電子設(shè)計大賽直流負(fù)載論文

1、 2012年山東省電子設(shè)計競賽 直流電子負(fù)載的設(shè)計制作（F題） 目錄摘要3一、方案論證與設(shè)計41.1模塊方案比較51.1.1負(fù)載參數(shù)預(yù)置方案51.1.2 電路設(shè)計方案51.2 自動過流保護設(shè)計81.3 顯示方案選擇8二、軟件設(shè)計及流程8 2.1 主程序流程圖：10 2.2定時中斷流程圖10三、測試結(jié)果及分析11 3.1 恒電壓模式測試11 3.2 恒電流模式測試11 3.3 測試器件.11四、設(shè)計總結(jié)和心得12附錄一13 直流電子負(fù)載的設(shè)計制作 摘要 本設(shè)計是基于TI公司的MSP460程控的電子負(fù)載，具有恒流、恒壓、恒阻三種工作模式，通過矩陣鍵盤預(yù)先設(shè)定電子負(fù)載的值，手動開關(guān)和單片機結(jié)合實現(xiàn)三

2、種負(fù)載模式的轉(zhuǎn)換。恒流源工作模式時，不論輸入電壓如何變化（在一定范圍內(nèi)），流過該電子負(fù)載的電流依據(jù)所設(shè)定的電流值而保持恒定，與測量端輸入電壓的大小無關(guān)。恒壓工作模式及恒阻工作模式的特性與恒流工作模式類似。 系統(tǒng)包括控制電路(MCU)、驅(qū)動隔離電路(PWM波)、主電路、采樣電路、顯示電路等；能夠檢測被測電源的電流值、電壓值；各個參數(shù)都能直觀的在液晶屏上顯示。關(guān)鍵詞：電子負(fù)載；單片機（MCU）；電子負(fù)載 ；數(shù)/模轉(zhuǎn)換；電壓電流采樣 一、方案論證與設(shè)計 電子負(fù)載用于測試直流穩(wěn)壓電源、蓄電池等電源的性能。我們設(shè)計的電子負(fù)載有恒流和和恒壓以及恒阻以三種工作模式模式，可手動切換。恒流方式時不論輸入電壓如何

3、變化（在一定范圍內(nèi)），流過該電子負(fù)載的電流恒定，且電流值可設(shè)定。工作于恒壓模式時，電子負(fù)載端電壓保持恒定，且可設(shè)定，流入電子負(fù)載的電流隨被測直流電源的電壓變化而變化。如圖1-1所示： 圖1-1 整體設(shè)計框圖 如圖1-1所示，恒流模塊和恒壓模塊共用一個功率MOS管，并且通過數(shù)字開關(guān)實現(xiàn)兩種模式的轉(zhuǎn)換，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，然后通過單片機來程控設(shè)置電壓電流的步進值，用液晶屏顯示即時電壓電流。我們采用了TI公司所提供的MSP430單片機，精密運放INA128P。1.1模塊方案比較1.1.1負(fù)載參數(shù)預(yù)置方案方案一：通過手動調(diào)節(jié)滑動變阻器來調(diào)節(jié)恒流和恒壓兩種模式下的電

4、壓，其缺點是調(diào)節(jié)耗時費力，準(zhǔn)確度不高。操作簡單易懂，但是由于步進值難以手動調(diào)節(jié)控制，所以基本上無法實現(xiàn)恒阻調(diào)節(jié)。 方案二：利用A/D轉(zhuǎn)換把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再利用單片機設(shè)置電壓電流的步進值來修改電壓電流參數(shù)，此方案節(jié)省了硬件設(shè)計，增加了單片機程序控制，操作技術(shù)要求高，節(jié)省時間。 通過比較，方案二簡單，容易實現(xiàn)，而且采用的芯片和器件較少，經(jīng)濟實用，故我們采用方案二來完成電路參數(shù)的預(yù)置。1.1.2 電路設(shè)計方案 恒壓模式： 在恒定電壓工作模式時，電子負(fù)載所流入的負(fù)載電流是依據(jù)所設(shè)定的負(fù)載電壓而定恒壓模式時，電子負(fù)載端電壓保持恒定，且可設(shè)定。流入電子負(fù)載的電流隨被測直流電源的電壓變化而變化，即

5、負(fù)載電壓保持設(shè)定值不變。 圖1.2 恒壓模塊示意圖 圖1-2中 MOS 管上的電壓經(jīng) R1 與 R2 分壓后送入LM358，通過調(diào)節(jié)負(fù)載的值來調(diào)節(jié)電壓值，其輸出電壓的值來控制MOS管的導(dǎo)通程度，實現(xiàn)MOS管漏源電壓的穩(wěn)定。根據(jù)圖1.2分析可得： （1.2.1)其中U1為運放負(fù)端的輸入電壓值。 恒流模式： 在恒電流工作模式時，電子負(fù)載所流入的負(fù)載電流依據(jù)所設(shè)定的的電流值而保持恒定不變，與輸入電壓的大小無關(guān)，即負(fù)載電流值保持定值不變。 圖1.3 恒流模塊示意圖 如圖1.3，這樣的電路很容易獲得穩(wěn)定以及精準(zhǔn)的電流，R1是取樣電阻，Vref為給定的信號。該電路的工作原理是：當(dāng)給定一個Vref，若R1上

6、的電壓小于Vref,則其運放的正端輸入大于負(fù)端，此時其輸出增大，當(dāng)R1上的電壓大于Vref時，即運放的正端輸入小于負(fù)端，使得輸出電壓減小，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電流的目的。實際中是單片機控制對VREF端的步進值來得到Vref,對R1的放大K倍得到負(fù)端電壓再與Vref比較從而得到一個Vref對應(yīng)流R1一個恒流值。 恒阻模式： 在恒阻模式工作時，電子負(fù)載 流入的負(fù)載電流依據(jù)所設(shè)定的負(fù)載電阻和輸入電壓的大小而定，此時的負(fù)載電流與輸入的電壓呈線性比例，比值就是所設(shè)定的負(fù)載電阻，即負(fù)載電阻保持不變。定電阻模式應(yīng)用在測試電壓源或電流源和電源激活測試，用于測試電源的啟動與限流特性，相應(yīng)于滑線變阻器，不易受溫度影響

7、。 圖1-4 恒阻模塊原理示意圖由1-4圖 可知LM358同相輸入端的電壓為： UB=I*R1 （1.2.2）電阻R4可以分壓，AB段分的的電壓為U+；所以有： UB=U+=I*R5 （1.2.3）由上有（假設(shè)R4被分為R5和R6兩部分）： U1=（1+R4/R5）*I （1.2.4）顯然U1與I成比例關(guān)系，所以電阻值恒定。1.2 自動過流保護設(shè)計當(dāng)負(fù)載電流增大時，取樣電壓增大，LM358反相輸入端電壓增大，電流繼續(xù)增大。當(dāng)反相端電壓大于所設(shè)定過流保護電流的基準(zhǔn)電壓(同相端輸入電壓)時，LM358輸出低電平，與場效應(yīng)管共同作用使得負(fù)載電流減小，起到保護作用。過流保護的設(shè)計有利于保護電路正常平穩(wěn)

8、的運行，是一個好的電路設(shè)計中不可缺少的一部分。如圖5.1所示，在電流較小時，滑動變阻器R12的分壓大于零，LM358輸出低電平，但當(dāng)電流較大時，2腳會變成小于零，1腳輸出高電平，進而進行限流的作用。1.3 顯示方案選擇方案一：電壓和電流的顯示都可以選用數(shù)碼管，由于發(fā)光二極管基本屬于電流敏感元件，其正想壓降分散性很大，并且還和溫度有關(guān)，為保證數(shù)碼管具有良好的亮度均勻，就需要其有恒定的工作電流，且不能受到溫度等其他的影響。而且數(shù)碼管只能顯示簡單的數(shù)字，其電路復(fù)雜，占用資源多，顯示信息少，不宜顯示大量的信息。 方案二：使用功能更好的液晶顯示屏12864，增加信息顯示的可讀性，看起來更加方便美觀，而字

9、符液晶顯示模塊，有更明顯的優(yōu)點：微功耗小，超薄輕巧，顯示信息量大，字跡美觀而且容易控制，省電，無輻射，畫面柔和不傷眼睛，而且十分的人性化和智能化。受到更多人的接受和歡迎。 由以上分析可知，我們選用方案二。 二、軟件設(shè)計及流程 。此電子負(fù)載除了要完成作為負(fù)載的功能以外，還要實現(xiàn)I/U數(shù)據(jù)采集、測量與顯示的任務(wù)，并且相對誤差小于5%。我們采用TI公司的MSP460來控制電子負(fù)載，主控電路由單片機、時鐘電路、晶振電路組成的單片機最小系統(tǒng)構(gòu)成軟件設(shè)計中，電壓電流采集數(shù)據(jù)經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后送入MSP430 單片機，與設(shè)定值進行比較同時對電壓和電流參數(shù)進行顯示. 程序采用數(shù)據(jù)環(huán)形緩沖技術(shù)，當(dāng)有中斷服務(wù)程序出

10、現(xiàn)時，程序會把讀到的值存放到一個環(huán)形緩沖隊列中，主程序不停的查詢環(huán)形緩沖隊列中是否有中斷服務(wù)程序的出現(xiàn)，若有，則按順序讀程序并處理. 程序起始段定義了電壓采集函數(shù)、電流采集函數(shù)、顯示函數(shù)、定時初始化函數(shù)、定時器中斷函數(shù)和采集數(shù)據(jù)存入的數(shù)組。主程序流程圖： 2.2定時中斷流程圖 通道1采集恒流值儲存顯示返回Y通道0采集恒壓值儲存顯示1秒定時到？ 圖2.1 單片機程序流程圖 三、測試結(jié)果及分析 在恒流模式下，將選擇開關(guān)打到恒流模式，設(shè)定恒流值后，改變穩(wěn)壓源的輸出，觀察顯示的電流和電壓值并記錄數(shù)據(jù)，測試結(jié)果見表一；在恒壓模式下，改變穩(wěn)壓源的輸出，觀察顯示的電流和電壓值并記錄數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)見表二。恒壓

11、模式下系統(tǒng)基本功能滿足恒壓范圍1.0020.0V的設(shè)計要求，恒流模式下滿足電流設(shè)置和調(diào)節(jié)范圍是從100mA到2.00A，并且誤差小于5%，達(dá)到題目的要求。3.1 恒電壓模式測試 表3.1 恒電壓測試記錄電流 實際值電壓值1V 4V7V10V13V15V17V20V0.10A0.83.56.59.512.514.516.519.50.50A1.13.76.69.712.814.716.519.61.00A1.34.06.99.912.914.816.919.71.50A1.64.37.210.113.014.917.219.92.00A1.94.57.410.313.315.317.520.1

12、表3.1 恒壓模式下負(fù)載電壓設(shè)定值隨電源輸出電流的變化3.2 恒電流模式測試表3.2 恒流測試記錄電壓值 實際值（v）電流值0.1A0.4A0.7A1.0A1.3A1.5A1.7A2.0A1V0.100.400.701.011.010.991.00A1.955V0.100.410.691.021.101.301.502.1010V0.130.400.701.031.321.321,.482.0115V0.110.420.721.021.331.521.711.9920V0.100.440.711.051.351.551.732.02 表3.2 恒流模式下負(fù)載電流設(shè)定值隨電源輸出電壓的變化測試結(jié)果分析：由表3.1和3.2可知，電壓的設(shè)置和調(diào)節(jié)范圍在1.00V20.0V之間， 如我們利用表3.1，選取V=10v，可得 相對誤差為：（9.5-9.9)/9.9*100%=4%在題目所要求的范圍內(nèi)，達(dá)到了題目的要求。3.3 測試器件 此次我們進行測試所采用的器件有：直流穩(wěn)壓電源，數(shù)字萬用表，示波器等等。 四、設(shè)計總結(jié)和心得 設(shè)計是基于TI公司的MSP430的單片機控制的電子負(fù)載，采用矩陣鍵盤的輸入選擇不同的工作模式，工作參數(shù)，能夠直接檢測被測電源的電壓值、電流值，并在液晶顯示屏上顯示出來。在設(shè)計中，還通過單片機程序控制功率的