直流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)制作DZ

1、直流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)制作摘要：本設(shè)計(jì)利用51單片機(jī)程控輸出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)DA轉(zhuǎn)換成模擬量，作為MOSFET功率電路的輸入信號(hào)。其中MOSFET功率電路由比較器控制NMOS管導(dǎo)通，形成正負(fù)反饋模型，實(shí)現(xiàn)了恒壓、恒流和恒阻三種模式的切換和設(shè)置調(diào)節(jié)。AD實(shí)時(shí)采集輸出的恒定信號(hào)，傳送給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示及自動(dòng)過(guò)載保護(hù)功能，完成了題目的要求。三種模式采用手動(dòng)切換，CV范圍擴(kuò)大為0-30V左右，CC擴(kuò)大為0-3A左右，CR范圍為199歐姆，測(cè)量精度小于5%，系統(tǒng)電路簡(jiǎn)潔，調(diào)節(jié)快速，且具有過(guò)載保護(hù)提示，鍵盤輸入設(shè)置，LCD實(shí)時(shí)顯示等功能。關(guān)鍵字： 電子負(fù)載，單片機(jī)，恒流，恒壓，恒阻 Abstract: In

2、 this design, the 51 single-chip outputs digital signal ,then DA converts analog which is the input signal of MOSFET power circuit. MOSFET power circuit is controlled by the comparator and NMOS transistor is turned on, the positive and negative feedback model was formed to achieve a constant voltage

3、, constant current and constant resistance three modes switch and set the adjustment. AD acquisits constant output signal ,then it is transmitted to the microcontroller, digital display and automatic overload protection to complete the requirements of the topic. Three modes was designed to be manual

4、 switching, the CV extend about 0-30V, CC expanded to about 0-3A, Cr ranges from 1 to 99 ohms, the measurement accuracy is less than 5%, system circuit is simple and fast adjustment, and has overload protection prompts, keyboard input settings, LCD real-time display functions.Keywords: electronic lo

5、ad, microcontroller,constant current, constant voltage,constant resistance目 錄一、方案論證與設(shè)計(jì).111整體方案分析設(shè)計(jì).11.2 模塊方案比較.11.2.1 MOSFET功率（恒流恒壓恒阻）電路方案選擇.11.2.2主控器模塊方案選擇.21.2.3顯示模塊方案選擇.2二、電路設(shè)計(jì).22.1 模擬電路分析設(shè)計(jì)（各模塊仿真圖見(jiàn)附錄）.2 恒流電路模塊.2 恒壓電路模塊.3 恒阻電路模式.3 自動(dòng)過(guò)載保護(hù)模塊.42.2 數(shù)字電路分析設(shè)計(jì)（數(shù)字電路原理圖見(jiàn)附錄）.4 DA/AD模塊.4 負(fù)載參數(shù)的可調(diào)節(jié)和數(shù)字化顯示的方法.4

6、三、軟件設(shè)計(jì).4四、測(cè)試方案及測(cè)試結(jié)果.44.1測(cè)試儀器.44.2測(cè)試方法.44.3測(cè)試數(shù)據(jù).54.3.1恒流模式測(cè)試.54.3.2恒壓模式測(cè)試.54.3.3恒阻模式測(cè)試.54.3.4過(guò)載保護(hù)報(bào)警測(cè)試.64.4測(cè)試結(jié)果分析.6五、總結(jié).6六、參考文獻(xiàn).6一、方案論證與設(shè)計(jì)11整體方案分析設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)包括主控器、鍵盤、顯示電路、MOSFET功率電路和AD、DA處理電路六個(gè)部分。其中 MOSFET功率電路包括恒流、恒壓、恒阻電路，分別控制恒流、恒壓和恒阻三種模式，設(shè)計(jì)中模式切換部分采用機(jī)械和數(shù)字開(kāi)關(guān)來(lái)選通回路，而三種模式都是采用運(yùn)算放大器結(jié)合以場(chǎng)效應(yīng)管為核心的反饋網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，控制部分采用單片機(jī)來(lái)完

7、成，顯示采用液晶模塊。恒壓模式、恒阻模式與恒流模式硬件實(shí)現(xiàn)方法基本相同，軟件實(shí)現(xiàn)方法類似。實(shí)現(xiàn)框圖如下圖1-1所示。待測(cè)電源MOSFET功率電路顯示電路AD電路DA電路主控器鍵盤電路過(guò)載保護(hù)圖1-1 直流電子負(fù)載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖1.2模塊方案比較 MOSFET功率（恒流恒壓恒阻）電路方案選擇 根據(jù)控制功率管導(dǎo)通信號(hào)的不同，有兩種方案實(shí)現(xiàn)，三種模式的硬件實(shí)現(xiàn)方法基本相同，下面以恒流電路為例。方案1：用PWM波控制NMOS管的導(dǎo)通。PWM產(chǎn)生所需要的電壓值，不同占空比的PWM波對(duì)應(yīng)一個(gè)直流電壓，單片機(jī)把采集到的電壓與設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較形成一個(gè)閉環(huán)控制做成一個(gè)恒流電源。該方案優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，但需要編程

8、調(diào)試控制PWM波的占空比，反應(yīng)速度比較慢，對(duì)系統(tǒng)調(diào)試復(fù)雜，精度不高，而本題對(duì)精度的要求非常高。所以本系統(tǒng)不采取此種方案。具體原理圖如圖1-2。圖1-2 原理圖方案2：用D/A產(chǎn)生的電壓模擬信號(hào)控制MOS管導(dǎo)通。單片機(jī)把按鍵數(shù)字量讀出來(lái)然后通過(guò)DA芯片把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量送給電壓跟隨器，從而使MOS上有一個(gè)恒定的電流。本方案是通過(guò)模擬電路形成一個(gè)負(fù)反饋，其反應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單片機(jī)所形成的閉環(huán)控制而且電路簡(jiǎn)單，控制方便。因此本系統(tǒng)采用此方案。1.2.2主控器模塊方案選擇方案一：采用目前比較通用的51系列單片機(jī)。通過(guò)軟件編程可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流、電阻預(yù)設(shè)置、A/D采樣比較、D/A輸出、LCD顯示、過(guò)壓

9、控制、過(guò)流控制和過(guò)功率控制等多種功能，并且外圍電路簡(jiǎn)單,控制效果好。方案二：采用純硬件方式控制設(shè)計(jì)電路。電壓、電流預(yù)設(shè)置通過(guò)調(diào)節(jié)電位器實(shí)現(xiàn)，電流、電壓取樣反饋值送入比較電路，實(shí)現(xiàn)恒壓、恒流和恒阻的功能。電路相對(duì)比較復(fù)雜，且可實(shí)現(xiàn)的功能有限，在短時(shí)間內(nèi)制作會(huì)比較粗糙，工作量較大。 通過(guò)比較，采用方案一可以很好地完成設(shè)計(jì)基本任務(wù)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)多種擴(kuò)展功能所以我們選擇方案一。二、電路設(shè)計(jì)2.1模擬電路分析設(shè)計(jì)2.1.1恒流電路模塊圖1-3 恒流電路模塊這個(gè)圖是一個(gè)最常用的恒流電路，這樣的電路更容易獲得穩(wěn)定及精確的電流值，R3 為取樣電阻,VREF 是給定信號(hào)，電路工作原理是：當(dāng)給定一個(gè)信號(hào)時(shí) VRE

10、F，如果 R3 上的電壓小于 VREF，也就是 OP07 的-IN 小于+IN，OP07 加大輸出，使 MOS 加大導(dǎo)通使 R3 的電流加大。如果 R3 上的電壓大于 VREF 時(shí)，-IN 大于+IN，OP07 減小輸出，也就降了 R3 上的電流，這樣電路最終維持在恒定的給值上，也就實(shí)現(xiàn)了恒流工作。I0=VREF/R3如給定 VREF 為 200mV，R3 選用為 1 歐/5瓦電阻，電路恒流為 200mA，改變 VREF 可改變恒流值.即：I0=VREFVREF 可用電位調(diào)節(jié)輸入或用 DAC芯片由 MCU 控制輸入，采用電位器可手動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電流。如采用 DAC 輸入可實(shí)現(xiàn)數(shù)控恒流電子負(fù)載。2.

11、1.2 恒壓電路模塊圖1-4 恒壓電路模塊圖中 DA為設(shè)定的電壓值信號(hào)，傳送到電壓跟隨器OP07和比較器OP07 ，AD從正相端進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，功率管導(dǎo)通，IN+與給定值進(jìn)行比較，形成負(fù)反饋閉環(huán)，達(dá)到恒壓目的。51單片機(jī)輸入端電壓不得超過(guò)5V，而題目要求做到最高20V的CV，所以采用的電阻分壓采樣的方式，圖中MOS 管上的電壓經(jīng) R3 與 R2 分壓后送入運(yùn)放，R2=9K，R3=1K，I/O口的電壓為負(fù)載電壓的R2*R3/(R2+R3)=1/10。又考慮到當(dāng)負(fù)載電壓很小時(shí)，比如小于5V,那么分壓后的電壓為幾百M(fèi)V,這樣的電平送給單片機(jī)的AD，轉(zhuǎn)換值很有可能產(chǎn)生較大誤差。故當(dāng)電壓小于4V時(shí)，將開(kāi)關(guān)

12、斷開(kāi)，直接采樣，當(dāng)電壓大于4V時(shí)，分壓采樣。2.1.3 恒阻電路模式圖1-5 恒阻電路模式假設(shè)我們要穩(wěn)的電阻為R，有R/R1n，在Vtest較低的MOS管Q2關(guān)斷AD采樣電壓為Vtest，我們將DA的電壓設(shè)成Vtest/n，所以R1兩端的電壓也是Vtest/n，所以： RVtest÷IVtest÷（Vtest/n÷R1）=nR1。由于我們?cè)诓粩嗟膶?duì)電壓采樣，DA也在隨Vtest變化而變化。這種情況下，表達(dá)式中不出現(xiàn)Vtest，即電路的等效電阻是恒定的，因此實(shí)現(xiàn)了恒阻模式。2.1.4 自動(dòng)過(guò)載保護(hù)模塊負(fù)載兩端并上兩個(gè)電阻，分壓之后連接到同相比較器正端。AD從正端采集

13、電壓信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)負(fù)載電壓超過(guò)預(yù)設(shè)的過(guò)載值時(shí)，單片機(jī)控制指示燈亮和蜂鳴器報(bào)警，并且液晶顯示報(bào)警提示。同時(shí)單片機(jī)降低輸出電壓數(shù)字信號(hào)，使功率管關(guān)斷，從而使負(fù)載兩端電壓降低。三種模式保護(hù)電路均通過(guò)檢測(cè)正端輸出電壓的方式，在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)。2.2 數(shù)字電路分析設(shè)計(jì)（數(shù)字電路原理圖見(jiàn)附錄） DA/AD模塊由于電流設(shè)置分辨率為1mA/2000mA=1/2000，故ADC和DAC的分辨率必須1/2000，即DAC和ADC的位數(shù)必須在11位以上。本設(shè)計(jì)需要對(duì)輸出的反饋電流電壓進(jìn)行采集，采用TI公司 TLV2543。它是一款12位串行輸入，多路采集的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用5v供電

14、。DATA=(DATA:轉(zhuǎn)換出的12位數(shù)據(jù)V:輸入電壓)DA選用了TI公司TLV5618該芯片具有兩路輸出，兩種模式選擇，快速模式，低速模式，采用低速模式可以減少功耗5mw。基準(zhǔn)源使用內(nèi)部基準(zhǔn)源2.048V。V=(DATA:給定的數(shù)據(jù)V:DA輸出電壓值) 負(fù)載參數(shù)的可調(diào)節(jié)和數(shù)字化顯示的方法本系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，采用9個(gè)獨(dú)立按鍵作為輸入設(shè)備，作為模式選擇和負(fù)載參數(shù)設(shè)置。顯示采用12864液晶，滿足本設(shè)計(jì)顯示內(nèi)容較豐富的要求。三、軟件設(shè)計(jì)（程序流程圖見(jiàn)附錄）軟件調(diào)試是在 Keil uVision3 下進(jìn)行，采用了模塊化的編程方法，液晶顯示子程序:顯示當(dāng)前模式（恒壓或恒流恒阻），設(shè)定

15、輸出值及實(shí)際端電壓電流。 鍵盤處理子程序：模式切換，輸出值的設(shè)定及步進(jìn)。 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(shí)際端電壓電流值。 將調(diào)整值送入D/A。 進(jìn)行A/D采樣。四、測(cè)試方案及測(cè)試結(jié)果4.1測(cè)試儀器直流穩(wěn)壓電源 12V蓄電池 數(shù)字示波器TDS1002四位半數(shù)字萬(wàn)用表VC9807A+ 滑動(dòng)變阻器4.2測(cè)試方法將直流穩(wěn)壓電源連接電子負(fù)載，如下圖所示，電路中串接電流表和滑動(dòng)變阻器，負(fù)載兩端并聯(lián)電壓表。恒壓模式測(cè)試，設(shè)定恒定電壓V0，通過(guò)調(diào)整滑動(dòng)變阻器，改變電路電流，測(cè)量記錄負(fù)載電壓。相對(duì)誤差:Su=U/U 恒流模式測(cè)試，設(shè)定恒定電流I0，改變電子負(fù)

16、載端電壓，測(cè)量記錄電流表數(shù)據(jù)。相對(duì)誤差:Si=I/I恒阻模式測(cè)試，設(shè)定恒定電阻R，分別測(cè)量記錄電壓表V0、電流表數(shù)據(jù)I0。恒定電阻R=V0/I0 相對(duì)誤差：Sr=R/R 過(guò)載保護(hù)測(cè)試，AV電子負(fù)載直流穩(wěn)壓電源圖1-6 系統(tǒng)測(cè)試框圖4.3測(cè)試數(shù)據(jù)恒流模式測(cè)試通過(guò)鍵盤設(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2-1所示。表2-1 恒流模式下測(cè)試數(shù)據(jù)表模式設(shè)定值（A）測(cè)量值1(A)測(cè)量值2(A)測(cè)量值3(A)工作電壓(V)工作電壓(V)工作電壓(V)恒流0.050.0500.0500.0501.4003.1004.600恒流0.10.0990.1000.1001.9004.2005

17、.600恒流0.40.4010.4000.3996.1008.20011.100恒流10.9980.9991.00212.50015.00018.200恒流21.9981.9992.0022.8003.64.5恒壓模式測(cè)試恒壓模式的測(cè)試方法與恒流模式相類似，其測(cè)試所得數(shù)據(jù)如表2-2所示：表2-2 恒壓模式下測(cè)試數(shù)據(jù)表模式設(shè)定值(V)測(cè)量值1(V)測(cè)量值2(V)測(cè)量值3(V)測(cè)量值4(V)工作電壓(V)工作電壓(V)工作電壓(V)工作電壓(V)恒壓11.0051.0050.9951.0351.0003.0007.0008.200恒壓33.0042.9982.9973.0035.0007.5008

18、.0009.000恒壓88.0058.0038.0048.00210.30015.00017.00019.000恒壓2020.00320.00519.99720.00321.50025.00027.00029.000恒壓3030.00130.00529.99630.00431.00033.00035.00037.0004.3.3恒阻模式測(cè)試表2-3恒阻模式下測(cè)試數(shù)據(jù)預(yù)置（）計(jì)算恒定電阻()計(jì)算恒定電阻()實(shí)測(cè)電壓（V）實(shí)測(cè)電流（A）實(shí)測(cè)電壓（V）實(shí)測(cè)電流（A）11.0981.1001.1021.0051.0980.99822.0112.0072.5001.2622.5441.26254.995

19、5.0032.6490.5383.2040.6521010.04010.0403.3100.3292.1000.2092019.90019.9502.1100.1054.2590.2138079.07080.0004.2760.05490000.1124.3.4過(guò)載保護(hù)報(bào)警測(cè)試當(dāng)液晶顯示的檢測(cè)值（實(shí)測(cè)電壓、實(shí)測(cè)電流、實(shí)測(cè)電阻）大于設(shè)定過(guò)載值時(shí)，電路進(jìn)入過(guò)載保護(hù)，指示燈亮，蜂鳴器鳴響，顯示屏顯示報(bào)警。電路進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，直到小于設(shè)定的過(guò)載值，電路恢復(fù)正常工作。4.4測(cè)試結(jié)果分析恒流:分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在設(shè)定電流為0.05A時(shí)，改變輸入電壓，電流很穩(wěn)定，基本不變，穩(wěn)定完全滿足小于5%的誤差。這也是很好理解的。設(shè)定電流過(guò)于小，電路差生的熱量少，功率管工作穩(wěn)定。當(dāng)電流大于1A時(shí)，電路產(chǎn)生熱量大，對(duì)