基于單片機(jī)的電子負(fù)載畢業(yè)論文(含原理圖+程序)

1、 摘 要電子負(fù)載的原理是控制內(nèi)功率 MOSFET 或晶體管的導(dǎo)通量，靠功率管的耗散功率消耗電能的設(shè)備，它的基本工作方式有恒壓、恒流、恒阻、恒功率這幾種。本設(shè)計(jì)從直流電子負(fù)載系統(tǒng)方案分析入手，詳細(xì)討論了整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路和軟件實(shí)現(xiàn)，并給出較為合理的解決方案。為便于控制的實(shí)現(xiàn)和功能的擴(kuò)展，采用了STC89C52 單片機(jī)作為核心控制器，設(shè)計(jì)了 DA 輸出控制電路、AD 電壓電流檢測(cè)電路、鍵盤電路、顯示電路和驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)軟、硬件的協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)設(shè)計(jì)。通過(guò)運(yùn)放、PI 調(diào)節(jié)器及負(fù)反饋控制環(huán)路來(lái)控制 MOSFET 的柵極電壓，從而達(dá)到其內(nèi)阻變化。這個(gè)控制環(huán)路是整個(gè)電路的核心實(shí)質(zhì)，MOS 管在這里既作

2、為電流的控制器件同時(shí)也作為被測(cè)電源的負(fù)載。控制 MOS 管的導(dǎo)通量，其內(nèi)阻發(fā)生相應(yīng)的變化，從而達(dá)到流過(guò)該電子負(fù)載的電流恒定，實(shí)現(xiàn)恒流工作模式。本設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)電子負(fù)載的恒流控制：能夠檢測(cè)被測(cè)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(shí)不論輸入電壓如何變化（在一定范圍內(nèi)），電子負(fù)載將根據(jù)設(shè)定值來(lái)吸收電流，流過(guò)該電子負(fù)載的電流恒定。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：電子負(fù)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論

9、文） 目 錄目目 錄錄緒 論.1第一章 電子負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案.21.1 電子負(fù)載工作原理.21.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求.31.3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案論證.31.4系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)方案.5第二章 電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì).62.1 核心處理器的設(shè)計(jì) .62.2 顯示模塊的設(shè)計(jì) .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(fù)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(fù)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(shè)計(jì) .19第三章 電子負(fù)載軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì).213.1 電壓電流 A/D 采樣程序設(shè)計(jì) .223.2 液晶顯示子程序 .223.3 D/A 轉(zhuǎn)化程序.233.4 鍵盤識(shí)別處理程序設(shè)計(jì) .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(xiàn).29附錄一 整體電路原理圖 .30附錄二 電子負(fù)載設(shè)計(jì)程序 .31東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒 論1緒 論在人們生活的多個(gè)領(lǐng)域都要用到負(fù)載測(cè)試，如充電電源試驗(yàn)、蓄電池放電試驗(yàn)以及購(gòu)買電池、電源時(shí)等都需要負(fù)

11、載測(cè)試。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)上述產(chǎn)品的試驗(yàn)一般都采用傳統(tǒng)的靜態(tài)負(fù)載(如電阻、電阻箱、滑線變阻器等)能耗放電的辦法進(jìn)行。隨著電力電子技術(shù)的、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，為電源檢測(cè)技術(shù)帶來(lái)了革命性的變化。由于鐵道電氣化供電、電氣牽引、信號(hào)控制 、無(wú)線通信、計(jì)算機(jī)指揮調(diào)度中心及家庭日常生活等應(yīng)用領(lǐng)域都在大量應(yīng)用各種各樣的電源，因此人們對(duì)電子負(fù)載的需求越來(lái)越多，對(duì)其性能要求也越來(lái)越高。而傳統(tǒng)的電源檢測(cè)技術(shù)面臨著極大的挑戰(zhàn)。為準(zhǔn)確檢測(cè)電源的可靠性和帶載能力，因此把電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)電源的可靠檢測(cè)。從電源類型來(lái)看，電子負(fù)載可分為直流電子負(fù)載和交流電子負(fù)載兩種。直流電子負(fù)載比起

12、交流電子負(fù)載，應(yīng)用的歷史較長(zhǎng)，范圍更廣。最初在實(shí)驗(yàn)室，利用電力電子器件的特性，通過(guò)分析等值電路，用電力電子元件搭建電子電路來(lái)模擬負(fù)載，可以實(shí)現(xiàn)定電阻、定電壓等特性。隨后又有工作人員將單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用到電子負(fù)載中，逐步可實(shí)現(xiàn)定電流模式和可編程斜率模式。單片機(jī)技術(shù)與變換器電路的密切結(jié)合還使得電子負(fù)載可以工作在其它多種模式下:定功率模式、動(dòng)態(tài)電阻模式、短路模式等。隨著功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET)，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和場(chǎng)效應(yīng)晶閘管(McT)等主要開(kāi)關(guān)器件的出現(xiàn)以及電力電子變換器拓?fù)涞陌l(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(fù)載也得到了實(shí)現(xiàn)。交流電子負(fù)載是可

13、以模擬傳統(tǒng)真實(shí)阻抗負(fù)載的電力電子裝置，它能模擬一個(gè)固定或變化的負(fù)載，甚至將試驗(yàn)的電能反饋回電網(wǎng)，其設(shè)計(jì)初衷是交流電源出廠試驗(yàn)。交流電源出廠試驗(yàn)通常采用電阻箱耗能的辦法，它存在調(diào)節(jié)不便、自動(dòng)化程度低、耗電量大等缺點(diǎn)，而采用交流電子負(fù)載進(jìn)行試驗(yàn)可有效克服這些缺點(diǎn)，它可使試驗(yàn)更加簡(jiǎn)單、靈活，且大大降低試驗(yàn)的成本。電子負(fù)載可以模擬真實(shí)環(huán)境中的負(fù)載（用電器） 。它有恒流、恒阻、恒壓和恒功率功能，以及短路，過(guò)流，動(dòng)態(tài)等等，應(yīng)該說(shuō)所有的電源廠家都會(huì)有用，而且也必須有。電子負(fù)載分為直流電子負(fù)載和交流電子負(fù)載，由于電子負(fù)載的應(yīng)用方面問(wèn)題，直流電子負(fù)載應(yīng)用比較廣泛，本文主要介紹直流電子負(fù)載。電子負(fù)載與傳統(tǒng)的模擬電

14、阻性負(fù)載相比具有節(jié)能、體積小、重量輕、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，由于電子負(fù)載所具有的性能特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，電子負(fù)載被越來(lái)越多地應(yīng)用到各種試驗(yàn)場(chǎng)合。因此，電子負(fù)載的研究具有廣闊的市場(chǎng)和廣泛的應(yīng)用前景。東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第一章 電子負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2第一章 電子負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案1.1 電子負(fù)載工作原理電子負(fù)載用于測(cè)試直流穩(wěn)壓電源、蓄電池等電源的性能。電子負(fù)載的原理是控制內(nèi)功率 MOSFET 或晶體管的導(dǎo)通量（占空比） ，靠功率管的耗散功率消耗電能的設(shè)備，它能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出負(fù)載電壓,精確調(diào)整負(fù)載電流,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)模擬負(fù)載短路,模擬負(fù)載是感性阻性和容性,容性負(fù)載電流上升時(shí)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(fù)載將根據(jù)設(shè)定值來(lái)吸收電流。若被測(cè)電壓在510V變化，設(shè)定電流為100mA，則當(dāng)調(diào)節(jié)被測(cè)電壓值時(shí)，負(fù)載上的電流值應(yīng)維持在100mA不變, 而此時(shí)負(fù)載值是可變的。定電流模式能用于測(cè)試電壓源及AD/ DC電源的負(fù)載調(diào)整率。負(fù)載調(diào)整率是電源在負(fù)載變動(dòng)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(fù)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(cè)試電壓源，電流源的啟動(dòng)與限流特性。在定電阻模式中, 電子負(fù)載將吸收與輸入電壓成線性的負(fù)載電流

16、。若負(fù)載設(shè)定為1 k, 當(dāng)輸入電壓在110 V 變化時(shí), 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(fù)載將吸收足夠的電流來(lái)控制電壓達(dá)到設(shè)計(jì)值。定電壓模式能被使用于測(cè)試電源的限流特性。另外, 負(fù)載可以模擬電池的端電壓, 故也可以使用于測(cè)試電池充電器。（4）恒定功率方式在定功率工作模式時(shí)，電子負(fù)載所流入的負(fù)載電流依據(jù)所設(shè)定的功率大小而定，東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第一章 電子負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 3此時(shí)負(fù)載電流與輸入電壓的乘積等于負(fù)載功率設(shè)定值，即負(fù)載功率保持設(shè)定值不變。本電子負(fù)載機(jī)實(shí)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(zhǔn)電壓由單片機(jī) D/A 轉(zhuǎn)換輸出。

17、用 A/D 轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)連接把電路中電壓電流的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后用液晶顯示方式顯示出即時(shí)的電壓電流。1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求根據(jù)電子負(fù)載的原理，設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)恒流模式下的電子負(fù)載：能夠檢測(cè)被測(cè)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(fù)載將根據(jù)設(shè)定值來(lái)吸收電流，流過(guò)該電子負(fù)載的電流恒定。設(shè)計(jì)出最大功率為 100W，電流 O 一 20A，電壓 O 一 50V 的直流電子負(fù)載。1.3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案論證根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，得出以下三種方案：方案一：如圖 1-1 所示，運(yùn)用傳統(tǒng)的電子負(fù)載設(shè)計(jì)方式，通過(guò)比較器的比較結(jié)果及反饋來(lái)

18、控制 MOSFET 的柵極電壓，從而達(dá)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(jī)作為核心控制器，設(shè)計(jì)了 AD 電壓電流檢測(cè)電路、鍵盤電路、液晶顯示電路和驅(qū)動(dòng)電路，ATmegal6 單片機(jī)為核心處理器。鍵盤、串口通訊和 LCD 實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，MOS 管電路為電子負(fù)載主電路。單片機(jī)輸出一定占空比的 PWM 控制信號(hào)，控制功率電路 MOS 管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，來(lái)獲得實(shí)際所需的工作電流、電壓。電路中的檢測(cè)電路為電壓、電流負(fù)反饋回路，通過(guò) A/D 采集到單片機(jī)，與預(yù)置值進(jìn)行比較，作為單片機(jī)進(jìn)一步調(diào)節(jié) PWM 占空比的依據(jù)。東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第一章 電子負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 4圖

19、 1-1 傳統(tǒng)的電子負(fù)載設(shè)計(jì)顯 示按鍵輸入AtmegA/D轉(zhuǎn)換PWM控制電流檢測(cè)電壓檢測(cè)功率控制圖 1-2 方案二系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊方案三：為便于控制的實(shí)現(xiàn)和功能的擴(kuò)展，如圖 1-3 所示為新型電子負(fù)載設(shè)計(jì)系統(tǒng)模塊框圖。采用了 STC89C52 單片機(jī)作為核心控制器，設(shè)計(jì)了 DA 輸出控制電路、AD 電壓電流檢測(cè)電路、鍵盤電路、液晶顯示電路和驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)軟、硬件的協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)設(shè)計(jì)。通過(guò)運(yùn)放、PI 調(diào)節(jié)器及負(fù)反饋控制環(huán)路，是整個(gè)電路的核心實(shí)質(zhì)，來(lái)控制 MOSFET 的柵極電壓，從而達(dá)到其內(nèi)阻變化。MOS 管在這里既作為電流的控制器件同時(shí)也作為被測(cè)電源的負(fù)載，通過(guò) PI 調(diào)節(jié)器控制 MOS 管

20、的導(dǎo)通量，從而達(dá)到流過(guò)該電子負(fù)載的電流恒定，實(shí)現(xiàn)恒流工作模式。STC89C52單片機(jī)LCD顯示鍵 盤D/A轉(zhuǎn)化PI調(diào)節(jié)器MOS管被測(cè)電源電流檢測(cè)A/D轉(zhuǎn)化電壓檢測(cè)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(xué)畢業(yè)論文（論文） 第一章 電子負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 5經(jīng)過(guò)比較，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案主要靠硬件實(shí)現(xiàn)，成本較高。而且采用運(yùn)放進(jìn)行比較控制 MOS 管只有通和斷兩種情況，不能實(shí)現(xiàn)逐漸改變 MOS 管導(dǎo)通角的變化，不易控制。方案二通過(guò)單片機(jī)輸出一定占空比的 PWM 控制信號(hào)，控制 MOS 管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，來(lái)獲得實(shí)際所需的工作電流、電壓。這對(duì)于占空比的細(xì)調(diào)節(jié)不易控制，誤差較大。方

21、案三采用通過(guò)軟、硬件的協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)設(shè)計(jì)。通過(guò)運(yùn)放、PI 調(diào)節(jié)器及負(fù)反饋控制環(huán)路，能夠較精確的控制 MOS 管的導(dǎo)通量，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差的調(diào)節(jié)。故整個(gè)設(shè)計(jì)采用方案三。1.4 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)方案電子負(fù)載系統(tǒng)由軟、硬件共同組成?？紤]到價(jià)格、工作速度、開(kāi)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(duì)于某些既可用硬件實(shí)現(xiàn)，又可用軟件實(shí)現(xiàn)的功能，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮了硬件和軟件的特點(diǎn)，高效地分配其資源，協(xié)調(diào)其功能。電子負(fù)載系統(tǒng)的硬件部分包括以下部分：（1） 單片機(jī)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(fù)反饋控制模塊（7） 電源電路模塊電子負(fù)載系統(tǒng)的控制程序，包括以下部分:(l)人一機(jī)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(fù)載，主要實(shí)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(shí)質(zhì)是一個(gè)電流取樣 PI 控制器負(fù)反饋控制環(huán)路，MOS 管在這里既作為電流的控制器件同時(shí)也作為被測(cè)電源的負(fù)載。PI 控制器控制 MOS 管的導(dǎo)通量變化與截止，從而達(dá)到保持電流恒定的目的?？刂撇糠植捎?STC89C52 單片機(jī)來(lái)完成，設(shè)定值通過(guò)鍵盤輸入送往單片機(jī)，

23、再通過(guò) DA 輸出電路產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓送往 PI 控制器與實(shí)際電壓相比較，基準(zhǔn)電壓與實(shí)際電壓相比較的偏差控制 MOS 管的導(dǎo)通量變化與截止，從而達(dá)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制轉(zhuǎn)化，然后用液晶顯示顯示出即時(shí)的電壓電流。東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第一章 電子負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 6東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第二章 電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6第二章 電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 核心處理器的設(shè)計(jì)核心處理器負(fù)責(zé)控制與協(xié)調(diào)其他各個(gè)模塊工作，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)字信號(hào)處理。在整個(gè)電子負(fù)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(guān)系到系統(tǒng)

24、效率的高低以及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)過(guò)程中用單片機(jī)作為主控制器。方案一：采用 ATMEL 公司的 AT89C51,51 單片機(jī)價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)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(shè)計(jì)采用 Keil 軟件實(shí)現(xiàn)其軟件部分的設(shè)計(jì)，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(jī)與液晶顯示模塊連接電路表 2-1 單片機(jī) I/O 口分配I/O 口應(yīng)用I/O 口應(yīng)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(shí)鐘輸入P1.0P1.4液晶顯示模塊RESET單片機(jī)復(fù)位信號(hào)東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7單片機(jī)總控制電路如圖 2-1 所示：STC89C52 單片機(jī)在系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)以下功能:設(shè)定值通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換輸出基準(zhǔn)電壓；實(shí)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(fù)載系統(tǒng)中 STC89C52 的 I/O 口分配連接情況。2.2 顯示模塊的設(shè)計(jì)方案一：采用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有接線簡(jiǎn)單、成本低廉、配置簡(jiǎn)單靈活、編程容易、對(duì)外界環(huán)境要求較低、易于維護(hù)等特點(diǎn)。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(jiǎn)單的數(shù)字，其電路復(fù)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(shí)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(wú)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。點(diǎn)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(shí)現(xiàn)屏幕上下左右滾動(dòng)、動(dòng)畫、閃爍、文本特征顯示等功能。本次設(shè)計(jì)中要測(cè)量實(shí)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(wú)輻射危害，與單片

29、機(jī)連接較簡(jiǎn)單。故經(jīng)過(guò)比較選擇方案二 Nokia 5110 液晶顯示特點(diǎn)：（1) 性價(jià)比高，可以顯示 15 個(gè)漢字、30 個(gè)字符，價(jià)格相對(duì)便宜；（2) 接口簡(jiǎn)單，僅四根 I/O 線即可驅(qū)動(dòng)；（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(shí)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(dòng)設(shè)備。LCD液晶顯示STC89C52SPI時(shí)鐘生成器MOSIMOSI圖 2-2 單片機(jī)與 LCD 通信如圖 2-1 所示為 STC89C52 單片機(jī)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(xué)畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8機(jī)與 LCD 通信過(guò)程。液晶的主要工作原理（1）SPI 接口時(shí)序?qū)憯?shù)據(jù)/命令Nokia5110(PCD8544)的通信協(xié)議是一個(gè)沒(méi)有 MISO 只有 MOSI 的 SPI 協(xié)議：圖 2-3 串行總線協(xié)議傳送 1 個(gè)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(gè) RES 低電平脈沖復(fù)位一下。圖 2-4 Nokia 5110 復(fù)位時(shí)（3）顯示英文字符英文字符占用 6*8 個(gè)點(diǎn)陣，通過(guò)建立一個(gè) ASCII 的數(shù)組 font6x86來(lái)尋址。（4）顯示漢字顯示漢字可以采用兩種點(diǎn)陣方式，一種是 1

31、2*12 點(diǎn)陣，一種是 16*16 點(diǎn)陣。 2.3 鍵盤模塊方案一：非矩陣式鍵盤結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，使用方便，適合于較少開(kāi)關(guān)量的輸入場(chǎng)合。每個(gè)按鍵需占用一根I/O 口線， 在按鍵數(shù)量較多時(shí),I/O 口浪費(fèi)大, 電路結(jié)構(gòu)顯得復(fù)雜。并且此鍵盤是用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)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(fù)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(jī)的引腳資源，矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合, 由行線和列線組成, 按鍵位于行列的交叉點(diǎn)上，節(jié)省I/O 口，因此東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9其應(yīng)用十分廣泛。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要通過(guò)鍵盤中輸入設(shè)定

32、值，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)化輸出實(shí)際值。所以需要有0-9的數(shù)字鍵、小數(shù)點(diǎn)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(guò)矩陣電路進(jìn)行按鍵輸入，采用的是 4x4 矩陣鍵盤， 電子負(fù)載系統(tǒng)中按鍵需要實(shí)現(xiàn)的功能有:(l) 0-9 數(shù)字鍵：本設(shè)計(jì)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(jī)，按位輸入的數(shù)據(jù)提取出來(lái)，轉(zhuǎn)換

33、為十進(jìn)制數(shù)據(jù)。(2) 小數(shù)點(diǎn)鍵：本設(shè)計(jì)中精度要求較高，輸入的設(shè)定值會(huì)有需要帶小數(shù)點(diǎn)。在第一位按鍵掃描后，每次按下小數(shù)點(diǎn)鍵，在按下確認(rèn)鍵后與數(shù)字鍵一樣通過(guò)液晶顯示顯示出來(lái)。(3)自動(dòng)調(diào)節(jié)啟動(dòng)停止按鍵:該按鍵把電子負(fù)載功能劃分為設(shè)置和調(diào)節(jié)兩部分，沒(méi)有按下該按鍵時(shí)，默認(rèn)為功能設(shè)置，此時(shí)單片機(jī)只預(yù)置數(shù)據(jù)輸入、按鍵查詢、預(yù)置數(shù)據(jù) LCD 顯示等功能；而當(dāng)按下該按鍵 1 次后，單片機(jī)將轉(zhuǎn)為執(zhí)行負(fù)載調(diào)節(jié)、A/D采集、實(shí)際數(shù)據(jù) LCD 顯示等功能。(4)預(yù)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(lái)，送往單片機(jī)，之后轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)，通過(guò)液晶顯示顯示出來(lái)。(5)復(fù)位清零鍵:當(dāng)

34、輸入有誤時(shí)，按下該鍵可以清除顯示屏。按鍵采用逐行掃描法進(jìn)行識(shí)別，單片機(jī)逐行掃描各鍵，先讓每行輸出低電平，檢測(cè)各列是否有低電平產(chǎn)生，如果檢測(cè)到列有低電平輸出，說(shuō)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(cè)每一列的低電平情況，兩東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(gè) DA 芯片以其接口簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)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(gè)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(guò)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(biāo)準(zhǔn)的微處理器或微控制器(單片機(jī))接口，適用于電池供電的測(cè)試儀表，是具有串行接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計(jì)需要測(cè)出電壓值、電流值，對(duì)設(shè)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(shí)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 TLC5615 采用接口簡(jiǎn)單的，使得硬件電路大為簡(jiǎn)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(jī)連接設(shè)定值通過(guò)鍵盤輸入送往單片機(jī)，再通過(guò) DA 輸出電路產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓送往 PI 控制器與實(shí)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(shè)計(jì)中 VREF = 2VrefinN1024；其中，Verfin 為 TLC5615 的參考電壓，取 1.5V,N 為輸入設(shè)定值的二進(jìn)制數(shù)。VREF 為到 PI 調(diào)節(jié)器與實(shí)際值相比較的基準(zhǔn)電壓。如圖 2-7 所示為 TLC5615 與反相器的連接圖，見(jiàn)式（2-1）為 D/A 變換輸出通過(guò)一個(gè)反相器送到 PI 調(diào)節(jié)器的基準(zhǔn)電壓與輸入給定電壓的關(guān)系。東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 VREF = 5N1024 （2-1）（N 為輸入設(shè)定值的二進(jìn)制數(shù)）如圖 2-8 TLC5615 的時(shí)序圖可以看出

39、，當(dāng)片選 CS 為低電平時(shí)，輸入數(shù)據(jù) DIN 由時(shí)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(shí) 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(shí)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(hào)來(lái)選擇 8 路模擬輸入而共用一個(gè) 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(gè)差分基準(zhǔn)電壓高阻輸入和一個(gè)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(dòng)采樣保持、可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍、抗噪聲干擾功能，而且在設(shè)計(jì)時(shí)使在滿刻度時(shí)總誤差最大僅為 3.8 mV，因此可廣泛應(yīng)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(jiǎn)便，實(shí)用價(jià)值高,同時(shí)與 10 位的 TLC5615 DA 輸出基準(zhǔn)電壓精度相同，不會(huì)導(dǎo)致電路精度降低，故選擇方案二。采樣電路是檢測(cè)和測(cè)量環(huán)節(jié)的重要技術(shù)手段，為了讓負(fù)載準(zhǔn)確工作在恒流方式下，設(shè)計(jì)中對(duì)被測(cè)電源的輸出電壓和 MOS 管的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)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(xué)畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12路原理圖。從功率電路采集實(shí)際工作電壓和電流，反饋到單片機(jī)，再通過(guò)液晶顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(fù)載的輸入電壓范圍比較寬，實(shí)際工作電壓較高，采樣前首先進(jìn)行了分壓設(shè)計(jì)。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(gè)電壓跟隨器，沒(méi)有放大作用，輸出電壓與輸入電壓相同，提高了輸入阻抗，對(duì)電路進(jìn)行緩沖，起到承上啟下的作用。同時(shí)取到隔離作用，減小了電磁干擾的影響，減小了強(qiáng)電流功率電路對(duì)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(diǎn)電壓 Ub 的關(guān)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(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸出送往 A/D 采樣 TLC1549 添加一個(gè)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(fù)載能力，取到緩沖、隔離作用。東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13如圖 2-9 所示負(fù)載電流 I 與電流采樣點(diǎn)電壓 Ua 的關(guān)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(duì)整個(gè)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(guò) PI 調(diào)節(jié)器與基準(zhǔn)電壓（VERF）比較，控制MOS 管的導(dǎo)通量變化與截止，從而達(dá)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(yīng)器，電路板的電路偵測(cè)，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(shí)序圖（1）TLC1549 工作原理TLC1549 具有 6 種串行接口時(shí)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(shí)序，其工作過(guò)程可分為 3 個(gè)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(shí)序圖。（2）輸入模擬量采樣在第 3 個(gè) IO CLOCK 下降沿，輸入模擬量開(kāi)始采樣，采樣持續(xù) 7

46、個(gè) IO CLOCK 周期，采樣值在第 10 個(gè) IO CLOCK 下降沿鎖存。東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14（3）數(shù)字量得傳輸當(dāng)片選 CS 由低電平變?yōu)楦邥r(shí)，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(dāng)串行接口將 CS 拉至有效時(shí)，即 CS 由高變?yōu)榈蜁r(shí)，CS復(fù)位內(nèi)部時(shí)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(shí)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(duì)應(yīng)的最高位，下一個(gè) IO

47、 CLOCK 的下降沿驅(qū)動(dòng)。DATA OUT 輸出上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量對(duì)應(yīng)的次高位，第 9 個(gè)IOCLOCK 的下降沿將按次序驅(qū)動(dòng) DATA OUT 輸出上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量的最低位，第 10 個(gè) IOCLOCK 的下降沿，DATA OUT 輸出一個(gè)低電平，以便串行接口傳輸超過(guò)10 個(gè)時(shí)鐘；IO CLOCK 從主機(jī)串行接口接收長(zhǎng)度在 1016 個(gè)時(shí)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(guò) DATA OUT 發(fā)送到主機(jī)串行接口。為了開(kāi)始傳輸，最少需要 10 個(gè)時(shí)鐘脈沖，如果 IOCLOCK 傳送大于 10 個(gè)時(shí)鐘，那么在第 10 個(gè)時(shí)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(shí)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(shí)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(fù)反饋控制模塊電子負(fù)載的核心實(shí)質(zhì)是一個(gè)電流取樣 PI 控制器組成的負(fù)反饋控制環(huán)路，也是電子負(fù)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(shí)也作為被測(cè)電源的負(fù)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(guò) PI 調(diào)節(jié)器與

49、基準(zhǔn)電壓（VERF）比較，控制 MOS 管的導(dǎo)通量變化與截止，從而達(dá)到保持電流恒定的目的。東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(fù)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(fù)反饋控制電路。這個(gè)電路中，設(shè)定值與實(shí)際值相比較。當(dāng) R17 上的電壓降 Uf 即實(shí)際值大于設(shè)定值 VERF 時(shí)，通過(guò)PI 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，減小 MOS 管的導(dǎo)通角，減小 MOS 管的導(dǎo)通量，使 MOS 管的內(nèi)阻增大，流過(guò)電阻 R17 的電流減小，則電壓降 Uf 慢慢減小并等于設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)電子負(fù)載的恒流工作模式；當(dāng) R17 上的電壓降 Uf 即實(shí)際值小于設(shè)定值 VERF 時(shí)。通過(guò) PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，增大 MOS 管的導(dǎo)通角，增大 MOS 管的導(dǎo)通量，使 MOS 管的內(nèi)阻減小，流過(guò)電阻 R17 的電流增大，則電壓降

51、 Uf 慢慢增大并等于設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)電子負(fù)載的恒流工作模式，這是一個(gè) PI 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)過(guò)程。2.7 PI 調(diào)節(jié)器對(duì)于電子負(fù)載的設(shè)計(jì)需要較高的精確度，同時(shí)控制 MOS 管的導(dǎo)通量的變換也需要一個(gè)不停的變化調(diào)節(jié)過(guò)程，而不是傳統(tǒng)的采用運(yùn)放比較器組成的反饋電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的僅靠比較器來(lái)比較設(shè)置值與實(shí)測(cè)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(dǎo)通或全關(guān)閉兩種極值情況，很難準(zhǔn)確的消除誤差實(shí)現(xiàn)其恒流模式的控制。所以需要一個(gè)更加精確的調(diào)節(jié)器來(lái)控制 MOS 管的導(dǎo)通量，使其導(dǎo)通角能夠在可承受電壓范圍內(nèi)，按照偏差的大小，對(duì)實(shí)測(cè)值與給定值的偏差

52、分別進(jìn)行比例和積分運(yùn)算，取其和構(gòu)成連續(xù)信號(hào)以控制調(diào)節(jié)導(dǎo)通角的增大或縮小達(dá)到設(shè)定值等于實(shí)際值。東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(gè)部分組成，在零初始狀態(tài)和階躍輸入信號(hào)作用下，其輸出電壓的時(shí)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(dāng)突加輸入電壓 Uin時(shí)，由于開(kāi)始瞬間電

53、容 C 相當(dāng)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(kāi)始體現(xiàn)積分作用，Uex不斷線性增長(zhǎng)，直到達(dá)到輸出限幅值或運(yùn)算放大器飽和。這樣，當(dāng)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(hào)Un 的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，在輸出端 Uct 立即呈現(xiàn) Uct=KPIUn，實(shí)現(xiàn)快速控制，發(fā)揮了比例控制的長(zhǎng)處；在穩(wěn)態(tài)時(shí)，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(gè)恒定值上，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無(wú)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(diǎn)，又克服了各自的缺點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，互相補(bǔ)充。比例部分能夠迅速響應(yīng)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(yīng)和消除靜差兩方面的要求。故 PI 調(diào)節(jié)器應(yīng)用在電子負(fù)載的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)對(duì) MOS 導(dǎo)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(fù)載電路中的實(shí)測(cè)值與設(shè)定值之間有偏差，其輸出就會(huì)不停的變化。反復(fù)調(diào)節(jié)，消除穩(wěn)態(tài)誤差，實(shí)現(xiàn)無(wú)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(shí)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(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)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(xué)畢業(yè)論文（論文） 第

55、二章 電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(shí)間常數(shù)。1比例環(huán)節(jié)即時(shí)成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)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(yīng)速度加快，但是當(dāng) Kp 增加到一定程度，系統(tǒng)會(huì)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(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分常數(shù) TI，TI越大，積分作用越弱，反之越強(qiáng)。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(yīng)速度變慢。 本次電子負(fù)載設(shè)計(jì)，為了較快

56、且更加精確的消除誤差。對(duì)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(shè)計(jì)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(fù)載方式的選擇方案一：晶體管式電子模擬負(fù)載：晶體管是通過(guò)一定的工藝，將兩個(gè) PN 結(jié)結(jié)合在一起的器件。通過(guò)基極電流可以控制集電極電流，從而可以達(dá)到控制晶體管作為一個(gè)可變負(fù)載的目的。大功率晶體管構(gòu)成的功率恒流源充當(dāng)負(fù)載，通過(guò)吸收電源提供的大電流，從而模擬復(fù)雜的負(fù)載形式。即通

57、過(guò)將恒壓、恒流、恒阻誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，再送入邏輯或控制電路，用選中的誤差信號(hào)來(lái)調(diào)整晶體管的內(nèi)阻，以達(dá)到模擬變化負(fù)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(shí)際負(fù)載。其次，晶體管還存在溫度系數(shù)為負(fù)的問(wèn)題，所以在使用過(guò)程中還需要考慮溫度補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。方案二：場(chǎng)效應(yīng)管式電子模擬負(fù)載：場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)工作在不飽和區(qū)時(shí)，漏極與源極之間的伏安特性可以看作是一個(gè)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(diǎn)，而且既無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)，也無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，噪聲低、壽命長(zhǎng)。MOSFET 的通態(tài)電阻較大，且負(fù)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(shí)際負(fù)載。綜合電子負(fù)載的特性，故選擇方案二場(chǎng)效應(yīng)管式電子模擬負(fù)載。東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(lǐng)域的應(yīng)用。專為高電壓、高速開(kāi)關(guān)芯片，可以應(yīng)用于電力供應(yīng)、電機(jī)控制、PWM 變流器等領(lǐng)域。方案二：采用 IRFP460 芯片，TIP122 芯片效率比方案低，總功耗相對(duì)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(dǎo)通電阻 Rds(on)=0.25（3）漏源連續(xù)導(dǎo)通電流 Id=22A（

59、4）功 率：Ptot=278W（5）極 性：NPN鑒于 MOS 管的良好開(kāi)關(guān)特性，在此次設(shè)計(jì)中，對(duì)被測(cè)電源功率的控制，也就是對(duì)電流的控制，故選用方案二。場(chǎng)效應(yīng)管是一種單極型晶體管，它只有一個(gè) P-N 結(jié)，在零偏壓的狀態(tài)下，它是導(dǎo)通的，如果在其柵極(G)和源極(S)之間加上一個(gè)反向偏壓(稱柵極偏壓)，在反向電場(chǎng)作用下，P-N 變厚(稱耗盡區(qū))，溝道變窄，漏極電流變小。當(dāng)反向偏壓達(dá)到一定時(shí)，耗盡區(qū)將完全溝道“夾斷” ，此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。MOS 型晶體管的特點(diǎn)是特別適合于開(kāi)關(guān)狀態(tài)工作，因?yàn)樗驅(qū)〞r(shí)的電阻極小，而且開(kāi)關(guān)速度快，所以是一種理想的開(kāi)關(guān)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(shí)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(kāi)關(guān)。所以同樣功率的管子，MOS 型的開(kāi)關(guān)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(guò) 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(guò)電壓保護(hù)的設(shè)計(jì)也可以簡(jiǎn)單一些。如圖 2-15 所示為 N 溝道增強(qiáng)型 MOS 管的轉(zhuǎn)移特性曲線，如圖 2-16 所示為 N