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(pán)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管在這里既作為電流的控制器件同

2、時(shí)也作為被測(cè)電源的負(fù)載?？刂芃OS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：電子負(fù)載； 恒流模式； PI調(diào)節(jié)器； AD轉(zhuǎn)換； DA轉(zhuǎn)換ABSTRACTThe principle of electronic load is control of transistors inside power MOSFET or the guide flux

3、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 electric load system solutions, it disc

4、ussed 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 designed the DA output control circuit, A

5、D 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 grid voltage of MOSFET, so as to ch

6、ange 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 load current will constant, At las

7、t, 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 voltage change in the constant-curren

8、t 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目 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

9、.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(pán)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/

10、A轉(zhuǎn)化程序233.4 鍵盤(pán)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(mǎi)電池、電源時(shí)等都需要負(fù)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(xiàn)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(xiàn)通信、計(jì)算機(jī)指揮調(diào)度中心及

11、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(lèi)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

12、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(chǎng)試驗(yàn)。交流電源出廠(chǎng)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

13、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(chǎng)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。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

14、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

15、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(xiàn)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(xiàn)性的負(fù)載電流。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

16、設(shè)定的功率大小而定，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。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

17、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)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(pán)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(pán)、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

18、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)。圖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(pán)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)

19、電源的負(fù)載，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器控制MOS管的導(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。圖1-3 方案三系統(tǒng)模塊框圖經(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

20、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(pán)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

21、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。控制部分采用STC89C52單片機(jī)來(lái)完成，設(shè)定值通過(guò)鍵盤(pán)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，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)

22、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。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)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

23、設(shè)計(jì)，故選擇方案二。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4×4矩陣鍵盤(pán)輸入P2.2P2.7A/D采樣輸入P1.0P1.3D/A轉(zhuǎn)換輸出XTAL1-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)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(pán)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(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低

24、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(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(xiàn)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。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

25、晶顯示模塊可以顯示出電壓電流等漢字，一面了然、外觀(guān)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?xún)r(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(xiàn)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。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

26、塊連接電路。如圖2-2所示為單片機(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(xiàn)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12*12點(diǎn)陣，一種是16*16點(diǎn)陣。 2.3 鍵盤(pán)模塊方案一：非矩陣式鍵盤(pán)

27、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(xiàn)， 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(pán)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(pán)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(pán)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(pán)適用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合, 由行線(xiàn)和列線(xiàn)組成, 按鍵位于行列的交叉點(diǎn)上，節(jié)省I/O 口，因此其應(yīng)用十分廣泛。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要通過(guò)鍵盤(pán)中輸入設(shè)定值，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(pán)模塊采用方案二。圖2-5 4×4矩陣鍵盤(pán)電

28、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(pán)， 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(zhuān)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(xún)、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

29、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)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)

30、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(xiàn)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(xiàn)路板面積

31、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TLC5615與單片機(jī)連接設(shè)定值通過(guò)鍵盤(pán)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。圖2-6 D/A轉(zhuǎn)換輸出電路原理圖在電路設(shè)計(jì)中VREF = 2Vrefin×N1024；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T(mén)LC5615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。 VREF = 5N1

32、024 （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，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。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

33、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(xiàn)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(mǎn)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、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

34、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

35、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）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，提高電路帶負(fù)載能力，取到緩沖、隔離作用。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

36、/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)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

37、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T(mén)LC1549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個(gè)IO CLOCK周期，采樣值在第10個(gè)IO CLOCK下降沿鎖存。（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 OU

38、T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 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

39、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

40、)，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。圖2-12電流取樣PI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

41、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

42、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。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(xiàn)性增長(zhǎng)，直到達(dá)到輸出限幅值或運(yùn)算放大器飽和。

43、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

44、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(xiàn)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(xiàn)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 （2-6）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

45、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：

46、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)

47、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。2.8.2 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(zhuān)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

48、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（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(chēng)柵極偏壓)，在反向電場(chǎng)作用下，P-N變厚(稱(chēng)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)

49、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

50、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(xiàn)，如圖2-16所示為N溝道增強(qiáng)型MOS管的輸出特性曲線(xiàn)。圖2-15 N溝道增強(qiáng)型 MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn) 圖2-16 N溝道增強(qiáng)型MOS管的輸出特性圖2-17 N溝道增強(qiáng)型 MOS管電子負(fù)載的恒流控制，它的功率控制電路主要包括場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET)、電流取樣PI控制器、運(yùn)放等組成負(fù)反饋控制環(huán)路。這是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，也是電子負(fù)載的核心部分。如圖2-17所示為 N溝道增強(qiáng)型 MOS管，MOS管不僅作為電流控制器，而且作為被測(cè)電源的負(fù)載，IRFP460為N溝道增強(qiáng)型MOS管，所以整個(gè)

51、設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)是根據(jù)IRFP460MOS管的參數(shù)進(jìn)行選定的。由IRFP460MOS管的飽和漏源電流Id=22A取整個(gè)電子負(fù)載設(shè)計(jì)的電流范圍為0-20A，根據(jù)錳銅采樣電阻的阻值0.25歐姆，可算出功率的最大值為100W，故整個(gè)設(shè)計(jì)的功率范圍為0-100W?？紤]到有時(shí)候被測(cè)電源電壓較大，在漏極源極擊穿電壓Vdss=500V的基礎(chǔ)上，整個(gè)設(shè)計(jì)的電壓范圍設(shè)為0-50V。2.9 電源電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)電源設(shè)計(jì)包含3個(gè)方面的內(nèi)容:一是電源功耗，二是電源電壓，三是電源管理。電源電壓的設(shè)計(jì)主要針對(duì)系統(tǒng)需求的不同電壓進(jìn)行的電源分配，在電子負(fù)載系統(tǒng)中，單片機(jī)的工作電壓是1.7-4.5V;運(yùn)放和其它元器件也可以工作在

52、0-24V電壓下，A/D、D/A轉(zhuǎn)換芯片可以工作在5V電壓下。本電路設(shè)計(jì)中利用HCPL78XX 、79XX系列的 3 端正穩(wěn)壓電路和具有良好熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源TL431實(shí)現(xiàn)整個(gè)電源電路的設(shè)計(jì)。利用TL431輸出2.5V電壓作為輸入基準(zhǔn)源供TLC5615進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換。HCPL 78XX 系列為 3 端正穩(wěn)壓電路內(nèi)含過(guò)流、過(guò)熱和過(guò)載保護(hù)電路。帶散熱片時(shí)，輸出電流可達(dá) 1A。具有過(guò)熱保護(hù);短路保護(hù);輸出晶體管 SOA保護(hù)。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。圖2-18 TL431符號(hào) 圖 2-19 TL431輸出2.5V電壓連接圖TL431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定

53、性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表、運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開(kāi)關(guān)電源等等。如圖2-18所示為T(mén)L431符號(hào)，圖2-19為 TL431輸出2.5V電壓連接圖。將Cathode（負(fù)極）與Reference（參考端）連接起來(lái)，會(huì)得到VKA = Vref =2.5V，2.5V作為輸入基準(zhǔn)源供TLC5615DA進(jìn)行轉(zhuǎn)換。圖2-20 電源電路原理圖如圖2-20所示為電源電路原理圖。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

54、聯(lián)輸出不同的電壓，供電路各個(gè)部分工作。經(jīng)過(guò)220V交流電降壓后通過(guò)整流橋的作用，之后通過(guò)7812輸出+12V和通過(guò)7912輸出-12V的直流電壓供給運(yùn)放工作，再通過(guò)7805輸出+5V的直流電壓供給單片機(jī)A/D、D/A芯片工作。最后通過(guò)串聯(lián)具有良好熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)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(zhǔn)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。第三章 電子負(fù)載軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)都是采用Keil開(kāi)發(fā)軟件，C語(yǔ)言程序。C語(yǔ)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

55、植性和可讀性。 Keil IDE Vision2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境是Keil Software開(kāi)發(fā)的基于80C51內(nèi)核的微型處理器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，內(nèi)嵌多種符合當(dāng)前工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)工具?？梢酝瓿蓮墓こ探?、管理、編譯和鏈接，目標(biāo)代碼的生成，軟件仿真，硬件仿真等完整的開(kāi)發(fā)流程。尤其C編譯工具在產(chǎn)生代碼的準(zhǔn)確性和效率方面達(dá)到了較高的水平，而且可以附加靈活的控制選項(xiàng)，在開(kāi)發(fā)大型項(xiàng)目時(shí)非常理想。Keil軟件開(kāi)發(fā)的流程：建立工程。為工程選擇目標(biāo)器件。設(shè)置工程的配置參數(shù)。打開(kāi)/建立程序文件。編譯和鏈接工程。糾正程序中的書(shū)寫(xiě)和語(yǔ)法錯(cuò)誤并重新編譯連接。對(duì)程序中某些純軟件的部分使用軟件仿真驗(yàn)證。使用TKS硬件仿真器對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行硬件仿真。圖3-1 軟件主程序流程圖 圖3-2 電壓電流采樣流程圖 主程序軟件流程如圖3-1所示，在圖3-1中軟件首先進(jìn)行DA、AD、LCD液晶顯示、控制變量初始化，再調(diào)用鍵盤(pán)掃描處理程序，在沒(méi)有按下沒(méi)有按下自動(dòng)調(diào)節(jié)啟動(dòng)停止按鍵時(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(xún)、預(yù)置數(shù)據(jù)LCD顯示等功能；而當(dāng)按下該按鍵1次后