極電壓，從而達到其內(nèi)阻變化。MOS 管在這里既作為電流的控制器件同時也作為被測電源的負載，通過 PI 調(diào)節(jié)器控制 MOS 管

20、的導通量，從而達到流過該電子負載的電流恒定，實現(xiàn)恒流工作模式。STC89C52單片機LCD顯示鍵 盤D/A轉(zhuǎn)化PI調(diào)節(jié)器MOS管被測電源電流檢測A/D轉(zhuǎn)化電壓檢測A/D轉(zhuǎn)化VerfRRUfR圖 1-3 方案三系統(tǒng)模塊框圖東華理工大學畢業(yè)論文（論文） 第一章 電子負載系統(tǒng)設計方案 5經(jīng)過比較，傳統(tǒng)的設計方案主要靠硬件實現(xiàn)，成本較高。而且采用運放進行比較控制 MOS 管只有通和斷兩種情況，不能實現(xiàn)逐漸改變 MOS 管導通角的變化，不易控制。方案二通過單片機輸出一定占空比的 PWM 控制信號，控制 MOS 管的導通和關斷時間，來獲得實際所需的工作電流、電壓。這對于占空比的細調(diào)節(jié)不易控制，誤差較大。方

21、案三采用通過軟、硬件的協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)了整個設計。通過運放、PI 調(diào)節(jié)器及負反饋控制環(huán)路，能夠較精確的控制 MOS 管的導通量，實現(xiàn)無靜差的調(diào)節(jié)。故整個設計采用方案三。1.4 系統(tǒng)具體設計方案電子負載系統(tǒng)由軟、硬件共同組成?？紤]到價格、工作速度、開發(fā)成本和可靠性等因素，合理地分配了硬件和軟件資源，對于某些既可用硬件實現(xiàn)，又可用軟件實現(xiàn)的功能，在進行設計時，充分考慮了硬件和軟件的特點，高效地分配其資源，協(xié)調(diào)其功能。電子負載系統(tǒng)的硬件部分包括以下部分：（1） 單片機的選擇與 I/O 的分配（2） 液晶顯示模塊（3） 鍵盤模塊（4） D/A 轉(zhuǎn)換模塊（5） A/D 轉(zhuǎn)換電壓電流采樣模塊（6） 電流取樣

22、 PI 控制器等組成的負反饋控制模塊（7） 電源電路模塊電子負載系統(tǒng)的控制程序，包括以下部分:(l)人一機聯(lián)系程序。包括按鍵信息輸入程序和液晶顯示輸出程序等。(2)數(shù)據(jù)采集和處理程序。主要是 D/A 轉(zhuǎn)換程序、A/D 轉(zhuǎn)換程序、電壓電流采樣程序。本制作的電子負載，主要實現(xiàn)其恒流工作模式，如圖 1-3 所示為方案三系統(tǒng)模塊框圖。電路的核心實質(zhì)是一個電流取樣 PI 控制器負反饋控制環(huán)路，MOS 管在這里既作為電流的控制器件同時也作為被測電源的負載。PI 控制器控制 MOS 管的導通量變化與截止，從而達到保持電流恒定的目的?？刂撇糠植捎?STC89C52 單片機來完成，設定值通過鍵盤輸入送往單片機，

23、再通過 DA 輸出電路產(chǎn)生基準電壓送往 PI 控制器與實際電壓相比較，基準電壓與實際電壓相比較的偏差控制 MOS 管的導通量變化與截止，從而達到保持電流恒定的目的。用 A/D 轉(zhuǎn)換器把電路中的電壓電流的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過單片機來控制轉(zhuǎn)化，然后用液晶顯示顯示出即時的電壓電流。東華理工大學畢業(yè)論文（論文） 第一章 電子負載系統(tǒng)設計方案 6東華理工大學畢業(yè)設計（論文） 第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設計 6第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設計2.1 核心處理器的設計核心處理器負責控制與協(xié)調(diào)其他各個模塊工作，并進行簡單的數(shù)字信號處理。在整個電子負載系統(tǒng)中，主控器是系統(tǒng)的控制中心，其工作效率的高低關系到系統(tǒng)

24、效率的高低以及系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。設計過程中用單片機作為主控制器。方案一：采用 ATMEL 公司的 AT89C51,51 單片機價格便宜，應用廣泛，實現(xiàn)較為復雜。但燒程序就不方便。方案二：STC89C51 與 AT89C51 基本性能相同，但 STC89C51 RMB 較多,8K flash,串口可以直接燒程序，可以和 Keil 直連。本設計采用 Keil 軟件實現(xiàn)其軟件部分的設計，故選擇方案二。EA /VPP31XTAL119XTAL218RS T9P3.7(RD )17P3.6(WR )16P3.2(IN T0)12P3.3(IN T1)13P3.4(T0)14P3.5(T1)15P1.0(

25、T2)1P1.1(T2EX)2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78(A D0)P0.039(A D1)P0.138(A D2)P0.237(A D3)P0.336(A D4)P0.435(A D5)P0.534(A D6)P0.633(A D7)P0.732(A 8)P2.021(A 9)P2.122(A 10)P2.223(A 11)P2.324(A 12)P2.425(A 13)P2.526(A 14)P2.627(A 15)P2.728PS EN29ALE/PR OG30(TX D)P3.111(RX D)P3.010GN D20VC C40U1S1712Y1R9

26、10KR101KC110uFC330PC430PVC CRSTRS TP2.5VC CP0.3P0.2P0.1P0.0P0.4P0.5P0.6P0.7GN DVC CP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7P2.0P2.1P2.2P2.3P2.412345678JP2VC CVC CGN D參參 參參參參圖 2-1 STC89C52 單片機與液晶顯示模塊連接電路表 2-1 單片機 I/O 口分配I/O 口應用I/O 口應用P0.0-P0.744 矩陣鍵盤輸入P2.2P2.7A/D 采樣輸入P1.0P1.3D/A 轉(zhuǎn)換輸出X

27、TAL1-XTAL2時鐘輸入P1.0P1.4液晶顯示模塊RESET單片機復位信號東華理工大學畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設計 7單片機總控制電路如圖 2-1 所示：STC89C52 單片機在系統(tǒng)中主要實現(xiàn)以下功能:設定值通過 D/A 轉(zhuǎn)換輸出基準電壓；實際工作電壓、電流 A/D 采樣；LCD 顯示；鍵盤輸入等。表 2-1 為電子負載系統(tǒng)中 STC89C52 的 I/O 口分配連接情況。2.2 顯示模塊的設計方案一：采用數(shù)碼管顯示。數(shù)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。電壓和電流的顯示可以用數(shù)碼管，但數(shù)碼管顯示的信息量有限，只能顯

28、示簡單的數(shù)字，其電路復雜，占用的系統(tǒng)I/O 資源較多，顯示信息少，不宜顯示大量信息。 方案二：考慮到本系統(tǒng)中顯示的內(nèi)容以及系統(tǒng)的實用性，采用液晶顯示（LCD） 。液晶顯示具有功耗低、體積小、質(zhì)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(shù)字，還可以顯示各種圖形、曲線及漢字，并且可以實現(xiàn)屏幕上下左右滾動、動畫、閃爍、文本特征顯示等功能。本次設計中要測量實際的電壓電流值，采用的是 Nokia 5110 液晶顯示模塊可以顯示出電壓電流等漢字，一面了然、外觀比較好看。而且液晶顯示功耗低、體積小、質(zhì)量輕、無輻射危害，與單片

29、機連接較簡單。故經(jīng)過比較選擇方案二 Nokia 5110 液晶顯示特點：（1) 性價比高，可以顯示 15 個漢字、30 個字符，價格相對便宜；（2) 接口簡單，僅四根 I/O 線即可驅(qū)動；（3) 速度快，是 LCD12864 的 20 倍，是 LCD1602 的 40 倍；（4) Nokia5110 工作電壓 2.3V，正常顯示時工作電流 200uA 以下，具有掉電模式，適合電池供電的便攜式移動設備。LCD液晶顯示STC89C52SPI時鐘生成器MOSIMOSI圖 2-2 單片機與 LCD 通信如圖 2-1 所示為 STC89C52 單片機與液晶顯示模塊連接電路。如圖 2-2 所示為單片東華理

30、工大學畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設計 8機與 LCD 通信過程。液晶的主要工作原理（1）SPI 接口時序?qū)憯?shù)據(jù)/命令Nokia5110(PCD8544)的通信協(xié)議是一個沒有 MISO 只有 MOSI 的 SPI 協(xié)議：圖 2-3 串行總線協(xié)議傳送 1 個字節(jié)（2）Nokia5110 的初始化接通電源后，內(nèi)部寄存器和 RAM 的內(nèi)容是不確定的，這需要一個 RES 低電平脈沖復位一下。圖 2-4 Nokia 5110 復位時（3）顯示英文字符英文字符占用 6*8 個點陣，通過建立一個 ASCII 的數(shù)組 font6x86來尋址。（4）顯示漢字顯示漢字可以采用兩種點陣方式，一種是 1

31、2*12 點陣，一種是 16*16 點陣。 2.3 鍵盤模塊方案一：非矩陣式鍵盤結(jié)構(gòu)比較簡單，使用方便，適合于較少開關量的輸入場合。每個按鍵需占用一根I/O 口線， 在按鍵數(shù)量較多時,I/O 口浪費大, 電路結(jié)構(gòu)顯得復雜。并且此鍵盤是用于按鍵較少或操作速度較高的場合。方案二：矩陣式鍵盤則適合于輸入命令或者數(shù)據(jù)較多、功能復雜的系統(tǒng)。采用矩陣式鍵盤結(jié)構(gòu)可以最大限度地使用單片機的引腳資源，矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場合, 由行線和列線組成, 按鍵位于行列的交叉點上，節(jié)省I/O 口，因此東華理工大學畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設計 9其應用十分廣泛。在系統(tǒng)設計中需要通過鍵盤中輸入設定

32、值，通過D/A轉(zhuǎn)化輸出實際值。所以需要有0-9的數(shù)字鍵、小數(shù)點等等按鍵，按鍵較多，所以鍵盤模塊采用方案二。S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10S11S12S13S14S15S16R110KR210KR310KR410KR510KR610KR710KR810KVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7圖 2-5 44 矩陣鍵盤電路圖如圖 2-5 所示：本系統(tǒng)通過矩陣電路進行按鍵輸入，采用的是 4x4 矩陣鍵盤， 電子負載系統(tǒng)中按鍵需要實現(xiàn)的功能有:(l) 0-9 數(shù)字鍵：本設計中采用專用的數(shù)字輸入按鍵，每次按下數(shù)字鍵一次，送往單片機，按位輸入的數(shù)據(jù)提取出來，轉(zhuǎn)換

33、為十進制數(shù)據(jù)。(2) 小數(shù)點鍵：本設計中精度要求較高，輸入的設定值會有需要帶小數(shù)點。在第一位按鍵掃描后，每次按下小數(shù)點鍵，在按下確認鍵后與數(shù)字鍵一樣通過液晶顯示顯示出來。(3)自動調(diào)節(jié)啟動停止按鍵:該按鍵把電子負載功能劃分為設置和調(diào)節(jié)兩部分，沒有按下該按鍵時，默認為功能設置，此時單片機只預置數(shù)據(jù)輸入、按鍵查詢、預置數(shù)據(jù) LCD 顯示等功能；而當按下該按鍵 1 次后，單片機將轉(zhuǎn)為執(zhí)行負載調(diào)節(jié)、A/D采集、實際數(shù)據(jù) LCD 顯示等功能。(4)預置數(shù)據(jù)確定按鍵:按下該按鍵后，將取消其他鍵的功能，并把按輸入的數(shù)據(jù)送往提取出來，送往單片機，之后轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)據(jù)，通過液晶顯示顯示出來。(5)復位清零鍵:當

34、輸入有誤時，按下該鍵可以清除顯示屏。按鍵采用逐行掃描法進行識別，單片機逐行掃描各鍵，先讓每行輸出低電平，檢測各列是否有低電平產(chǎn)生，如果檢測到列有低電平輸出，說明有鍵按下，接著讓每行分別依次輸出低電平，其余行行輸出高電平，在檢測每一列的低電平情況，兩東華理工大學畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設計 10次低電平的交叉處便是鍵按下的地方。2.4 D/A 轉(zhuǎn)換模塊的選擇方案一 DAC0832 是 8 分辨率的 D/A 轉(zhuǎn)換集成芯片。這個 DA 芯片以其接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點，在單片機應用系統(tǒng)中得到廣泛的應用。D/A 轉(zhuǎn)換器由 8 位輸入鎖存器、8 位 DAC 寄存器、8 位 D/A

35、轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。方案二：TLC5615 D/A采用的是串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器。TLC5615是一個串行1O位DAC芯片，性能比早期電流型輸出的要好。只需要通過3根串行總線就可以完成1O位數(shù)據(jù)的串行輸入，易于和工業(yè)標準的微處理器或微控制器(單片機)接口，適用于電池供電的測試儀表，是具有串行接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。本設計需要測出電壓值、電流值，對設定值的精確度要求更高。所以采用 1O位 DAC 芯片，分辨率較高。同時模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 TLC5615 采用接口簡單的，使得硬件電路大為簡化，線路板面積縮小，成本降低，故選擇方案二。如圖 2-6 所示為 D/A 轉(zhuǎn)換輸出電路原理圖。D/A 變換輸出采用 TL

36、C5615 與單片機連接設定值通過鍵盤輸入送往單片機，再通過 DA 輸出電路產(chǎn)生基準電壓送往 PI 控制器與實際電壓相比較。EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9P3.7(RD)17P3.6(WR)16P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13P3.4(T0)14P3.5(T1)15P1.0(T2)1P1.1(T2EX)2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78(AD0)P0.039(AD1)P0.138(AD2)P0.237(AD3)P0.336(AD4)P0.435(AD5)P0.534(AD6)P0.633(AD7)P0.732(A8)P2.021

37、(A9)P2.122(A10)P2.223(A11)P2.324(A12)P2.425(A13)P2.526(A14)P2.627(A15)P2.728PSEN29ALE/PROG30(TXD)P3.111(RXD)P3.010GND20VCC40U112Y1C330PC430PRSTP2.5VCCP0.3P0.2P0.1P0.0P0.4P0.5P0.6P0.7GNDVCCP1.0P1.1P1.2P1.3+2.5VP1.4P1.5P1.6P1.7P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7P2.0P2.1P2.2P2.3P2.446132785U3TLC5615VRE FVCCGNDP1.

38、0P1.1P1.2P1.3圖 2-6 D/A 轉(zhuǎn)換輸出電路原理圖在電路設計中 VREF = 2VrefinN1024；其中，Verfin 為 TLC5615 的參考電壓，取 1.5V,N 為輸入設定值的二進制數(shù)。VREF 為到 PI 調(diào)節(jié)器與實際值相比較的基準電壓。如圖 2-7 所示為 TLC5615 與反相器的連接圖，見式（2-1）為 D/A 變換輸出通過一個反相器送到 PI 調(diào)節(jié)器的基準電壓與輸入給定電壓的關系。東華理工大學畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設計 11 VREF = 5N1024 （2-1）（N 為輸入設定值的二進制數(shù)）如圖 2-8 TLC5615 的時序圖可以看出

39、，當片選 CS 為低電平時，輸入數(shù)據(jù) DIN 由時鐘 SCLK 同步輸入或輸出，而且最高有效位在前，低有效位在后。輸入時 SCLK 的上升沿把串行輸入數(shù)據(jù) DIN 移入內(nèi)部的 16 位移位寄存器，SCLK 的下降沿輸出串行數(shù)據(jù) DOUT，片選 CS 的上升沿把數(shù)據(jù)傳送至 DAC 寄存器。 +2.5V46132785U3TLC5615VREFVCCGNDP1.0P1.1P1.2P1.3R14OP3712V-12VR231KR241K-VREF 圖 2-7 TLC5615 與反相器連接圖 圖 2-8 TLC5615 時序圖2.5 采樣電路模塊方案一采用 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0809 是一

40、種 8 路模擬輸入的 8 位逐次逼近式A/D 轉(zhuǎn)換器，為 CMOS 型單芯片器件。其作用可根據(jù)地址譯碼信號來選擇 8 路模擬輸入而共用一個 A/D 轉(zhuǎn)換器。但其占用端口多，轉(zhuǎn)換頻率低于 1M。方案二采用 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 TLC1549 系列具有串行控制、連續(xù)逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它采用兩個差分基準電壓高阻輸入和一個三態(tài)輸出構(gòu)成三線接口。TLC1549 采用 CMOS 工藝。內(nèi)部具有自動采樣保持、可按比例量程校準轉(zhuǎn)換范圍、抗噪聲干擾功能，而且在設計時使在滿刻度時總誤差最大僅為 3.8 mV，因此可廣泛應用于模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換電路。兩者相比，TLC1549 系列器件性能優(yōu)良、速度快、

41、功耗低、精度高、可靠性好、接口簡便，實用價值高,同時與 10 位的 TLC5615 DA 輸出基準電壓精度相同，不會導致電路精度降低，故選擇方案二。采樣電路是檢測和測量環(huán)節(jié)的重要技術手段，為了讓負載準確工作在恒流方式下，設計中對被測電源的輸出電壓和 MOS 管的電流進行實時采樣。采樣 A/D 選用 10位精度的 TLC1549、精度較高。采樣電路包括電壓采樣電路和電流采樣電路，如圖 2-9 所示為電壓電流采樣電東華理工大學畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設計 12路原理圖。從功率電路采集實際工作電壓和電流，反饋到單片機，再通過液晶顯示出來，實現(xiàn)自動循環(huán)的調(diào)節(jié)。2.5.1 電壓采樣電路

42、電壓采樣電路中，由于電子負載的輸入電壓范圍比較寬，實際工作電壓較高，采樣前首先進行了分壓設計。如圖 2-9 所示采用 1/11 的分壓，輸出送往 A/D 采樣TLC1549 添加一個電壓跟隨器，沒有放大作用，輸出電壓與輸入電壓相同，提高了輸入阻抗，對電路進行緩沖，起到承上啟下的作用。同時取到隔離作用，減小了電磁干擾的影響，減小了強電流功率電路對控制電路的損害。如圖 2-9 所示,被試電源兩端的電壓 U 與電壓采樣點電壓 Ub 的關系為 Ub=R19/( R19+ R18)U=10K/(10K+100K)U=1/11U （2-2）所以 U=11Ub （2-3）R1910KQ2IRFP460461

43、32785U4TLC154946132785U5TLC1549R18100KR+R-UbUa1GNDGNDVCCVCCVCCP3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7R17o.25R11R12R14R13OP37OP37UfC50.75uFUaR151KR161K-VREF60K40K40K12VOP37R201KR211K12VVCCUb112V-12V-12V-12V圖 2-9 電壓電流采樣電路原理圖2.5.2 電流采樣電路電流采樣電路中，首先借助采樣電阻 R17 將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸出送往 A/D 采樣 TLC1549 添加一個電壓跟隨器，不取到放大作用。如圖 2-9 所示

44、，提高電路帶負載能力，取到緩沖、隔離作用。東華理工大學畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設計 13如圖 2-9 所示負載電流 I 與電流采樣點電壓 Ua 的關系為 I=Ua/R17=Ua/0.25 （2-4）采樣電阻 R17 的電阻為 0.25 歐姆，為錳銅采樣電阻，阻值較小，但可以承受大功率，采樣電阻分流對整個電路影響較小。采樣電阻 R17 電流電壓轉(zhuǎn)換元件(I/V converter)，落在 R17 上的電壓降通過 PI 調(diào)節(jié)器與基準電壓（VERF）比較，控制MOS 管的導通量變化與截止，從而達到保持電流恒定的目的。這種電阻適用于高功率及高電流的電源供應器，電路板的電路偵測，具有穩(wěn)

45、定性佳，低溫度系數(shù)，散熱性好的特性。2.5.3輸入的模擬量采樣46132785U5TLC1549Ua1GNDVCCVCCP3.2P3.3P3.4圖 2-10 tlc1549 引腳圖 圖 2-11 tlc1549 時序圖（1）TLC1549 工作原理TLC1549 具有 6 種串行接口時序模式，這些模式是由 IO CLOCK 周期和 CS 定義。根據(jù) TLC1549 的功能結(jié)構(gòu)和工作時序，其工作過程可分為 3 個階段：模擬量采樣、模擬量轉(zhuǎn)換和數(shù)字量傳輸。如圖 2-11 所示為 TLC1549 的時序圖。（2）輸入模擬量采樣在第 3 個 IO CLOCK 下降沿，輸入模擬量開始采樣，采樣持續(xù) 7

46、個 IO CLOCK 周期，采樣值在第 10 個 IO CLOCK 下降沿鎖存。東華理工大學畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設計 14（3）數(shù)字量得傳輸當片選 CS 由低電平變?yōu)楦邥r，IO CLOCK 禁止且 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出 DATA OUT 處于高阻狀態(tài)；當串行接口將 CS 拉至有效時，即 CS 由高變?yōu)榈蜁r，CS復位內(nèi)部時鐘，控制并使能 DA-TA OUT 和 IO CLOCK，允許 IO CLOCK 工作并使DATA OUT 脫離高阻狀態(tài)。串行接口把輸入輸出時鐘序列供給 IO CLOCK 并接收上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果。首先移出上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量對應的最高位，下一個 IO

47、 CLOCK 的下降沿驅(qū)動。DATA OUT 輸出上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量對應的次高位，第 9 個IOCLOCK 的下降沿將按次序驅(qū)動 DATA OUT 輸出上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量的最低位，第 10 個 IOCLOCK 的下降沿，DATA OUT 輸出一個低電平，以便串行接口傳輸超過10 個時鐘；IO CLOCK 從主機串行接口接收長度在 1016 個時鐘的輸入序列。CS的下降沿，上一次轉(zhuǎn)換的 MSB 出現(xiàn)在 DATA OUT 端。10 位數(shù)字量通過 DATA OUT 發(fā)送到主機串行接口。為了開始傳輸，最少需要 10 個時鐘脈沖，如果 IOCLOCK 傳送大于 10 個時鐘，那么在第 10 個時鐘的

48、下降沿，內(nèi)部邏輯把 DATA OUT 拉至低電平以確保其余位清零。在正常轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，即規(guī)定的時間內(nèi) CS 端由高電平至低電平的跳變可以終止該周期，器件返回初始狀態(tài)(輸出數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容保持為上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果)。由于可能破壞輸出數(shù)據(jù)，所以在接近轉(zhuǎn)換完成時要小心防止 CS 拉至低電平。2.6 電流取樣 PI 控制器等組成的負反饋控制模塊電子負載的核心實質(zhì)是一個電流取樣 PI 控制器組成的負反饋控制環(huán)路，也是電子負載的功率控制電路。MOS 管在這里既作為電流的控制器件同時也作為被測電源的負載。采樣電阻 R17 電流電壓轉(zhuǎn)換元件(I/V converter)，落在 R17 上的電壓降通過 PI 調(diào)節(jié)器與

49、基準電壓（VERF）比較，控制 MOS 管的導通量變化與截止，從而達到保持電流恒定的目的。東華理工大學畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設計 15R1910KQ2IRFP46046132785U4TLC154946132785U5TLC1549R18100KR+R-UbUa1GNDGNDVCCVCCVCCP3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7R17o.25R11R12R14R13OP37OP37UfC50.75uFUaR151KR161K-VREF60K40K40K12VOP37R201KR211K12VVCCUb112V-12V-12V-12V圖 2-12 電流取樣 PI

50、控制器等組成的負反饋控制電路如圖 2-12 所示為電流取樣 PI 控制器等組成的負反饋控制電路。這個電路中，設定值與實際值相比較。當 R17 上的電壓降 Uf 即實際值大于設定值 VERF 時，通過PI 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，減小 MOS 管的導通角，減小 MOS 管的導通量，使 MOS 管的內(nèi)阻增大，流過電阻 R17 的電流減小，則電壓降 Uf 慢慢減小并等于設定值，從而實現(xiàn)電子負載的恒流工作模式；當 R17 上的電壓降 Uf 即實際值小于設定值 VERF 時。通過 PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，增大 MOS 管的導通角，增大 MOS 管的導通量，使 MOS 管的內(nèi)阻減小，流過電阻 R17 的電流增大，則電壓降

51、 Uf 慢慢增大并等于設定值，從而實現(xiàn)電子負載的恒流工作模式，這是一個 PI 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)過程。2.7 PI 調(diào)節(jié)器對于電子負載的設計需要較高的精確度，同時控制 MOS 管的導通量的變換也需要一個不停的變化調(diào)節(jié)過程，而不是傳統(tǒng)的采用運放比較器組成的反饋電路來實現(xiàn)。傳統(tǒng)的僅靠比較器來比較設置值與實測值，比較后的輸出作用于 MOS 管。這樣組成的反饋系統(tǒng)誤差很大、精度低，只能控制 MOS 管的通或斷，就只有全導通或全關閉兩種極值情況，很難準確的消除誤差實現(xiàn)其恒流模式的控制。所以需要一個更加精確的調(diào)節(jié)器來控制 MOS 管的導通量，使其導通角能夠在可承受電壓范圍內(nèi)，按照偏差的大小，對實測值與給定值的偏差

52、分別進行比例和積分運算，取其和構(gòu)成連續(xù)信號以控制調(diào)節(jié)導通角的增大或縮小達到設定值等于實際值。東華理工大學畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設計 16R11R12R14R13OP37UfC50.75uF-VREF60K40K40K12V-12V KpiUinUinUexUexmtUex0圖 2-13 PI 調(diào)節(jié)器 2-14 PI 調(diào)節(jié)器的輸出特性如圖 2-13 所示為 PI 調(diào)節(jié)器，PI 調(diào)節(jié)器的輸出電壓 Uex由比例和積分兩個部分組成，在零初始狀態(tài)和階躍輸入信號作用下，其輸出電壓的時間特性如圖 2-14 所示，由圖可以看出比例積分作用的物理意義。當突加輸入電壓 Uin時，由于開始瞬間電

53、容 C 相當于短路，反饋回路只有電阻 R1，使輸出電壓 Uex突跳到 KPIUin。此后，隨著電容 C 被充電，開始體現(xiàn)積分作用，Uex不斷線性增長，直到達到輸出限幅值或運算放大器飽和。這樣，當單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用比例積分調(diào)節(jié)器后，在突加輸入偏差信號Un 的動態(tài)過程中，在輸出端 Uct 立即呈現(xiàn) Uct=KPIUn，實現(xiàn)快速控制，發(fā)揮了比例控制的長處；在穩(wěn)態(tài)時，又和積分調(diào)節(jié)器一樣，又能發(fā)揮積分控制的作用，Un=0，Uct 保持在一個恒定值上，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差。因此，比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點，又克服了各自的缺點，揚長避短，互相補充。比例部分能夠迅速響應控制作用，積分控制則最

54、終消除穩(wěn)態(tài)偏差。作為控制器，比例積分調(diào)節(jié)器兼顧了快速響應和消除靜差兩方面的要求。故 PI 調(diào)節(jié)器應用在電子負載的設計中，實現(xiàn)對 MOS 導通角的有效控制，具有積分作用的調(diào)節(jié)器，只要被調(diào)量即電子負載電路中的實測值與設定值之間有偏差，其輸出就會不停的變化。反復調(diào)節(jié)，消除穩(wěn)態(tài)誤差，實現(xiàn)無靜差的調(diào)節(jié)。PI 調(diào)節(jié)器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差 e(t)= r(t)c(t) （2-5）將偏差的比例（P）和積分（I）通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，其控制規(guī)律為 （2-dt) t ( eT1) t ( e Ku(t)t0Ip東華理工大學畢業(yè)論文（論文） 第

55、二章 電子負載硬件系統(tǒng)設計 176）其中u(t)為 PI 控制器的輸出，e(t)為 PI 調(diào)節(jié)器的輸入，Kp 為比例系數(shù)，TI為積分時間常數(shù)。1比例環(huán)節(jié)即時成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。通常隨著 Kp 值的加大，閉環(huán)系統(tǒng)的超調(diào)量加大，系統(tǒng)響應速度加快，但是當 Kp 增加到一定程度，系統(tǒng)會變得不穩(wěn)定。2積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分常數(shù) TI，TI越大，積分作用越弱，反之越強。通常在 Kp 不變的情況下，TI越大，即積分作用越弱，閉環(huán)系統(tǒng)的超調(diào)量越小，系統(tǒng)的響應速度變慢。 本次電子負載設計，為了較快

56、且更加精確的消除誤差。對于 PI 調(diào)節(jié)器，如圖2-14 所示的 PI 調(diào)節(jié)器，取 R11、R12=40K，R13=60K ,C=0.75uF Kp=R13R11=1.5 （2-6） TI= RC=0.03S （2-6） 所以本設計的 PI 調(diào)節(jié)器的 Kp 取 1.5，TI取 0.03S。2.8 功率電路模塊2.8.1 電子模擬負載方式的選擇方案一：晶體管式電子模擬負載：晶體管是通過一定的工藝，將兩個 PN 結(jié)結(jié)合在一起的器件。通過基極電流可以控制集電極電流，從而可以達到控制晶體管作為一個可變負載的目的。大功率晶體管構(gòu)成的功率恒流源充當負載，通過吸收電源提供的大電流，從而模擬復雜的負載形式。即通

57、過將恒壓、恒流、恒阻誤差信號經(jīng)過放大，再送入邏輯或控制電路，用選中的誤差信號來調(diào)整晶體管的內(nèi)阻，以達到模擬變化負載的目的。由于晶體管屬于電流控制性器件，在控制變化速度上較慢，因此適合模擬一些電流恒定或是變化緩慢的實際負載。其次，晶體管還存在溫度系數(shù)為負的問題，所以在使用過程中還需要考慮溫度補償?shù)膯栴}。方案二：場效應管式電子模擬負載：場效應晶體管(MOSFET)工作在不飽和區(qū)時，漏極與源極之間的伏安特性可以看作是一個受柵一源電壓控制的可變電阻。用MOSFET 作可變電阻具有工作速度快，可靠性控制靈敏等優(yōu)點，而且既無機械觸點，也無運動部件，噪聲低、壽命長。MOSFET 的通態(tài)電阻較大，且負載電流較

58、小。所以MOSFET 適合模擬一些變化速度較快，但電流不大的實際負載。綜合電子負載的特性，故選擇方案二場效應管式電子模擬負載。東華理工大學畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設計 182.8.2 功率耗散 MOS 管的選型方案一：采用 MTY25N60E MOS 管，它常用于電力領域的應用。專為高電壓、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 IRFP460 芯片，TIP122 芯片效率比方案低，總功耗相對較高。其通用參數(shù)為： （1）漏極源極擊穿電壓 Vdss=500V（2）靜態(tài)導通電阻 Rds(on)=0.25（3）漏源連續(xù)導通電流 Id=22A（

59、4）功 率：Ptot=278W（5）極 性：NPN鑒于 MOS 管的良好開關特性，在此次設計中，對被測電源功率的控制，也就是對電流的控制，故選用方案二。場效應管是一種單極型晶體管，它只有一個 P-N 結(jié)，在零偏壓的狀態(tài)下，它是導通的，如果在其柵極(G)和源極(S)之間加上一個反向偏壓(稱柵極偏壓)，在反向電場作用下，P-N 變厚(稱耗盡區(qū))，溝道變窄，漏極電流變小。當反向偏壓達到一定時，耗盡區(qū)將完全溝道“夾斷” ，此時場效應管進入截止狀態(tài)。MOS 型晶體管的特點是特別適合于開關狀態(tài)工作，因為它正向?qū)〞r的電阻極小，而且開關速度快，所以是一種理想的開關元件。（1）柵極控制功率小。和雙極型晶體管相

60、比，MOS 管柵極是絕緣的、在高頻工作時雖然有柵極電流存在。但其值甚小，所以柵極的輸入功率也很小。（2）由于 MOS 管是電壓控制器件，它不像雙極型晶體管那樣，在基區(qū)有可能積存大量少數(shù)載流子，從而影響高速開關。所以同樣功率的管子，MOS 型的開關速度要比雙極型管子快得多。（3）MOS 管子的耐壓比雙極型管于低、常很少超過 1000V、雙極型管子可以做到1600V 以下。（4）MOS 管子不像雙極型管子那樣存在明顯的二次擊穿現(xiàn)象，所以在中、低壓情況下，其工作的可靠性要高些，過電壓保護的設計也可以簡單一些。如圖 2-15 所示為 N 溝道增強型 MOS 管的轉(zhuǎn)移特性曲線，如圖 2-16 所示為 N