簡易直流電子負載論文

1、 2013全國 大學(xué)生電子設(shè)計競賽 直流電子負載系統(tǒng) (高職高專組F) 摘要本設(shè)計以STC89C52單片機為核心控制系統(tǒng)，采用了DA輸出控制電路、AD電壓電流檢測電路、顯示電路、鍵盤電路。通過運放、負反饋控制環(huán)路來控制MOSFET的柵極電壓使其內(nèi)阻變化，從而實現(xiàn)恒流工作模式。MOS管既作為電流的控制器件同時也作為被測電源的負載，控制部分采用STC89C52單片機來完成，設(shè)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，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。關(guān)鍵詞：電子負載；單

2、片機； 恒流模式； A/D轉(zhuǎn)換； D/A轉(zhuǎn)換 Abstract: This design with the core of STC89C52 MCU , using Da output control circuit, ad voltage and current detection circuit, display, keyboard, circuits.Using negative feedback control loop amplifier, to control grid voltage of the MOS to its internal resistance change, re

3、sulting in constant current mode of operation.MOS both as a current control devices at the same time as the measured power load control part using stc89c52 single - chip computer to complete the set value input from the keyboard to the SCM, and then by DA output circuit voltage sent to the PI contro

4、ller with the actual voltage compared.In A / D converter circuit for voltage and current analog signals into digital signals by single - chip Microcomputer to control the conversion, and then use the LCD display shows the instantaneous voltage and current. Key word : electronic load ; MCU; constant

5、current mode ; Ad conversion ; DA conversion 目錄1.系統(tǒng)方案設(shè)計.4 1.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計論證.5 1.2系統(tǒng)具體設(shè)計方案. .6 1.2.1控制單元模塊論證與選擇. .6 顯示模塊論證與選擇.6 鍵盤模塊論證與選擇.6 DA轉(zhuǎn)換模塊的論證與選擇.72.系統(tǒng)理論分析與計算.7 2.1電子負載及恒流電路的分析.7 2.2電壓、電流的測量及精度分析.8 2.3電源負載調(diào)整率的測試原理 .8 3.電路與程序設(shè)計.8 3.1電電路設(shè)計.8 3.1.1控制單元模塊設(shè)計.8 3.1.2恒流模塊設(shè)計.9 3.1.3 鍵盤模塊設(shè)計.10 3.1.4 A/D與D/

6、A轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計.11 3.1.5 電源模塊設(shè)計.12 3.2程序設(shè)計.134.系統(tǒng)測試.13 4.1測試方案及測試條件.13 4.1.1測試方案.13 4.1.2測試條件.14 4.2測試數(shù)據(jù).14 4.3測試結(jié)果分析.155.結(jié)論.15參考文獻.16 1 系統(tǒng)方案設(shè)計電子負載系統(tǒng)由軟、硬件共同組成。考慮到價格、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(shè)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。1.1系統(tǒng)方案總體設(shè)計論證根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，得出以下三種方案：方案一：運用傳統(tǒng)的電子負載設(shè)計方式，通過比

7、較器的比較結(jié)果及反饋來控制MOSFET的柵極電壓，從而達到其內(nèi)阻變化的目的，結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示：圖1-1 傳統(tǒng)的電子負載設(shè)計方案二：采用了單片機作為核心控制器，設(shè)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(dǎo)通和關(guān)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(yù)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)。結(jié)構(gòu)框圖如圖1-2所示：圖1-2 方案二系

8、統(tǒng)設(shè)計模塊 方案三：采用了STC89C52 單片機作為核心控制器，設(shè)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(shè)計。結(jié)構(gòu)框圖如圖1-3所示： 通過比較，方案三簡潔方便，能更好的實現(xiàn)本次實驗， 故整個設(shè)計采用方案三。1.2系統(tǒng)具體模塊選擇控制單元模塊論證與選擇方案一：AT89C51單片機ATMEL 公司的AT89C51單片機價格便宜，應(yīng)用廣泛，實現(xiàn)較為復(fù)雜。但燒程序就不方便。方案二：STC89C52單片機STC89C52與AT89C51基本性能相同，但STC89C52 RAM較多,8K flash,串口可以直接燒程序，可以和K

9、eil直連。本設(shè)計采用Keil軟件實現(xiàn)其軟件部分的設(shè)計，故選擇方案二。顯示模塊論證與選擇方案一：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，只能顯示簡單的數(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：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、

10、文本特征顯示等功能。采用的是液晶顯示（LCD）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，與單片機連接較簡單。本次設(shè)計中要測量實際的電壓電流值，故經(jīng)過比較選擇方案二 。鍵盤模塊論證與選擇 方案一：矩陣式鍵盤矩陣式鍵盤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，因此其應(yīng)用十分廣泛。方案二：非矩陣式鍵盤非矩陣式鍵盤結(jié)構(gòu)比較簡單，使用方便，適合于較少開關(guān)量的輸入場合。每個按鍵需占用一根I/

11、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(fù)雜。并且此鍵盤是用于按鍵較少或操作速度較高的場合。在系統(tǒng)設(shè)計中需要通過鍵盤中輸入設(shè)定值，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一。1.2.4 DA轉(zhuǎn)換模塊的論證與選擇 方案一：DAC0832DAC0832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(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轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。 方案二：TLC5615 TLC5615是一個串行1O位DAC芯片，性能比

12、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(shè)計需要測出電壓值、電流值，對設(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。2系統(tǒng)理論分析與計算2.1 電子負載及恒流電路的分析電子負載是控制內(nèi)功率或晶體管的導(dǎo)通量，靠功率管的耗散功耗電能的設(shè)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，

13、容性負載電流上升時間。由于回路中會有大電流通過，因此功率問題也要考慮。針對這個問題，本設(shè)計電路主要由TLV2460運放、8050三極管、3DD15功率三極管和2W/2功率電阻組成。大功率管實現(xiàn)擴流，10位DAC輸出控制電壓送到運放同相輸入端，根據(jù)運放虛短的概念，運放的反相輸入端電壓將等于控制電壓，采樣電阻的電壓經(jīng)放大后連接到運放反相端，從而實現(xiàn)電壓控制采樣電阻的電壓，進而控制采樣電阻的電流，即控制恒流源輸出電流,恒定電流的計算為I = Vi / R。2.2 電壓、電流的測量及精度分析電壓值通過 實現(xiàn)測量電流值通過 實現(xiàn)測量 精度分析： （1）A/D轉(zhuǎn)換芯片為10位ACSIC ，精度為4.88m

14、V但是在實際測量中存在 一定的偏差； （2）采樣電阻為2，實際電阻值會有所偏差，影響精度； （3）分壓電阻有一定的偏差，影響測量精度。2.3 電源負載調(diào)整率的測試原理 負載調(diào)整率計算公式為： 當I=0時，測得電壓為 ； 當I=1A時，測得的電壓為； 由此可測得負載調(diào)整率的大小。3電路與程序設(shè)計3.1 電路設(shè)計控制單元模塊設(shè)計STC89C52單片機在系統(tǒng)中主要實現(xiàn)以下功能:設(shè)定值通過D/A轉(zhuǎn)換輸出基準電壓；實際工作電壓A/D采樣；LCD顯示；鍵盤輸入等。單片機總控制電路如圖3-1所示： 圖3-1 STC89C52單片機與液晶顯示模塊連接電路電子負載系統(tǒng)中STC89C52的I/O口分配連接情況如表

15、3-1所示：表3-1 單片機I/O口分配3.1.2恒流模塊設(shè)計恒流模塊結(jié)構(gòu)如圖3-2所示： 圖3-2電壓采樣電路原理圖該電路通過運放及負反饋控制環(huán)路，是整個電路的核心實質(zhì)，來控制3DD15的基極電壓，從而達到其內(nèi)阻變化。3DD15三極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，通過控制3DD15三極管的導(dǎo)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。3.1.3 鍵盤模塊設(shè)計本系統(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(shè)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

16、，轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)據(jù)。(2) 小數(shù)點鍵：本設(shè)計中精度要求較高，輸入的設(shè)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(shè)置和調(diào)節(jié)兩部分，沒有按下該按鍵時，默認為功能設(shè)置，此時單片機只預(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(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，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(fù)位清零鍵:當輸入有

17、誤時，按下該鍵可以清除顯示屏。鍵盤模塊電路如圖3-3所示： 圖3-3 4×4矩陣鍵盤電路圖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，兩次低電平的交叉處便是鍵按下的地方。3.1.4 A/D與D/A轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計A/D模塊采用TLC1549芯片，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，其引腳圖如圖3-4所示： 圖3-4 TLC1549引腳圖 D/A模塊采用TLC5615芯片，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，D/A轉(zhuǎn)換輸出電路原理圖如圖3-5所示

18、： 圖3-5 D/A轉(zhuǎn)換輸出電路原理圖 3.1.5 電源模塊設(shè)計電源電路利用78XX系列集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路，利用串聯(lián)輸出不同的電壓，供電路各個部分工作。經(jīng)過220V交流電降壓后通過整流橋的作用，之后通過7812輸出+12V和通過7912輸出-12V的直流電壓供給運放工作，再通過7805輸出+5V的直流電壓供給單片機A/D、D/A芯片工作。最后通過串聯(lián)具有良好熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準電壓源TL431產(chǎn)生2.5V的直流電壓，作為D/A轉(zhuǎn)換的輸入基準電壓。C6、C13、C14為濾波電容，C7、C8、C9、C10、C11、C12為分別輸入端和輸出端濾波電容。電源電路原理圖如圖3-6所示： 圖

19、 3-6 電源電路原理圖3.2 程序設(shè)計本系統(tǒng)程序設(shè)計都是采用Keil開發(fā)軟件，C語言程序。C語言較方便，通俗易懂。而且本系統(tǒng)采用的是模塊化編程思路，使得程序更具有移植性和可讀性。 主程序軟件流程如圖3-7所示：圖3-7 軟件主程序流程圖在圖3-1中軟件首先進行DA、AD、LCD液晶顯示、控制變量初始化，再調(diào)用鍵盤掃描處理程序，在沒有按下沒有按下自動調(diào)節(jié)啟動停止按鍵時，默認為功能設(shè)置，此時單片機只預(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.系統(tǒng)測試4.1測試方案及測試條件4.1.1測試方案 通過數(shù)字

20、萬用表串接進行電流校正、并接電壓表進行電壓校正，校正好之后，即可提供恒流供電，通過采集顯示值和測量值進行測量。4.1.2測試條件 把各模塊整合起來，通過數(shù)字萬用表與系統(tǒng)聯(lián)機進行調(diào)試。通過測量得到的電流、電壓以及電源負載調(diào)整率等參量，測量電源負載的相關(guān)特性。4.2測試數(shù)據(jù)（1） 恒流模式下電流測量將萬用表串聯(lián)到待測電源正極輸出，通過手動調(diào)整電流值，分辨力設(shè)置為100mA，分別測得相應(yīng)的電流值，如表4-1所示：表4-1 恒流模式下電流值電流設(shè)定值（mA）1002003004005006007008009001000電流測量值（mA）1012003004005006017008009001001（2

21、）過壓閥值電壓通過調(diào)節(jié)負載電壓，當電流突然變?yōu)榱銜r，即為閥值電壓，如表4-2所示：表4-2過壓閥值電壓值測量次數(shù)12345閥值電壓/V4.9824.9824.9824.9824.982（3）實時測量電子負載兩端電壓，如表4-3所示：表4-3實時測量電子負載兩端電壓值顯示值/V4.984.361.271.040.94測量值/V5.014.371.281.050.95（4）實時測量流過電子負載的電流，如表4-4所示： 表4-4實時測量流過電子負載的電流值顯示值/mA2004006008001000測量值/mA2004006008011000（5）電源負載調(diào)整率，如表4-5所示：（這組數(shù)據(jù)有問題）表

22、4-5電源負載調(diào)整率串接電阻大小/111調(diào)整率84.5%84.5%84.5% 4.3測試結(jié)果分析（1）在恒流工作模式下，電流工作范圍可以達到100mA1000mA ，分辨力為100mA，由測得數(shù)據(jù)，完全滿足精度±1%的要求；（2）電路能實時測量并數(shù)字顯示電子負載兩端的電壓和流過電子負載的電流，分辨力分別為1mv和1mA，由數(shù)據(jù)可知，測量精度都小于題目中的要求，滿足要求；（3）能夠自動測量直流穩(wěn)壓電源負載調(diào)整率，為了便于測量，通過串接電阻實現(xiàn)。由數(shù)據(jù)可知，滿足題目要求的測量的范圍，滿足要求。5 結(jié)論通過本系統(tǒng)的設(shè)計單路直流電子負載有以下特點：（1）采用單片機控制，可以實現(xiàn)智能控制，即不改變硬件的情況下，可以通過在程序里調(diào)用不同的控制策略來模擬電源測試時的各種工作需要。（2）能夠?qū)崿F(xiàn)恒流模式的的正常工作。（3）易于控制加載和去載，便于負載調(diào)節(jié)。（4）能夠直接檢測被測電源的電流、電壓及功率值，各個參數(shù)都能直觀的在液晶上顯示。（5）用10位串行D/A產(chǎn)生基準電壓。（6）用10位串行A/D電壓電流檢測。測量范圍：電壓范圍：0V±50V 電壓精度：0.05V 電流范圍：0A1A 電流精度：0.02A本設(shè)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