直流電子負(fù)載

1、直流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)（c題）摘 要：本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的直流電子負(fù)載，以單片機(jī)msp430g2553為主控芯片，包括單片機(jī)控制模塊、鍵盤(pán)及l(fā)cd顯示的人機(jī)交互模塊、da轉(zhuǎn)換模塊、ad轉(zhuǎn)換模塊、恒流源電路和過(guò)壓保護(hù)過(guò)流保護(hù)模塊。該系統(tǒng)利用取樣和采集電路獲取流經(jīng)電子負(fù)載的電流和電壓值，送入單片機(jī)外部的a/d轉(zhuǎn)換器ads1115，并經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理控制d/a輸出，控制moseft漏極電流，從而使直流電子負(fù)載達(dá)到設(shè)定功能。本設(shè)計(jì)著重闡述了系統(tǒng)框架、工作原理、軟硬件設(shè)計(jì)，并給出了系統(tǒng)測(cè)試表。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性強(qiáng)、調(diào)節(jié)速度快的特點(diǎn)，很好的滿足了提出的性能指標(biāo)。 關(guān)鍵詞：電子負(fù)載；控制功率；恒流；單片機(jī)msp

2、430g2553；ads1115。引 言電子負(fù)載是一種能以手控或程控方式吸收電能的儀器，起到可變電流吸收器、可變電源電阻器或分路電壓調(diào)節(jié)器作用，當(dāng)它吸收可變電流時(shí)將維持某一固定電壓。系統(tǒng)主要工作于恒壓、恒流和恒阻三種工作模式，可用于交直流的電源的測(cè)試，本次設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)恒流電子負(fù)載?，F(xiàn)有的電子負(fù)載大多以模擬環(huán)節(jié)控制，單片機(jī)為核心控制系統(tǒng)，由于受到處理器自身硬件資源和速度的限制，硬件電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理能力差，調(diào)節(jié)和控制的適應(yīng)性和可靠性差，難以適應(yīng)不同電源的具體情況。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)尤其是超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，具有更強(qiáng)處理能力的單片機(jī)，以其運(yùn)算速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)

3、愈來(lái)愈多地被應(yīng)用，采用集成adc模數(shù)轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)芯片作為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制單元，大大減少了系統(tǒng)對(duì)外圍器件的需求。 一.系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1總體設(shè)計(jì)方案1.1.1設(shè)計(jì)思路題目要求設(shè)計(jì)一個(gè)恒流電子負(fù)載，恒流（cc）工作模式的電流設(shè)置范圍為100ma1000ma ，設(shè)置分辨力為10ma，設(shè)置精度為1%。還要求cc工作模式具有開(kāi)路設(shè)置，相當(dāng)于設(shè)置的電流值為零。設(shè)計(jì)中切換部分采用程控鍵盤(pán)切換，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，此電路中的反饋網(wǎng)絡(luò)以場(chǎng)效應(yīng)管為核心。控制部分采用單片機(jī)來(lái)完成，顯示采用液晶模塊。msp430g2553單片機(jī)4*4鍵盤(pán)12864液晶顯示tvl5616d/a恒 流電 路功率器件ads1115a/d電流 /

4、 電壓采 樣采 樣電 阻過(guò) 流保 護(hù)通 斷過(guò) 壓保 護(hù)負(fù)載通 斷被 測(cè)電 源設(shè) 備圖1-1 直流電子負(fù)載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如上圖1-1所示，包括單片機(jī)控制模塊、鍵盤(pán)及l(fā)cd顯示的人機(jī)交互模塊、da轉(zhuǎn)換模塊、ad轉(zhuǎn)換模塊、恒流源電路和過(guò)流過(guò)壓保護(hù)模塊。圖1-1中的待測(cè)電源是直流電子負(fù)載的待測(cè)電源，不屬于直流電子負(fù)載的系統(tǒng)組成。1.1.2方案論證與比較方案一：采用開(kāi)關(guān)電源的恒流源采用開(kāi)關(guān)電源的恒流源電路如圖 8.22 所示。當(dāng)電源電壓降低或負(fù)載電阻rl 降低時(shí)，采樣電阻rs 上的電壓也將減少，則sg3524 的12、13 管腳輸出方波的占空比增大，從而bg1 導(dǎo)通時(shí)間變長(zhǎng)，使電壓u0回升到

5、原來(lái)的穩(wěn)定值。bg1 關(guān)斷后，儲(chǔ)能元件l1、e2、e3、e4 保證負(fù)載上的電壓不變。當(dāng)輸入電源電壓增大或負(fù)載電阻值增大引起u0 增大時(shí)，原理與前類似，電路通過(guò)反饋系統(tǒng)使u0 下降到原來(lái)的穩(wěn)定值，從而達(dá)到穩(wěn)定負(fù)載電流il 的目的。優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)關(guān)電源的功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，功率損耗小，效率高。與之相配套的散熱器體積大大減小，同時(shí)脈沖變壓器體積比工頻變壓器小了很多。因此采用開(kāi)關(guān)電源的恒流源具有效率高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：開(kāi)關(guān)電源的控制電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輸出紋波較大，在有限的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)比較困難。方案二： 采用集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的開(kāi)關(guān)恒流源系統(tǒng)電路構(gòu)成如圖 8.23 所示。mc7805 為三端固定式集成穩(wěn)

6、壓器，調(diào)節(jié)w r ，可以改變電流的大小，其輸出電流為： l out w q i = (u / r ) + i，式中q i 為mc7805 的靜態(tài)電流，小于10ma。當(dāng)w r 較小即輸出電流較大時(shí)，可以忽略q i ，當(dāng)負(fù)載電阻l r 變化時(shí)，mc7805 改變自身壓差來(lái)維持通過(guò)負(fù)載的電流不變。優(yōu)點(diǎn)：該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高缺點(diǎn)：無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)控。方案三： 單片機(jī)控制電流源該方案恒流源電路由n溝道的mosfet、高精度運(yùn)算放大器、采樣電阻等組成，其電路原理圖如圖 8.24所示。利用功率mosfet 的恒流特性，再加上電流反饋電路，使得該電路的精度很高。該電流源電路可以結(jié)合單片機(jī)構(gòu)成數(shù)控電流源。通過(guò)鍵盤(pán)

7、預(yù)置電流值，單片機(jī)輸出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)給d/a 轉(zhuǎn)換器，d/a 轉(zhuǎn)換器輸出的模擬信號(hào)送到運(yùn)算放大器，控制主電路電流大小。實(shí)際輸出的電流再通過(guò)采樣電阻采樣變成電壓信號(hào)，a/d 轉(zhuǎn)換后將信號(hào)反饋到單片機(jī)中。單片機(jī)將反饋信號(hào)與預(yù)置值比較，根據(jù)兩者間的差值調(diào)整輸出信號(hào)大小。這樣就形成了反饋調(diào)節(jié)，提高輸出電流的精度。本方案可實(shí)現(xiàn)題目要求，當(dāng)負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化時(shí)具有良好的穩(wěn)定性，而且精度較高?；谏鲜龇桨副容^和題目的要求，采用了方案三。1.主控器模塊的設(shè)計(jì)方案與選擇主控器負(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)效率的

8、高低以及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。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，使用at89c51需外接兩路ad轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。方案二：采用ti公司的單片機(jī)msp430g2553。msp430g2553具有超低功耗，強(qiáng)大的處理能力，高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，開(kāi)發(fā)環(huán)境方便高效。 選擇方案二以單片機(jī)msp430g2553為核心，組成單片機(jī)最小系統(tǒng)。2.鍵盤(pán)模塊的設(shè)計(jì)方案與選擇方案一：采用矩陣式鍵盤(pán)。將鍵盤(pán)排列成矩陣形式，需要通過(guò)軟件對(duì)按鍵進(jìn)行判斷和定義，且接口電路由單片機(jī)系統(tǒng)直接訪問(wèn)和控制，鍵盤(pán)的掃描、去抖動(dòng)、判斷和編碼等操作由單片機(jī)完成。 方

9、案二：采用專用的按鍵掃描控制芯片。能夠獨(dú)立的完成對(duì)鍵盤(pán)中按鍵的掃描與管理，并且通過(guò)簡(jiǎn)單接口與微控制器進(jìn)行連接。使用按鍵掃描控制芯片來(lái)完成微控制器的鍵盤(pán)管理，可以大大的提高微控制器的工作效率，但價(jià)格較高，占用空間較大。在本直流電子負(fù)載中，采用方案一。3.顯示模塊的設(shè)計(jì)方案與選擇方案一：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)。但是，考慮到普通數(shù)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(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

10、、無(wú)輻射危害、平面直角顯示以及影響穩(wěn)定不閃爍、畫(huà)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(huà)、閃爍、文本特征顯示等功能。選擇方案二，本系統(tǒng)采用lcd型號(hào)為ym12864r。4.信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)方案與選擇本系統(tǒng)設(shè)計(jì)信號(hào)處理包括濾波、a/d轉(zhuǎn)換、d/a轉(zhuǎn)換和運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)的放大。a/d轉(zhuǎn)換由ti公司提供的芯片ads1115提供，低通濾波就是用簡(jiǎn)單的電容并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)，提出方案:（1）d/a轉(zhuǎn)換電路方案一：采用dac0809。dac0809是并行8位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，占用端口多，轉(zhuǎn)換頻率低于1m。方案二：采

11、用tlc5616。tlc5616是串行12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，占用端口少，轉(zhuǎn)換頻率高。兩者相比tlc5615的速度快，故選擇方案二。（2）a/d轉(zhuǎn)換電路方案一：采用msp430g2553內(nèi)部的a/d轉(zhuǎn)換器。lanchpad內(nèi)部的轉(zhuǎn)換器是10位串行模/數(shù)轉(zhuǎn)換器方案二：采用ti公司提供的ads1115。ads1115是串行16位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度高。兩者相比ads1115的精度更容易達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，故選擇方案二。（3）信號(hào)放大電路 方案一：采用lm358。lm358 內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，

12、電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。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(yùn)算放大器的場(chǎng)合。方案二：采用op07。op07是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)壓的雙極性運(yùn)算放大器，價(jià)格比較貴，使用于高增益的測(cè)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(hào)數(shù)字化的mosfet取代低電壓應(yīng)用。op07在高增益和高功率上比lm358占優(yōu)勢(shì)，故選擇方案二。1.1.3系統(tǒng)組成根據(jù)方案比較與論證，最終確定的系統(tǒng)組成框圖如圖1-2所示。包括msp430g2553單片機(jī)系統(tǒng)模塊、4*4鍵盤(pán)模塊、lcd液晶顯示模塊、tlc5616 d/a轉(zhuǎn)換模塊、ads1115 a/d轉(zhuǎn)換模塊和op07與irf

13、p640組成電路模塊。4*4鍵盤(pán)模塊12864液晶顯示msp430g2553單片機(jī)tvl5616d/aads1115a/dop07和irfp640組成電路圖1-2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖二.硬件電路設(shè)計(jì)2.1主控電路的設(shè)計(jì)主控電路msp430g2553組成的單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成。主控電路原理圖如圖2-1所示。圖2-1 主控電路原理圖2.2鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì)鍵盤(pán)電路采用4*4矩陣式鍵盤(pán)。鍵盤(pán)電路的原理圖如圖2-2所示。圖2-2 4*4矩陣式鍵盤(pán)電路原理圖2.3恒流電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)對(duì)單片機(jī)程控輸出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)d/a轉(zhuǎn)換器輸出模擬量，再經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器隔離放大，控制輸出功率管的基極，隨著功率管基極電壓的變化而

14、輸出不同的電流。在通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定好需要輸出電流值后，單片機(jī)對(duì)設(shè)定值按照一定的算法進(jìn)行處理。經(jīng)d/a輸出電壓控制恒流源電路輸出相應(yīng)的電流值。單片機(jī)系統(tǒng)還兼顧對(duì)恒流源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，輸出電流經(jīng)過(guò)電流/電壓轉(zhuǎn)變后，通過(guò)a/d轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)時(shí)把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)量，再經(jīng)單片機(jī)分析處理，通過(guò)數(shù)據(jù)形式的反饋環(huán)節(jié)，使電流更加穩(wěn)定，恒流電子負(fù)載電路圖如圖2-3所示。圖2-3 恒流電子負(fù)載電路2.4 a/d轉(zhuǎn)換器ads1115和d/a轉(zhuǎn)換器tlv5616的設(shè)計(jì)根據(jù)題目要求，數(shù)控直流恒流源的精度為1ma，所以至少需要11位的a/d轉(zhuǎn)換器和d/a轉(zhuǎn)換器,：ads1115原理圖如圖2-4：圖2-4 ads1115連接電路ad

15、s1115是具有16位分辨率的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，ads1115具有一個(gè)板上基準(zhǔn)和振蕩器數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)i2c兼容型串口進(jìn)行傳輸，ads1115能夠以高達(dá)每秒860個(gè)采樣數(shù)據(jù)的速率執(zhí)行轉(zhuǎn)換操作。tlv5616原理圖如圖2-5：圖2-5 tlv5616連接電路tlv5616是一個(gè)12位電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器（dac），帶有靈活的4線串行接口，可以無(wú)縫連接tms320、spi、qspi和microwire串行口。數(shù)字電源和模擬電源分別供電，電壓范圍2.75.5v。輸出緩沖是2倍增益rail-to-rail輸出放大器，輸出放大器是ab類以提高穩(wěn)定性和減少建立時(shí)間。rail-to-rail輸出和關(guān)電方式非常適宜

16、單電源、電池供電應(yīng)用。通過(guò)控制字可以優(yōu)化建立時(shí)間和功耗比。精度分析：設(shè)d/a轉(zhuǎn)換器的參考電壓為 ，鍵盤(pán)輸入數(shù)字量為d，d/a轉(zhuǎn)換輸出的模擬電壓 = 。選擇參考電壓 =2.048v，采樣電阻 1。當(dāng)輸入數(shù)字量加1，模擬增加量v= v=0.61mv則輸出電流變化=0.5ma 即d/a轉(zhuǎn)換器數(shù)字輸入量每增加數(shù)值1，恒流源輸出電流增加0.5ma。因此為實(shí)現(xiàn)步進(jìn)功能，每按一次步進(jìn)+鍵，單片機(jī)送給d/a轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字 量d加2，從而輸出電流加1ma，實(shí)現(xiàn)了電流步進(jìn)1ma的要求。步進(jìn)減1ma同理。當(dāng)鍵盤(pán)設(shè)置輸出電流大小為i時(shí)，單片機(jī)送給d/a轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量為 2i，使得電流源電路輸出電流為i。然而這只是理

17、想情況，實(shí)際電路由于種種原因，實(shí)際輸出電流不會(huì)完全等于理論計(jì)算值，此時(shí)電流反饋控制起了關(guān)鍵作用。 單片機(jī)通過(guò)分析a/d轉(zhuǎn)換的數(shù)值，得到電路實(shí)際輸出的電流大小，對(duì)d/a轉(zhuǎn)換器的給定數(shù)字量進(jìn)行調(diào)整，使得輸出電流大小更精確。三.軟件設(shè)計(jì)3.1軟件設(shè)計(jì)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 恒流電路流程圖四.設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)4.1過(guò)載保護(hù)電路4.1.1過(guò)流保護(hù)由于場(chǎng)效管的開(kāi)斷受單片機(jī)對(duì)tlv5616的輸出影響，在單片機(jī)復(fù)位以及程序出現(xiàn)錯(cuò)誤跑飛時(shí)，單片機(jī)輸出口會(huì)出線全高電平，從而使場(chǎng)效管全開(kāi)，被測(cè)試電源出現(xiàn)斷路情況，這對(duì)那些帶負(fù)載能力低的電源

18、是不允許出現(xiàn)的。所以有必要設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)電路，限定tlv5616輸出控制電壓的最高上限，該系統(tǒng)采用將康銅絲接在整流輸入地和負(fù)載地之間的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，而康銅電阻應(yīng)越小越好，這樣會(huì)使兩個(gè)地之間的電壓很小。但是如果太小由于干擾問(wèn)題會(huì)造成過(guò)流保護(hù)的誤判，并且對(duì)于后級(jí)運(yùn)放的要求比較高，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)論證結(jié)果得：選擇1歐姆的電阻效果比較好。此外康銅絲在本系統(tǒng)中起測(cè)試負(fù)載電流的作用。圖3-2 過(guò)流保護(hù)外電路4.1.2過(guò)壓保護(hù)直流開(kāi)關(guān)電源中開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的過(guò)電壓保護(hù)包括輸入過(guò)電壓保護(hù)和輸出過(guò)電壓保護(hù).如果開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器所使用的未穩(wěn)壓直流電源(諸如蓄電池和整流器)的電壓如果過(guò)高,將導(dǎo)致開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器不能正常工作,甚至損壞內(nèi)部

19、器件,因此開(kāi)關(guān)電源中有必要使用輸入過(guò)電壓保護(hù)電路.圖 3 為用晶體管和繼電器所組成的保護(hù)電路,在該電路中,當(dāng)輸入直流電源的電壓高于穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓值時(shí),穩(wěn)壓管擊穿,有電流流過(guò)電阻 r ,使晶體管 t 導(dǎo)通,繼電器動(dòng)作,常閉接點(diǎn)斷開(kāi),切斷輸入.輸入電源的極性保護(hù)電路可以跟輸入過(guò)電壓保護(hù)結(jié)合在一起,構(gòu)成極性保護(hù)鑒別與過(guò)電壓保護(hù)電路. 圖3-2 過(guò)壓保護(hù)外電路4.1.3短路保護(hù)該系統(tǒng)采用當(dāng)電源的輸出短路時(shí), 則電源應(yīng)該限制其輸出電流或關(guān)閉其輸出,以避免損壞。短路保護(hù)測(cè)試是驗(yàn)證當(dāng)輸出短路時(shí), 電源能否正確反應(yīng)。電子負(fù)載可采用短路測(cè)試鍵來(lái)模擬短路負(fù)載,可以直接測(cè)量其短路時(shí)的輸出電壓及電流。4.2抗干擾措施在該系統(tǒng)中存在自激等干擾，導(dǎo)致信號(hào)測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定，所以必須要有抗干擾措施。本設(shè)計(jì)中采用大功率電路用粗導(dǎo)線連接，其余電路用細(xì)導(dǎo)線連接，基本派車(chē)了干擾對(duì)本系統(tǒng)的影響。5.系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)采用多路直流穩(wěn)壓電源gps-3303c和高精度萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試恒流和恒壓模式下系統(tǒng)工作是否正常。恒流模式的測(cè)試通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置恒定值和穩(wěn)壓電源提供不同的端電壓，測(cè)得測(cè)試點(diǎn)電流數(shù)據(jù)如表5-1所示。表5-1 恒流模式下測(cè)試數(shù)據(jù)表置預(yù)流電測(cè)實(shí)壓電端1v3v5v10v12v15v18v100ma0.98a0.99a0.97a1.01a1.02a1.01a1.0