基于單片機的電子負載畢業(yè)論文含原理圖程序

1、 摘 要電子負載的原理是控制內(nèi)功率MOSFET或晶體管的導通量，靠功率管的耗散功率消耗電能的設備，它的基本工作方式有恒壓、恒流、恒阻、恒功率這幾種。本設計從直流電子負載系統(tǒng)方案分析入手，詳細討論了整個系統(tǒng)的硬件電路和軟件實現(xiàn)，并給出較為合理的解決方案。為便于控制的實現(xiàn)和功能的擴展，采用了STC89C52 單片機作為核心控制器，設計了DA輸出控制電路、AD電壓電流檢測電路、鍵盤電路、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)了整個設計。通過運放、PI調(diào)節(jié)器及負反饋控制環(huán)路來控制MOSFET的柵極電壓，從而達到其內(nèi)阻變化。這個控制環(huán)路是整個電路的核心實質(zhì)，MOS管在這里既作為電流的控制器件同

2、時也作為被測電源的負載。控制MOS管的導通量，其內(nèi)阻發(fā)生相應的變化，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。本設計能實現(xiàn)電子負載的恒流控制：能夠檢測被測電源的電流、電壓及功率并由液晶顯示。在額定使用環(huán)境下,恒流方式時不論輸入電壓如何變化（在一定范圍內(nèi)），電子負載將根據(jù)設定值來吸收電流，流過該電子負載的電流恒定。關鍵詞：電子負載； 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 電子負載系統(tǒng)設計方案21.1 電子負載工作原理21.2 系統(tǒng)設計要求31

9、.3系統(tǒng)總體設計方案論證31.4系統(tǒng)具體設計方案5第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設計62.1 核心處理器的設計62.2 顯示模塊的設計72.3 鍵盤模塊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 電源電路的設計19第三章 電子負載軟件系統(tǒng)設計213.1 電壓電流A/D采樣程序設計223.2 液晶顯示子程序223.3 D/

10、A轉(zhuǎn)化程序233.4 鍵盤識別處理程序設計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29附錄一 整體電路原理圖30附錄二 電子負載設計程序31緒 論在人們生活的多個領域都要用到負載測試，如充電電源試驗、蓄電池放電試驗以及購買電池、電源時等都需要負載測試。當前，國內(nèi)外對上述產(chǎn)品的試驗一般都采用傳統(tǒng)的靜態(tài)負載(如電阻、電阻箱、滑線變阻器等)能耗放電的辦法進行。隨著電力電子技術的、計算機技術和自動控制技術的迅速發(fā)展，為電源檢測技術帶來了革命性的變化。由于鐵道電氣化供電、電氣牽引、信號控制 、無線通信、計算機指揮調(diào)度中心及

11、家庭日常生活等應用領域都在大量應用各種各樣的電源，因此人們對電子負載的需求越來越多，對其性能要求也越來越高。而傳統(tǒng)的電源檢測技術面臨著極大的挑戰(zhàn)。為準確檢測電源的可靠性和帶載能力，因此把電力電子技術和微機控制技術有機地結(jié)合起來，實現(xiàn)電源的可靠檢測。從電源類型來看，電子負載可分為直流電子負載和交流電子負載兩種。直流電子負載比起交流電子負載，應用的歷史較長，范圍更廣。最初在實驗室，利用電力電子器件的特性，通過分析等值電路，用電力電子元件搭建電子電路來模擬負載，可以實現(xiàn)定電阻、定電壓等特性。隨后又有工作人員將單片機技術應用到電子負載中，逐步可實現(xiàn)定電流模式和可編程斜率模式。單片機技術與變換器電路的密

12、切結(jié)合還使得電子負載可以工作在其它多種模式下:定功率模式、動態(tài)電阻模式、短路模式等。隨著功率場效應晶體管 (MOSFET)，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和場效應晶閘管(McT)等主要開關器件的出現(xiàn)以及電力電子變換器拓撲的發(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，交流電子負載也得到了實現(xiàn)。交流電子負載是可以模擬傳統(tǒng)真實阻抗負載的電力電子裝置，它能模擬一個固定或變化的負載，甚至將試驗的電能反饋回電網(wǎng)，其設計初衷是交流電源出廠試驗。交流電源出廠試驗通常采用電阻箱耗能的辦法，它存在調(diào)節(jié)不便、自動化程度低、耗電量大等缺點，而采用交流電子負載進行試驗可有效克服這些缺點，它可使試驗更加

13、簡單、靈活，且大大降低試驗的成本。電子負載可以模擬真實環(huán)境中的負載（用電器）。它有恒流、恒阻、恒壓和恒功率功能，以及短路，過流，動態(tài)等等，應該說所有的電源廠家都會有用，而且也必須有。電子負載分為直流電子負載和交流電子負載，由于電子負載的應用方面問題，直流電子負載應用比較廣泛，本文主要介紹直流電子負載。電子負載與傳統(tǒng)的模擬電阻性負載相比具有節(jié)能、體積小、重量輕、成本低、效率高等優(yōu)點，由于電子負載所具有的性能特點和優(yōu)點，電子負載被越來越多地應用到各種試驗場合。因此，電子負載的研究具有廣闊的市場和廣泛的應用前景。第一章 電子負載系統(tǒng)設計方案1.1 電子負載工作原理電子負載用于測試直流穩(wěn)壓電源、蓄電池

14、等電源的性能。電子負載的原理是控制內(nèi)功率MOSFET或晶體管的導通量（占空比），靠功率管的耗散功率消耗電能的設備，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,容性負載電流上升時間。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, 電子負載將根據(jù)設定值來吸收電流。若被測電壓在510V變化，設定電流為100mA，則當調(diào)節(jié)被測電壓值時，負載上的電流值應維持在100mA不變, 而此時負載值是可變的。定電流模式能用于測試電壓源及AD/ DC電源的負載調(diào)整率。負載調(diào)整率是電

15、源在負載變動情況下能夠提供穩(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，負載如純電阻，吸收與電壓成線性正比的電流。此方式適用于測試電壓源，電流源的啟動與限流特性。在定電阻模式中, 電子負載將吸收與輸入電壓成線性的負載電流。若負載設定為1 k, 當輸入電壓在110 V 變化時, 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載將吸收足夠的電流來控制電壓達到設計值。定電壓模式能被使用于測試電源的限流特性。另外, 負載可以模擬電池的端電壓, 故也可以使用于測試電池充電器。（4）恒定功率方式在定功率工作模式時，電子負載所流入的負載電流依據(jù)所

16、設定的功率大小而定，此時負載電流與輸入電壓的乘積等于負載功率設定值，即負載功率保持設定值不變。本電子負載機實現(xiàn)了在恒流模式下一定范圍內(nèi)的正常工作，PI調(diào)節(jié)器的基準電壓由單片機D/A轉(zhuǎn)換輸出。用A/D轉(zhuǎn)換器與單片機連接把電路中電壓電流的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后用液晶顯示方式顯示出即時的電壓電流。1.2 系統(tǒng)設計要求根據(jù)電子負載的原理，設計出實現(xiàn)恒流模式下的電子負載：能夠檢測被測電壓型電源的電流、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)），電子負載將根據(jù)設定值來吸收電流，流過該電子負載的電流恒定。設計出最大功率為 100W，電流O一20A，電壓O一

17、50V的直流電子負載。1.3 系統(tǒng)總體設計方案論證根據(jù)系統(tǒng)的設計要求，得出以下三種方案：方案一：如圖1-1所示，運用傳統(tǒng)的電子負載設計方式，通過比較器的比較結(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。方案二：如圖1-2所示，采用了單片機作為核心控制器，設計了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管的導通和關斷時間，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

18、到單片機，與預置值進行比較，作為單片機進一步調(diào)節(jié)PWM占空比的依據(jù)。圖1-1 傳統(tǒng)的電子負載設計顯 示按鍵輸入AtmegA/D轉(zhuǎn)換PWM控制電流檢測電壓檢測功率控制圖1-2 方案二系統(tǒng)設計模塊方案三：為便于控制的實現(xiàn)和功能的擴展，如圖1-3所示為新型電子負載設計系統(tǒng)模塊框圖。采用了STC89C52 單片機作為核心控制器，設計了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)了整個設計。通過運放、PI調(diào)節(jié)器及負反饋控制環(huán)路，是整個電路的核心實質(zhì)，來控制MOSFET的柵極電壓，從而達到其內(nèi)阻變化。MOS管在這里既作為電流的控制器件同時也作為被測

19、電源的負載，通過PI調(diào)節(jié)器控制MOS管的導通量，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。圖1-3 方案三系統(tǒng)模塊框圖經(jīng)過比較，傳統(tǒng)的設計方案主要靠硬件實現(xiàn)，成本較高。而且采用運放進行比較控制MOS管只有通和斷兩種情況，不能實現(xiàn)逐漸改變MOS管導通角的變化，不易控制。方案二通過單片機輸出一定占空比的PWM控制信號，控制MOS管的導通和關斷時間，來獲得實際所需的工作電流、電壓。這對于占空比的細調(diào)節(jié)不易控制，誤差較大。方案三采用通過軟、硬件的協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)了整個設計。通過運放、PI調(diào)節(jié)器及負反饋控制環(huán)路，能夠較精確的控制MOS管的導通量，實現(xiàn)無靜差的調(diào)節(jié)。故整個設計采用方案三。1.4 系

20、統(tǒng)具體設計方案電子負載系統(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。電子負載系統(tǒng)的硬件部分包括以下部分：（1） 單片機的選擇與I/O的分配（2） 液晶顯示模塊（3） 鍵盤模塊（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控制器等組成的負反饋控制模塊（7） 電源電路模塊電子負載系統(tǒng)的控制程序，包括以下部分:(l)人一機聯(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。本制作的電子負載，主要實現(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。電路的核心實質(zhì)是一個電流取樣PI控制器負反饋控制環(huán)路，MOS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。PI控制器控制MOS管的導通量變化與截止，從而達到保持電流恒定的目的?？刂撇糠植捎肧TC89C52單片機來完成，設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，基準電壓與實際電壓相比較的偏差控制MOS管的導通量變化與截止，從而達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轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過

22、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。第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設計2.1 核心處理器的設計核心處理器負責控制與協(xié)調(diào)其他各個模塊工作，并進行簡單的數(shù)字信號處理。在整個電子負載系統(tǒng)中，主控器是系統(tǒng)的控制中心，其工作效率的高低關系到系統(tǒng)效率的高低以及系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。設計過程中用單片機作為主控制器。方案一：采用ATMEL 公司的AT89C51,51單片機價格便宜，應用廣泛，實現(xiàn)較為復雜。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。本設計采用Keil軟件實現(xiàn)其軟件部分的

23、設計，故選擇方案二。圖2-1 STC89C52單片機與液晶顯示模塊連接電路表2-1 單片機I/O口分配I/O口應用I/O口應用4×4矩陣鍵盤輸入P2.2P2.7A/D采樣輸入P1.0P1.3D/A轉(zhuǎn)換輸出XTAL1-XTAL2時鐘輸入P1.0P1.4液晶顯示模塊RESET單片機復位信號單片機總控制電路如圖2-1所示：STC89C52單片機在系統(tǒng)中主要實現(xiàn)以下功能:設定值通過D/A轉(zhuǎn)換輸出基準電壓；實際工作電壓、電流A/D采樣；LCD顯示；鍵盤輸入等。表2-1為電子負載系統(tǒng)中STC89C52的I/O口分配連接情況。2.2 顯示模塊的設計方案一：采用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有接線簡單、成本低

24、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、文本特征顯示等功能。本次設計中要測量實際的電壓電流值，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。故經(jīng)過比較選擇方案二 Nokia 5110液晶顯示特點：（1) 性價比高，可以顯示15個漢字、30個字符，價格相對便宜；（2) 接口簡單，僅四根I/O線即可驅(qū)動；（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設備。圖2-2 單片機與LCD通信如圖2-1所示為STC89C52單片機與液晶顯示模

26、塊連接電路。如圖2-2所示為單片機與LCD通信過程。液晶的主要工作原理（1）SPI接口時序?qū)憯?shù)據(jù)/命令Nokia5110(PCD8544)的通信協(xié)議是一個沒有MISO只有MOSI的SPI協(xié)議：圖2-3 串行總線協(xié)議傳送1個字節(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RES低電平脈沖復位一下。圖2-4 Nokia 5110復位時（3）顯示英文字符英文字符占用6*8個點陣，通過建立一個ASCII的數(shù)組font6x86來尋址。（4）顯示漢字顯示漢字可以采用兩種點陣方式，一種是12*12點陣，一種是16*16點陣。 2.3 鍵盤模塊方案一：非矩陣式鍵盤

27、結(jié)構比較簡單，使用方便，適合于較少開關量的輸入場合。每個按鍵需占用一根I/O 口線， 在按鍵數(shù)量較多時,I/O 口浪費大, 電路結(jié)構顯得復雜。并且此鍵盤是用于按鍵較少或操作速度較高的場合。方案二：矩陣式鍵盤則適合于輸入命令或者數(shù)據(jù)較多、功能復雜的系統(tǒng)。采用矩陣式鍵盤結(jié)構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，因此其應用十分廣泛。在系統(tǒng)設計中需要通過鍵盤中輸入設定值，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二。圖2-5 4×4矩陣鍵盤電

28、路圖如圖2-5所示：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，轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)據(jù)。(2) 小數(shù)點鍵：本設計中精度要求較高，輸入的設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置和調(diào)節(jié)兩部分，沒有按下該按鍵時，默認為功能設置，此時單片機只預置數(shù)據(jù)輸入、按鍵查詢、預置數(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

29、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)復位清零鍵:當輸入有誤時，按下該鍵可以清除顯示屏。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。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DA芯片以其接口簡

30、單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點，在單片機應用系統(tǒng)中得到廣泛的應用。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)換控制電路構成。方案二：TLC5615 D/A采用的是串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器。TLC5615是一個串行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。本設計需要測出電壓值、電流值，對設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

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與單片機連接設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。圖2-6 D/A轉(zhuǎn)換輸出電路原理圖在電路設計中VREF = 2Vrefin×N1024；其中，Verfin為 TLC5615的參考電壓，取1.5V,N為輸入設定值的二進制數(shù)。VREF為到PI調(diào)節(jié)器與實際值相比較的基準電壓。如圖2-7所示為TLC5615與反相器的連接圖，見式（2-1）為D/A變換輸出通過一個反相器送到PI調(diào)節(jié)器的基準電壓與輸入給定電壓的關系。 VREF = 5N1

32、024 （2-1）（N為輸入設定值的二進制數(shù)）如圖2-8 TLC5615的時序圖可以看出，當片選CS為低電平時，輸入數(shù)據(jù)DIN由時鐘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)地址譯碼信號來選擇8路模擬輸入而共用一個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，它采用兩個差分基準電壓高阻輸入和一個三態(tài)輸出構成三線接口。TLC1549采用CMOS工藝。內(nèi)部具有自動采樣保持、可按比例量程校準轉(zhuǎn)換范圍、抗噪聲干擾功能，而且在設計時使在滿刻度時總誤差最大僅為 3.8 mV，因此可廣泛應用于模擬量和數(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、接口簡便，實用價值高,同時與10位的TLC5615 DA輸出基準電壓精度相同，不會導致電路精度降低，故選擇方案二。采樣電路是檢測和測量環(huán)節(jié)的重要

34、技術手段，為了讓負載準確工作在恒流方式下，設計中對被測電源的輸出電壓和MOS管的電流進行實時采樣。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。從功率電路采集實際工作電壓和電流，反饋到單片機，再通過液晶顯示出來，實現(xiàn)自動循環(huán)的調(diào)節(jié)。2.5.1 電壓采樣電路電壓采樣電路中，由于電子負載的輸入電壓范圍比較寬，實際工作電壓較高，采樣前首先進行了分壓設計。如圖2-9所示采用1/11的分壓，輸出送往A/D采樣TLC1549添加一個電壓跟隨器，沒有放大作用，輸出電壓與輸入電壓相同，提高了輸入阻抗，對電路進行緩沖，起到承上

35、啟下的作用。同時取到隔離作用，減小了電磁干擾的影響，減小了強電流功率電路對控制電路的損害。如圖2-9所示,被試電源兩端的電壓U與電壓采樣點電壓Ub的關系為 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將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸出送往A/D采樣TLC1549添加一個電壓跟隨器，不取到放大作用。如圖2-9所示，提高電路帶負載能力，取到緩沖、隔離作用。如圖2-9所示負載電流I與電流采樣點電壓Ua的關系為 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，采樣電阻分流對整個電路影響較小。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PI調(diào)節(jié)器與基準電壓（VERF）比較，控制MOS管的導通量變化與截止，從而達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器，電路板的電路偵測，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時序圖（1）TLC1549工作原理TLC1549具有6種串行接口時序模式，這些模式是由IO

37、CLOCK周期和CS定義。根據(jù)TLC1549的功能結(jié)構和工作時序，其工作過程可分為3個階段：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TLC1549的時序圖。（2）輸入模擬量采樣在第3個IO CLOCK下降沿，輸入模擬量開始采樣，采樣持續(xù)7個IO CLOCK周期，采樣值在第10個IO CLOCK下降沿鎖存。（3）數(shù)字量得傳輸當片選CS由低電平變?yōu)楦邥r，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)；當串行接口將CS拉至有效時，即CS由高變?yōu)榈蜁r，CS復位內(nèi)部時鐘，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)字量對應的最高位，下一個IO CLOCK的下降沿驅(qū)動。DATA OUT輸出上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量對應的次高位，第9個IOCLOCK的下降沿將按次序驅(qū)動DATA OUT輸出上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量的最低位，第10個IOCLOCK的下降沿，DATA OUT輸出一個低電平，以便串行接口傳輸超過10個時鐘；IO CLOCK從主機串行接口接收長度在1016個時鐘的輸入序列。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DATA OUT發(fā)送到主機串行接口。為了開始傳輸，最少需要

39、10個時鐘脈沖，如果IOCLOCK傳送大于10個時鐘，那么在第10個時鐘的下降沿，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控制器等組成的負反饋控制模塊電子負載的核心實質(zhì)是一個電流取樣PI控制器組成的負反饋控制環(huán)路，也是電子負載的功率控制電路。MOS管在這里既作為電流的控制器件同時也作為被測電源的負載。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PI調(diào)節(jié)器與基準電壓（VERF）比較，控制MOS管的導通量變化與截止，從而達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控制器等組成的負反饋控制電路。這個電路中，設定值與實際值相比較。當R17上的電壓降Uf即實際值大于設定值VERF時，通過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，減小MOS管的導通角，減小MOS管的導通量，使MOS管的內(nèi)阻增大，流過電阻R17的電流減小，則電壓降Uf慢慢減小并等于設定值，從而實現(xiàn)電子負載的恒流工作模式；當R17上的電壓降Uf即實際值小于設定值VERF時。通過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，增大MOS管的導通角，增

41、大MOS管的導通量，使MOS管的內(nèi)阻減小，流過電阻R17的電流增大，則電壓降Uf慢慢增大并等于設定值，從而實現(xiàn)電子負載的恒流工作模式，這是一個PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)過程。2.7 PI調(diào)節(jié)器對于電子負載的設計需要較高的精確度，同時控制MOS管的導通量的變換也需要一個不停的變化調(diào)節(jié)過程，而不是傳統(tǒng)的采用運放比較器組成的反饋電路來實現(xiàn)。傳統(tǒng)的僅靠比較器來比較設置值與實測值，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，就只有全導通或全關閉兩種極值情況，很難準確的消除誤差實現(xiàn)其恒流模式的控制。所以需要一個更加精確的調(diào)節(jié)器來控制MOS管的導通量，使其導通角能夠在可承受

42、電壓范圍內(nèi)，按照偏差的大小，對實測值與給定值的偏差分別進行比例和積分運算，取其和構成連續(xù)信號以控制調(diào)節(jié)導通角的增大或縮小達到設定值等于實際值。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由比例和積分兩個部分組成，在零初始狀態(tài)和階躍輸入信號作用下，其輸出電壓的時間特性如圖2-14 所示，由圖可以看出比例積分作用的物理意義。當突加輸入電壓Uin時，由于開始瞬間電容C相當于短路，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，開始體現(xiàn)積分作用，Uex不斷線性增長，直到達到輸出限幅值或運算放大器飽和。

43、這樣，當單閉環(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Un的動態(tài)過程中，在輸出端Uct立即呈現(xiàn)Uct=KPIUn，實現(xiàn)快速控制，發(fā)揮了比例控制的長處；在穩(wěn)態(tài)時，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保持在一個恒定值上，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差。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，又克服了各自的缺點，揚長避短，互相補充。比例部分能夠迅速響應控制作用，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)器兼顧了快速響應和消除靜差兩方面的要求。故PI調(diào)節(jié)器應用在電子負載的設計中，實現(xiàn)對MOS導通角的有效控制，具有積分作用的調(diào)節(jié)器，只要被調(diào)量即電子負載電路中的

44、實測值與設定值之間有偏差，其輸出就會不停的變化。反復調(diào)節(jié)，消除穩(wěn)態(tài)誤差，實現(xiàn)無靜差的調(diào)節(jié)。PI調(diào)節(jié)器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值c(t)構成控制偏差 e(t)= r(t)c(t) （2-5）將偏差的比例（P）和積分（I）通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，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為積分時間常數(shù)。1比例環(huán)節(jié)即時成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號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)響應速度加快，但是當Kp增加到一定程度，系

45、統(tǒng)會變得不穩(wěn)定。2積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之越強。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)的響應速度變慢。 本次電子負載設計，為了較快且更加精確的消除誤差。對于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） 所以本設計的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 電子模擬負載方式的選擇方案一：晶體管式電子模擬負載：

46、晶體管是通過一定的工藝，將兩個PN結(jié)結(jié)合在一起的器件。通過基極電流可以控制集電極電流，從而可以達到控制晶體管作為一個可變負載的目的。大功率晶體管構成的功率恒流源充當負載，通過吸收電源提供的大電流，從而模擬復雜的負載形式。即通過將恒壓、恒流、恒阻誤差信號經(jīng)過放大，再送入邏輯或控制電路，用選中的誤差信號來調(diào)整晶體管的內(nèi)阻，以達到模擬變化負載的目的。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際負載。其次，晶體管還存在溫度系數(shù)為負的問題，所以在使用過程中還需要考慮溫度補償?shù)膯栴}。方案二：場效應管式電子模擬負載：場效應晶體管(MOSFET)工作在不飽和區(qū)

47、時，漏極與源極之間的伏安特性可以看作是一個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，而且既無機械觸點，也無運動部件，噪聲低、壽命長。MOSFET的通態(tài)電阻較大，且負載電流較小。所以MOSFET適合模擬一些變化速度較快，但電流不大的實際負載。綜合電子負載的特性，故選擇方案二場效應管式電子模擬負載。2.8.2 功率耗散MOS管的選型方案一：采用MTY25N60E MOS管，它常用于電力領域的應用。專為高電壓、高速開關芯片，可以應用于電力供應、電機控制、PWM變流器等領域。方案二：采用IRFP460芯片，TIP122芯片效率比方案低，總功耗相對較高。其

48、通用參數(shù)為： （1）漏極源極擊穿電壓Vdss=500V（2）靜態(tài)導通電阻Rds(on)=0.25（3）漏源連續(xù)導通電流Id=22A（4）功   率：Ptot=278W（5）極   性：NPN鑒于MOS管的良好開關特性，在此次設計中，對被測電源功率的控制，也就是對電流的控制，故選用方案二。場效應管是一種單極型晶體管，它只有一個P-N結(jié)，在零偏壓的狀態(tài)下，它是導通的，如果在其柵極(G)和源極(S)之間加上一個反向偏壓(稱柵極偏壓)，在反向電場作用下，P-N變厚(稱耗盡區(qū))，溝道變窄，漏極電流變小。當反向偏壓達到一定時，耗盡區(qū)將完全溝道“夾斷”，此時場效應管進

49、入截止狀態(tài)。MOS型晶體管的特點是特別適合于開關狀態(tài)工作，因為它正向?qū)〞r的電阻極小，而且開關速度快，所以是一種理想的開關元件。（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，從而影響高速開關。所以同樣功率的管子，MOS型的開關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，過電壓保護的設計也可以簡單一些。如圖2-15所示為N溝道增強型 MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線，如圖2-16所示為N溝道增強型MOS管的輸出特性曲線。圖2-15 N溝道增強型 MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線 圖2-16 N溝道增強型MOS管的輸出特性圖2-17 N溝道增強型 MOS管電子負載的恒流控制，它的功率控制電路主要包括場效應管（MOSFET)、電流取樣PI控制器、運放等組成負反饋控制環(huán)路。這是整個系統(tǒng)設計的核心，也是電子負載的核心部分。如圖2-17所示為 N溝道增強型 MOS管，MOS管不僅作為電流控制器，而且作為被測電源的負載，IRFP460為N溝道增強型MOS管，所以整個

51、設計的技術指標是根據(jù)IRFP460MOS管的參數(shù)進行選定的。由IRFP460MOS管的飽和漏源電流Id=22A取整個電子負載設計的電流范圍為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，故整個設計的功率范圍為0-100W。考慮到有時候被測電源電壓較大，在漏極源極擊穿電壓Vdss=500V的基礎上，整個設計的電壓范圍設為0-50V。2.9 電源電路的設計單片機電源設計包含3個方面的內(nèi)容:一是電源功耗，二是電源電壓，三是電源管理。電源電壓的設計主要針對系統(tǒng)需求的不同電壓進行的電源分配，在電子負載系統(tǒng)中，單片機的工作電壓是1.7-4.5V;運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。本電路設計中利用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)分流基準電壓源TL431實現(xiàn)整個電源電路的設計。利用TL431輸出2.5V電壓作為輸入基準源供TLC5615進行DA轉(zhuǎn)換。HCPL 78XX 系列為 3 端正穩(wěn)壓電路內(nèi)含過流、過熱和過載保護電路。帶散熱片時，輸出電流可達 1A。具有過熱保護;短路保護;輸出晶體管 SOA保護。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 圖 2-19 TL431輸出2.5V電壓連接圖TL431是一個有良好的熱穩(wěn)定

53、性能的三端可調(diào)分流基準電壓源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設置到從Vref（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2，在很多應用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表、運放電路、可調(diào)壓電源，開關電源等等。如圖2-18所示為TL431符號，圖2-19為 TL431輸出2.5V電壓連接圖。將Cathode（負極）與Reference（參考端）連接起來，會得到VKA = Vref =2.5V，2.5V作為輸入基準源供TLC5615DA進行轉(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)壓器的典型應用電路，利用串

54、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。第三章 電子負載軟件系統(tǒng)設計本系統(tǒng)程序設計都是采用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

55、植性和可讀性。 Keil IDE Vision2集成開發(fā)環(huán)境是Keil Software開發(fā)的基于80C51內(nèi)核的微型處理器軟件開發(fā)平臺，內(nèi)嵌多種符合當前工業(yè)標準的開發(fā)工具?？梢酝瓿蓮墓こ探?、管理、編譯和鏈接，目標代碼的生成，軟件仿真，硬件仿真等完整的開發(fā)流程。尤其C編譯工具在產(chǎn)生代碼的準確性和效率方面達到了較高的水平，而且可以附加靈活的控制選項，在開發(fā)大型項目時非常理想。Keil軟件開發(fā)的流程：建立工程。為工程選擇目標器件。設置工程的配置參數(shù)。打開/建立程序文件。編譯和鏈接工程。糾正程序中的書寫和語法錯誤并重新編譯連接。對程序中某些純軟件的部分使用軟件仿真驗證。使用TKS硬件仿真器對應用程序進行硬件仿真。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，默認為功能設置，此時單片機只預置數(shù)據(jù)輸入、按鍵查詢、預置數(shù)據(jù)LCD顯示等功能；而當按下該按鍵1次后