直流電子負(fù)載(大賽論文)

1、直流電子負(fù)載摘要：該系統(tǒng)以ti公司的msp430g2553單片機為主控芯片，以實現(xiàn)具有恒壓、恒流、恒阻模式的高精度直流電子負(fù)載為目的。外配置高性能、低功耗的16位a/d芯片ads1115和12位的d/a芯片tlv5616，通過單刀雙擲開關(guān)切換在恒壓模式和恒流（或恒阻）模式。用鍵盤設(shè)定模式和相應(yīng)值，單片機通過調(diào)節(jié)d/a芯片的輸出，達到相應(yīng)設(shè)定值，12864液晶顯示可同時顯示設(shè)定值、負(fù)載端電壓和流過電子負(fù)載的電流，數(shù)據(jù)直觀易讀。經(jīng)測試，完成了題目所要求的各項基本指標(biāo)，并達到了全部的發(fā)揮部分要求。關(guān)鍵詞：msp430g2553單片機,，ads1115 ，tlv5616，恒壓， 恒流 ，恒阻 abst

2、ract: this system of purpose is to achieve with constant voltage, and constant current, constant resistance model of high precision dc electronic load . the system is based on ti companys msp430g2553 mcu as the main control chip, configuring high performance, low power consumption of 16 a/d chip ads

3、1115 and 12 bit d/a tlv5616 chip. the system is controlled in constant pressure mode and constant current (or constant resistance) mode by the spdt switch .the single-chip microcomputer makes d/a chips produce corresponding voltage to reach set value.the lcd12864 is used as a display device, showing

4、 this setting value, output current and load terminal voltage with direct and easy to read. by test, the system completes the project of basic index, and realized all the part. key words: msp430g2553scm, ads1115, tlv5616, constant voltage, constant current, constant resistance 目錄一、 設(shè)計要求1二、系統(tǒng)方案與論證22.

5、1總體方案設(shè)計22.2主要模塊方案選擇與論證22.2.1主控芯片選擇22.2.2電源模塊選擇32.2.3功率控制模塊的選擇32.2.4顯示裝置的選擇3三、電路分析與設(shè)計43.1內(nèi)部主電路43.1.2開關(guān)管的選擇43.1.2采樣電阻r的選擇43.1.3運算放大器的選擇43.2內(nèi)部供電電路4四 、軟件分析與設(shè)計44.1程序功能描述與設(shè)計思路44.2主程序流程圖5五、系統(tǒng)測試55.1測試方法及測試條件55.2 測試結(jié)果完整性5六、 總結(jié)7參考文獻7附錄一：元件清單7附錄二：原理圖8附錄三:multism仿真截圖9附錄三:程序10一、 設(shè)計要求 設(shè)計并制作一臺電子負(fù)載，有恒流和恒壓兩種方式，可手動切換

6、。恒流方式時要求不論輸入電壓如何變化（在一定的范圍內(nèi)），流過該電子負(fù)載的電流恒定，且電流值可設(shè)定。工作于恒壓方式時，電子負(fù)載端電壓保持恒定，且可設(shè)定，流入電子負(fù)載的電流隨被測直流電源的電壓變化而變化。1基本要求（1）負(fù)載工作模式：恒壓（cv）、恒流（cc）兩種模式可選擇（2）電壓設(shè)置及調(diào)節(jié)范圍：1.00v-20.0v，相對誤差小于5%，調(diào)節(jié)時間小于3s。（3）電流設(shè)置及調(diào)節(jié)范圍：100ma-2.00a，相對誤差小于5%，調(diào)節(jié)時間小于3s。2. 發(fā)揮部分（1）增加恒阻模式（cr），測量精度5%；（2）擴大負(fù)載參數(shù)的設(shè)置及調(diào)節(jié)范圍，以及精度；（3）具有自動過載保護報警設(shè)計。過載值可設(shè)。二、系統(tǒng)方案

7、與論證2.1總體方案設(shè)計該系統(tǒng)由主控芯片模塊，電源模塊，鍵盤輸入模塊，a /d轉(zhuǎn)換模塊，d/a轉(zhuǎn)換模塊和液晶顯示模塊等模塊組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖一：圖一 系統(tǒng)框圖 此系統(tǒng)以msp430g2553作為控制器，有恒壓和恒流（或恒阻）兩種模式，可手動切換。工作于恒壓模式時，可用鍵盤設(shè)定其值，利用軟件pid調(diào)節(jié)d/a芯片tlv5616的電壓輸出，電子負(fù)載端電壓保持恒定。恒流方式時，可用鍵盤設(shè)定其值，單片機控制d/a芯片tlv5616輸出相應(yīng)的電壓值，通過反饋電路達到恒流。恒阻方式時，可用鍵盤設(shè)定其值，利用軟件pid調(diào)節(jié)d/a芯片tlv5616的電壓輸出，電子負(fù)載電阻保持恒定。電流、電壓通過ads1

8、115芯片采集送至單片機處理，并有12864液晶實時顯示相應(yīng)值，且有自動保護過載報警電路。2.2主要模塊方案選擇與論證2.2.1主控芯片選擇方案一： 采用51單片機,優(yōu)點是價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，且可與其他處理器進行通訊。但是51單片機程序復(fù)雜，硬件誤差過大，且功耗大，處理速度慢。方案二： 采用430g2553單片機，具有功能強、效率高的指令系統(tǒng)，以及高性能模擬技術(shù)及豐富的外圍模塊。方便高效的開發(fā)環(huán)境使操作更加簡便，低功耗是其它類單片機難以比擬的，集成度較高，編程相對簡單。 因此，我們選擇方案二。2.2.2電源模塊選擇方案一： 使用干電池給系統(tǒng)供電，但電壓下降嚴(yán)重，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求

9、。另一方面，干電池?zé)o法實現(xiàn)重復(fù)使用，不僅浪費嚴(yán)重而且對環(huán)境造成很大的危害性。方案二： 使用三端集成穩(wěn)壓芯片7805、amss1117，7815， tps5430，rcl7662構(gòu)成的線性穩(wěn)壓源，設(shè)計電路簡單，穩(wěn)壓可靠。綜上論證，我們選擇方案二。2.2.3功率控制模塊的選擇方案一： 采用雙極性三極管作為功率管。三極管具有負(fù)溫度系數(shù)，溫度越高，導(dǎo)通電壓越低，電流越大，熱穩(wěn)定性比mos管差，在功率控制電路中要求功率盡可能大，其飽和壓降一般大于1v。方案二： 用n溝道增強型mos管作為功率管。功率管mos具有正溫度系數(shù)，當(dāng)結(jié)溫度升高時通態(tài)電阻增大，有自限流作用，所以功率moseft熱穩(wěn)定性好。 綜上所

10、述，我們采用方案二。2.2.4顯示裝置的選擇方案一： 1602顯示，1602只能顯示字母和數(shù)字，能完成基本的顯示功能，但是只有兩行顯示，并且不能顯示漢字。顯示不是很明白。并且只能用并行接入。占用管腳比較厲害。方案二： 12864顯示，12864能顯示內(nèi)容豐富，并且能夠四行顯示，人機交互面較好。并且可以使用串行接入，節(jié)省了管腳，很好完成顯示的功能?；谝陨戏桨傅谋容^，所以我們選擇方案二。三、電路分析與設(shè)計3.1內(nèi)部主電路3.1.1具體電路分析主電路原理圖如附錄一（2）所示，主要由采樣電阻、12位dac芯片tlv5616、16位a/d芯片ads1115、功率管irf540幾部分等組成。大功率管可實

11、現(xiàn)擴流，12位dac輸出控制電壓送到運放同相輸入端，將采樣電阻處的電壓接入反相輸入端，控制dac芯片tlv5616的輸出達到各種模式的要求，電流可以通過采樣電阻處的電位得出，即歐姆定律i=v/r。3.1.2開關(guān)管的選擇 場效應(yīng)管選用開耐壓高，導(dǎo)通電阻小、熱穩(wěn)定性好的irf560。3.1.2采樣電阻r的選擇電流采樣電阻采用0.5的康銅絲電阻，分壓相對較小，且電阻值隨溫度的變化小，精度高。電壓采樣利用精密電阻分壓采樣。3.1.3運算放大器的選擇op07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于op07具有非常低的輸入失調(diào)電壓，所以op07在此不需要額外的調(diào)零措施。op07同時具有

12、輸入偏置電流低（op07a為2na）和開環(huán)增益高（對于op07a為300v/mv）的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得op07有利于放大的微弱信號電壓信號。3.2內(nèi)部供電電路 由tps5430，rcl7662，lm7805等構(gòu)成穩(wěn)壓模塊，將輸入電壓穩(wěn)定后，根據(jù)主電路需要提供內(nèi)部主電路所需的穩(wěn)定電壓，見附錄一（3）。四 、軟件分析與設(shè)計4.1程序功能描述與設(shè)計思路根據(jù)題目要求軟件部分主要實現(xiàn)鍵盤的設(shè)置和顯示。1）鍵盤實現(xiàn)功能：輸入相應(yīng)設(shè)定值以及選擇所要顯示的電路參數(shù)；2）顯示部分：顯示電壓值、電流值等參數(shù)；3) 通過單片機控制芯片tlv5616的電壓輸出達到控制各種控制參數(shù)。4) 若發(fā)生過壓

13、過流的情況，進行自動保護，并有聲光報警。4.2主程序流程圖 圖二 軟件設(shè)計總體框圖五、系統(tǒng)測試5.1測試方法及測試條件將雙擲單刀開關(guān)切換到電壓模式，用鍵盤設(shè)定相應(yīng)值，單片機通過調(diào)節(jié)d/ac的輸出，達到相應(yīng)設(shè)定值，改變輸入電壓，電子負(fù)載兩端電壓3s內(nèi)回到設(shè)定值；切換到恒流（或恒阻）模式，用鍵盤設(shè)定電流值，由單片機控制d/ac的輸出設(shè)定電流值，改變輸入電壓，3s內(nèi)通過反饋電路達到恒流；在恒阻模式下，用鍵盤設(shè)定電阻值，達到相應(yīng)設(shè)定值，改變輸入電壓，電子負(fù)載的電阻3s內(nèi)回到設(shè)定值。5.2 測試結(jié)果完整性表 一 恒流模式下所測數(shù)據(jù)負(fù)載電流（ma）單片預(yù)定值100500700100014001700200

14、0240027003000負(fù)載電流（ma）萬用表測量值100.1399.7700.21000.61299.81600.82000.12300.82600.53000.6負(fù)載端電壓（v）4.00126.001315.0056.0059.00912.01514.07816.09618.06720.189負(fù)載端電壓（v）輸入電壓變化后8.0983.00820.0122.0894.0287.09819.09625.6009.78015.678負(fù)載電流（ma）輸入電壓變化后99.8399.2699.8999.81300.11599.51999.32299.82600.63000.3輸出電流變化的相對誤差

15、是否小于5%表 二 恒壓模式下所測數(shù)據(jù) 負(fù)載端電壓（v）單片預(yù)定值1.0003.0005.0008.00012.00016.00020.00024.00027.00030.000負(fù)載端電壓（v）萬用表測量值100.1399.7700.21000.61299.81600.82000.12300.82600.53000.6負(fù)載電流（ma）4.00126.001315.0056.0059.00912.01514.07816.09618.06720.189負(fù)載端電壓（v）輸入電壓變化后負(fù)載電流（ma）輸入電壓變化后8.0983.00820.0122.0894.0287.09819.09625.6009

16、.78015.678輸出電壓變化的相對誤差是否小于5% 表三 恒壓模式下所測數(shù)據(jù)負(fù)載端電壓（v）萬用表測量值負(fù)載電流（ma）萬用表測量值阻值（ ）負(fù)載端電壓（v）輸入電壓變化后負(fù)載電流（ma）輸入電壓變化后阻值（） 輸入電壓變化后相對誤差是否小于5% 誤差分析：在恒流模式下，流過負(fù)載電流和設(shè)定值之間存在微小誤差，一方面，可能是因為穩(wěn)流閉環(huán)增益還不夠；另一方面，由于采樣電阻發(fā)熱，阻值微變，造成輸出電流具有微弱的偏差。在恒壓模式下，規(guī)定時間內(nèi)負(fù)載端電壓和設(shè)定值之間存在微小誤差，pid調(diào)節(jié)參數(shù)不夠優(yōu)。在恒阻模式下 ，規(guī)定時間內(nèi)負(fù)載電阻和設(shè)定值有微差，pid調(diào)節(jié)參數(shù)不夠優(yōu)。 六、 總結(jié)經(jīng)過三天三夜的努

17、力堅持，我們小組基本實現(xiàn)了基本要求和發(fā)揮部分的全部功能，實現(xiàn)了具有恒壓、恒流、恒阻三種模式的直流電子負(fù)載設(shè)計。在這三天里我們從選題到查資料、硬件設(shè)計、電路焊接、寫程序，我們小組分工明確、認(rèn)真負(fù)責(zé)的完成了各自的任務(wù)。在這幾天里不斷的進行硬件和程序的調(diào)試，也遇到困難，例如怎么確保精度，怎么確保調(diào)節(jié)時間。但是我們經(jīng)過討論和反復(fù)的調(diào)試，最終實現(xiàn)了所有功能。 經(jīng)過此次項目的完成過程，我們更加深刻的理解了直流電子負(fù)載的原理，并且可以做到熟練的操作ad和da芯片。而且明白了要有自己的主見，不盲從，要根據(jù)實際情況來調(diào)整自己的設(shè)計，不能照本宣科，遇到困難想的應(yīng)該是解決而不是逃避。同時要有團隊精神，團隊之間應(yīng)該相

18、互協(xié)作。雖然辛苦，但我們堅持下來了并享受這每天突破的喜悅。 參考文獻1 洪利.mps430單片機原理與應(yīng)用實例解 .北京:北京航大,2010.2 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會 編2010年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽ti優(yōu)秀作品精選集3梁明理.電子線路（第五版）m.北京：高等教育出版社，2008.4孫同景主編. freescale9s12十六位單片機原理及嵌入式開發(fā)技術(shù) .北京： 機械工業(yè)出版社，2008.5 黃智偉,王彥,陳文光等.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽訓(xùn)練教程m.北京:電子工業(yè)出版社,2007.6 童詩白,華程英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）m.北京:高等教育出版社,2009.附錄一：元件清單（1

19、）主要元件清單次序名稱型號數(shù)量是否是ti公司的1單片機msp430g25531是2電源轉(zhuǎn)換芯片tps54301是3da芯片tlv56161是4ad芯片ads11151是5運放op074否6功率管irf5601否7液晶128641否8鍵盤1否主要原件清單 附錄二：原理圖（1）內(nèi)部主電路原理圖 （2）內(nèi)部供電電路附錄三:multism仿真截圖（1）恒流模式截圖（0.5a 恒流和0.5a變到1a恒流）（2） 恒壓模式截圖（5v恒壓和5v變到15v恒壓）附錄三:程序（1）主要程序#includeye.h/dianya dianliu/float volat1=0,volat2=0;float anpe

20、i=0,volat=0;/a,vfloat set_anpei=0;float set_anpeidata=0;float last_setanpei=0,llast_setanpei=0;int count_number=0;int set_anpeicount=0;float fuzai_justchu=0;float fuzai_justmo=0;float display_fuzaijust=0;int fuzai_flag=0;char set_anpeiflag=0;char set_anpeiflagflag=0;float shuchu1,shuchu2;float contr

21、ol_volatout;uchar table5=負(fù)載調(diào)整率: ;char kkey;/void printd( unsigned char ch ) while(!(sci0sr1&0x80) ; sci0drl=ch; void sci_dis(signed int ch0, signed int ch1, signed int ch2) printd (ch0+4000)/90+ ); printd (ch0+4000)%90+ ); printd (ch1+4000)/90+ ); printd (ch1+4000) %90+ ); printd (ch2+4000)/90+ ); p

22、rintd (ch2+4000) %90+ ); void setbusfreq_16m(void) clksel=0x00;/ disengage pll to system pllctl_pllon=1;/ turn on pll synr =0xc0 | 0x01; refdv=0xc0 | 0x01; / pllclock=2*osc*(1+synr)/(1+refdv)=32mhz; postdiv=0x00; / 4:0, fpll= fvco/(2xpostdiv) / if postdiv = $00 then fpll is identical to fvco (divide

23、 by one). _asm(nop); / bus clock=16m _asm(nop); while(!(crgflg_lock=1); /when pll is steady ,then use it; clksel_pllsel =1; /engage pll to system; void shijian(void) pitcflmt_pite=0; pitce_pce0=1; pitld0=9999;/9999; /采鍵周期10ms (9999+1)*(15+1)/16mhz=0.001s pitmtld0=15; pitmux=0x00; pitinte_pinte0=1; p

24、itcflmt_pite=1; void main(void) int i,t=0; /系統(tǒng)時鐘函數(shù)設(shè)置 setbusfreq_16m();/ ddrb=0xff;/液晶輸出口/ ddrm=0x0f; perm=0xf0;/高四位下拉 ppsm=0xf0;/鍵盤輸入輸出控制端口/ init12864(); uart_init(); /必須加串口初始化 enableinterrupts; for(;) flouterone(); floutertwo(); kkey=key_jianpan(); display_volat(); display_anpei(); if(kkey=*) set_a

25、npeidata=0; set_anpeicount=0; send_com(0,0x98); i=0; while(table4i!=0) send_com(1,table4i); i+; delay_1ms(400); if(kkey!=20&kkey=0) set_anpeicount+; if(set_anpeicount=1) t=kkey-48; set_anpeidata=t; else if(set_anpeicount=2) i=t*10+kkey-48; set_anpeidata=i; else if(set_anpeicount=3) t=i*10+kkey-48; s

26、et_anpeidata=t; else if(set_anpeicount=4) i=t*10+kkey-48; set_anpeidata=i; else set_anpeidata=last_setanpei; set_anpeicount=0; delay_1ms(400); if(kkey=#) if(set_anpeidata1000) set_anpeidata=0; anpei=(float)set_anpeidata/1000; last_setanpei=set_anpeidata; kk1=0.0006059*(set_anpeidata-6.05)-0.00215; if(kk10) kk1=0; last_setanpei=0; set_anpeidata=0; dac(kk1); set_anpeicount=0; delay_1ms(400); else if(kkey=a) last_setanpei=last_setanpei+10