直流電子負(fù)載

1、宜賓學(xué)院模擬電子競賽直流電子負(fù)載設(shè)計報告張濤 吳康 阮九霄2015/7/28摘要 系統(tǒng)設(shè)計了一種以具有高精度的直流電子負(fù)載。其主要由單片機控制模塊、電子負(fù)載模塊、頻率切換模塊、采樣模塊、顯示模塊和電源模塊構(gòu)成。它以TI公司16位單片機MSP430F149為控制核心，通過對DA的控制，達(dá)到對恒壓值或者恒流值在一定范圍內(nèi)的控制。之后通過內(nèi)含AD的采集模塊將實際端電壓、端電流值送回單片機控制模塊，并通過顯示模塊加以顯示，通過按鍵控制電壓步進。頻率切換模塊能夠在既定的頻率和占空比下，順利的接入和斷開負(fù)載。關(guān)鍵詞 MSP430單片機 12位AD/DA  恒流恒壓 運算放大器目錄1.總體設(shè)計方案

2、41.1.方案論證及比較41.2.系統(tǒng)總體框圖62.單元電路設(shè)計72.1整流濾波模塊72.2電子負(fù)載模塊72.3繼電器保護模塊82.4頻率切換模塊82.5單片機控制及顯示模塊93.單片機軟件設(shè)計103.1軟件設(shè)計103.2 主程序的流程圖114.系統(tǒng)測試124.1測試儀器124.2測試電路如圖：124.2 測試方法：124.3測試結(jié)果分析135.設(shè)計總結(jié)141. 總體設(shè)計方案1.1. 方案論證及比較方案一：基于手動調(diào)節(jié)的直流電子負(fù)載 基于手動調(diào)節(jié)的直流電子負(fù)載的原理圖如下：圖1-1本方案由于電路設(shè)計的問題，對電子負(fù)載恒流恒壓的控制是依靠對電阻手動調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的。而單片機對電阻的調(diào)節(jié)的實

3、現(xiàn)相對較為復(fù)雜，因此這里并沒有采用單片機為控制核心，只是將其應(yīng)用于顯示模塊當(dāng)中。該方案采用了諸多的精密器件（如精密金屬膜電阻）以獲得足夠高的精度，但卻采用了手動調(diào)節(jié)的方式，顯然是得不償失。而且高精度的器件的價格昂貴、數(shù)量稀少、不易采購。開環(huán)的控制方式不利于精度的調(diào)節(jié)和操作的簡化。電路中恒流恒壓部分相對獨立，技術(shù)含量較低且元器件的利用率較低。同時，系統(tǒng)的擴展性較差也是其弊端。方案二：基于單片機的恒壓恒流電路分離的電子負(fù)載 基于單片機的恒壓恒流電路分離的電子負(fù)載原理圖如下：圖1-2本方案采用了單片機控制整個系統(tǒng)，操作變得簡單明了。但是電路中的恒壓恒流部分仍然相對獨立，技術(shù)含量較低。兩部分電路分別受

4、單片機的控制。電路的輸出有兩個。這為測量帶來了不變。同時電路元件的利用率底下且電路本身規(guī)模龐大也是其弊端。方案三：基于單片機的數(shù)控直流電子負(fù)載 基于單片機的數(shù)控直流電子負(fù)載的原理圖如下圖所示。圖1-3此方案控制核心采用MSP430單片機。操作時只需通過程序就能實現(xiàn)恒壓恒流模式進行切換、恒壓恒流值的調(diào)節(jié)、端口電壓的采集及顯示、恒壓模式下電子負(fù)載的接入與斷開等核心功能。較好的解決了方案一因手動操作所引出的一系列弊端。方案中所采用的元器件型號比較常見且價格適中，在元件運用方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于上述方案。此方案采用12位A/D、D/A芯片，精度的理論值已經(jīng)優(yōu)于了題目要求。由于該方案的操作方法以及整體構(gòu)

5、架簡易明了，利于電子開關(guān)的接入和控制，因此較好的實 現(xiàn)了發(fā)揮部分關(guān)于頻率方式的要求。電路中含有的運算放大器具有很大的電源電壓抑制化，可以大大減小輸出端的紋波電壓。單片機對12864顯示屏的精確控制使得顯示界面人性化。A/D對實際電壓電流的反饋有利于單片機智能的對輸出值進行修正，這是方案一所不具備的。同時，本方案也將恒壓電流與恒流電路有機的結(jié)合在了一起，電路簡潔，控制簡易?？偠灾?，智能化的可編程器件的充分使用使得整個系統(tǒng)可編程、可擴展，系統(tǒng)的靈活性大大增加。總體上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于上述兩個方案。故選擇方案三。1.2. 系統(tǒng)總體框圖圖1-42. 單元電路設(shè)計2.1 整流濾波模塊電路圖如下圖所示：圖2-1整

6、流濾波電路該電路輸入為調(diào)壓器輸出交流電，最大為20V，經(jīng)過整流濾波講交流電轉(zhuǎn)換為直流電2.2 電子負(fù)載模塊電子負(fù)載模塊分為恒壓源和恒流源模塊。電路圖如下圖所示：圖2-2 恒壓（左）、恒流（右）模塊恒流電路輸入為5到20V，恒定電流范圍為0.51A，單片機控制步進0.1V。恒壓電路輸入為520V, 輸出電壓恒定，電流能力大于等于2A，單片機控制步進0.01A.2.3 繼電器保護模塊電路圖如下圖所示：圖2-3繼電器保護模塊繼電器實現(xiàn)的是過流保護功能，當(dāng)電流超過2.5A時自動開啟保護2.4 頻率切換模塊電路如下圖所示：圖2-4頻率切換使頻率實現(xiàn)1KHZ的頻率切換2.5 單片機控制及顯示模塊單片機是數(shù)

7、控電子負(fù)載的核心部件，它既協(xié)調(diào)整機工作，又是數(shù)據(jù)處理器。本系統(tǒng)采用MSP430F149單片機為核心，以16個按鍵鍵盤，12964液晶顯示屏構(gòu)成友好界面。單片機通過A/D,D/A等器件對模擬信號進行信號的采集、處理和輸出，從而對輸出電流值進行控制校正，達(dá)到較高精度,并且對電壓、電流進行步進，并且精度較高。同時，單片機的接口全部進行擴展，使系統(tǒng)應(yīng)用更加靈活。3. 單片機軟件設(shè)計3.1 軟件設(shè)計    為了方便編寫和調(diào)試，我們采用了模塊化的編程方法，整個程序分為若干子程序： （1）液晶顯示子程序:顯示當(dāng)前模式（恒壓或恒流），設(shè)定輸出值及實際端電壓電流

8、；（2）鍵盤處理子程序：模式切換，輸出值的設(shè)定及步進；（3）數(shù)據(jù)處理子程序：根據(jù)設(shè)定值換算出調(diào)整值，寫入D/A的值，根據(jù)A/D采樣的數(shù)據(jù)換算出實際端電壓電流值；（4）將調(diào)整值送入D/A； （5） 進行A/D采樣；（6） 對設(shè)定電壓進行步進及其顯示。3.2 主程序的流程圖      主程序流程圖如下：4.  系統(tǒng)測試4.1 測試儀器序號名稱、型號、規(guī)格數(shù)量備注1調(diào)壓器12直流穩(wěn)壓電源43雙蹤示波器14耦合變壓器15高精度數(shù)字萬用表14.2 測試電路如圖：4.2 測試方法：將直流電源連接電子負(fù)載，通過鍵盤設(shè)置恒壓、恒流

9、模式,以及設(shè)置恒定值，穩(wěn)壓電源提供不同的端電壓，分別測量測試點處電壓、電流，記錄測量值和調(diào)整時間，計算測量值與預(yù)定值相對誤差并作出誤差分析。4.3 測試結(jié)果分析4.3.1 對電路恒壓模式的檢測：當(dāng)檢測恒壓模式電路時，首先應(yīng)該控制單片機使得恒定值為要求的最低值，即5V，每次步進0.1V，直到10V。此時，外部電源電壓要小。在測試恒壓的同時，要對數(shù)據(jù)進行記錄。記錄端口實際輸出值和A/D采樣返回并顯示在液晶上面的顯示值。數(shù)據(jù)如下表：測試條件萬用表電壓萬用表電流電子負(fù)載電壓電子負(fù)載電流5V 0.1A4.99V0.99V5.03V0.101A5V 1A5.01V1.002A5V1.00A10V 0.1A

10、9.99V0.101A10.01V0.098A10V 1A9.99V1.001A10.00V1.005A15V 0.1A15.02V0.099A15.01V0.095A15V 1A15.01V1.001A15.00V0.992A4.3.2 對電路恒流模式的檢測：當(dāng)檢測恒流模式電路時，首先應(yīng)該控制單片機使得恒定值為要求最低值，即0.1A，并且每次按鍵步進0.1A,最終達(dá)到2A。測試恒壓的同時，要對數(shù)據(jù)進行記錄。每個取樣值中，記錄端口實際輸出值和A/D采樣返回并顯示在液晶上面的顯示值。數(shù)據(jù)如下表：測試條件萬用表電壓萬用表電流電子負(fù)載電壓電子負(fù)載電流0.1A 5V4.94V0.105A4.94V0.

11、098A0.1A 15V14.83V0.105A15.05V0.098A0.5A 5V4.96V0.499A4.93V0.498A0.5A 15V14.98V0.501A15.07V0.498A1A 5V5.01V1.002A5.03V1.002A1A 15V15.01V1.000A15.19V1.002A經(jīng)測試，系統(tǒng)在恒壓、恒流模式下工作時，誤差、精度均符合要求，反應(yīng)迅速，達(dá)到預(yù)期結(jié)果。5. 設(shè)計總結(jié)我們在整個設(shè)計制作過程中，始終關(guān)注系統(tǒng)的性能指標(biāo)和運行的穩(wěn)定性，本著穩(wěn)定性和精確性并重的原則，我們采取了諸多的有效措施，完成了設(shè)計題目所規(guī)定的部分指標(biāo)和要求，達(dá)到基本的性能指標(biāo)，而且對于有些指標(biāo)我們的設(shè)計還有了一定的的提高，功能也有所擴展，比如過流保護模塊。但對于擴展部分的要求有所突破，但只能做到在基礎(chǔ)要求的基礎(chǔ)上有所提高，但尚未達(dá)到擴展要求，還需要我們