直流電子負載設計與制作論文

1、直流電子負載的設計與制作摘要：本直流電子負載采用C8051F360作為系統(tǒng)的主制芯片，可以實現(xiàn)恒流、恒壓和恒阻三種模式。三種模式可手動切換。三種模式下，電流、電壓、電阻的給定是通過鍵盤進行設定。硬件電路有單片機電路；鍵盤、顯示、A/D、D/A（PWM）,電壓檢測電路，電流檢測電路，MOS管及驅(qū)動電路組成。恒流（恒壓）模式下，單片機通過檢測電子負載電流（電壓）值與給定電流（電壓值）比較，由PID算法進行PWM控制，達到恒流（恒壓）的目的；恒阻模式下，根據(jù)R=U/I計算電子負載阻值與給定電阻值進行比較，由PID算法進行PWM控制，進而實現(xiàn)恒阻控制。 通過安裝調(diào)試；本直流電子負載電壓在120V、電流

2、在100mA2A、電阻在1200 范圍內(nèi)，跟蹤誤差3%，調(diào)節(jié)時間3秒。關鍵字：C8051F360；電子負載；恒流模式；恒壓模式；恒阻模式第一部分 方案論證與設計1.1整體方案設計經(jīng)過仔細研究分析，我們設計系統(tǒng)的結(jié)構框圖如下：圖1-1系統(tǒng)總體框圖1.2 模塊方案比較1.2.1主控單元模塊 方案一：采用ATMEL 公司的AT89C51。51單片機結(jié)構簡單，操作方便，應用廣泛，價格便宜。但是速度慢，程序復雜，硬件誤差過大，難于滿足指標要求。 方案二：采用C8051F360單片機控制。C8051F360單片機速度快且?guī)险{(diào)試功能，且具有片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換功能。強大的處理能力，豐富的片上外圍模塊，系統(tǒng)工作

3、穩(wěn)定，開發(fā)環(huán)境方便高效。綜上所述兩種方案相比較，C8051F360單片機可靠性更高，故選擇方案二。1.2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路方案一：采用 TLC7135芯片。其優(yōu)點是用簡單電路就能獲得高分辨率， 但缺點是由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時間，因此轉(zhuǎn)換速率極低。方案二：采用C8051F360片內(nèi)自帶的10位AD轉(zhuǎn)換器。該AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快且精度高，同時也簡化了外部硬件電路。兩者相比C8051F360內(nèi)部自帶的AD精度更高、操作方面，故選擇方案二。1.2.3顯示模塊方案一：采用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有接線簡單，成本低廉，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

4、，并且本直流電子負載設計并不需要顯示太多的內(nèi)容，數(shù)碼管就可以完成要求。 方案二：采用液晶顯示（LCD）。液晶顯示具有功耗低、體積小、質(zhì)量輕、無輻射危害的特點。但是液晶價格昂貴且屏幕容易出現(xiàn)瑕疵。對于此系統(tǒng)只是簡單地顯示電壓電流值無需其他文字說明，從要求和成本考慮我們選擇方案一。 兩種方案比較可知應選擇方案一。1.2.4鍵盤模塊：方案一：采用矩陣式鍵盤。將鍵盤排列成矩陣形式，需要通過軟件對按鍵進行判斷和定義，且接口電路由單片機系統(tǒng)直接訪問和控制，鍵盤的掃描、去抖動、判斷和編碼等操作都需要單片機完成，這樣會使得單片機的工作量非常大，使單片機的效率降低。方案二：采用專用的按鍵掃描控制芯片74HC16

5、5。能夠獨立的完成對鍵盤中按鍵的掃描與管理，并且通過簡單接口與微控制器進行連接。使用按鍵掃描控制芯片來完成微控制器的鍵盤管理，可以大大的提高微控制器的工作效率。經(jīng)比較選擇方案二，在本直流電子負載中，采用74HC165鍵盤掃描控制集成芯片。 1.2.5恒流模塊方案一：電阻采樣反饋法，在功率MOS管的源極串接采樣電阻，將電流轉(zhuǎn)換成電壓，反饋至高增益誤差放大器的反相端。在同相端輸入固定電壓，當反相端的電壓等于同相端的電壓時，功率MOS管的電流就恒定，即電流與同相端電壓成正比例關系。方案二：電流直接采樣法，通過電流傳感器及運放電路檢測流入電子負載的電流，與設定電流相比較，看電流是否達到系統(tǒng)設定的電流值

6、，通過PID算法控制DA輸出電壓，進而控制功率MOS管的導通量來控制電流。方案一與方案二相比，由于采樣電阻的功率太小，使電子負載可流入的電流受到很大的限制，遠遠無法滿足題目的要求，方案二的缺點是系統(tǒng)響應速度較慢，但可以通過較大的電流。綜合考慮，我們選擇方案二。1.2.6恒壓模塊方案一：三極管放大比較法，此方案中三極管的基極和發(fā)射極分別相當于比較器的負、正輸入端。這樣的電路可以實現(xiàn)恒壓功能，但是誤差比較大，同時還有較大的功率損耗。方案二；通過調(diào)節(jié)PWM占空比來比較調(diào)節(jié)指定電壓與負載電壓。這種電路結(jié)構簡單，誤差較小。比較兩種方案知應選擇方案二。恒阻模塊 方案一：硬件實現(xiàn)法，將功率MOS管的端電壓V

7、采樣至誤差放大器的同相端，將功率MOS管的電流I采樣轉(zhuǎn)換成電壓至誤差放大器的反相端，根據(jù)歐姆定律:R=V/I，實現(xiàn)恒阻。方案二：軟硬件相結(jié)合的方法。對恒壓恒流兩種模式進行同時調(diào)節(jié)，通過PWM調(diào)節(jié)控制來實現(xiàn)恒阻。由于方案一誤差較大，所以選擇方案二。第二部分 電路設計2.1單片機電路設計主控電路C8051F360組成的單片機最小系統(tǒng)構成。主控電路原理圖見附件。圖2-1主控電路圖2.2硬件檢測驅(qū)動電路硬件檢測驅(qū)動電路圖如圖2-2所示圖2-2硬件檢測驅(qū)動電路1.恒流控制電子負載所流入的負載電流依據(jù)所設定的電流值而保持恒定,與輸入電壓大小無關,即負載電流保持設定值不變。在電流檢測電路端的傳感器輸入端輸入

8、電流信號（02A），經(jīng)過電流傳感器ACS712變化為電壓信號（2.52V）,該傳感器具有能輸出與檢測的直流成比例的電壓，ACS712的輸出電壓與被檢測的電流的關系為：然后再通過LM336電路減去增大的一部分并將電壓值送入運放，經(jīng)運放進行放大（-5倍），此時的得到的電壓值約為電流I的1.25倍。將電流檢測端的的電流送入單片機并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換與給定值進行比較，如果，經(jīng)PID計算，然后調(diào)節(jié)占空比來減小MOS管的導通量使實際電流減??；反之則增大MOS管的導通量。2.恒壓控制電子負載所流入的負載電流依據(jù)所設定的負載電壓而定,此時負載電流增加直到負載電壓等于設定值為止,此后負載電壓維持設定值不變。實際電壓從

9、電壓輸出端口進行采樣，得到的電壓為然后將此電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入單片機與給定值作比較，若，在單片機內(nèi)經(jīng)PID計算，然后通過調(diào)節(jié)占空比來增大MOS管的導通量U,反之則減小MOS管的導通量。3.恒阻控制對恒壓恒流兩種模式進行同時調(diào)節(jié)，將電流、電壓信號送入單片機并進行A/D轉(zhuǎn)換，在單片機內(nèi)部根據(jù)公式R=U/I來計算出實際電阻的數(shù)值，并與給定電阻的阻值相比較，如果，則單片機會通過PID計算，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換并送出單片機，通過調(diào)節(jié)占空比來減小MOS管的導通量從而使 減小；反之則要增大MOS管的導通量來使得增大，這樣就實現(xiàn)了電子負載的恒阻狀態(tài)。鍵盤模塊電路本系統(tǒng)采用74HC165鍵盤掃描控制集成芯片完成對鍵盤

10、中按鍵的掃描與管理電路圖如附圖1所示。2.1.6數(shù)碼顯示模塊本系統(tǒng)采用數(shù)碼管對電壓電流和電阻進行顯示。電路圖如附圖2所示。2.2軟件設計軟件設計中,電壓電流采集數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入C8051F360單片機,與設定值進行比較,然后按要求進行控制,同時對電壓、電流和電阻參數(shù)進行顯示。主程序流程如圖2-5所示:：圖2-5系統(tǒng)程序流程圖第三部分 測試方案與測試結(jié)果通過外接可調(diào)電源分別調(diào)節(jié)恒流、恒壓和恒阻三種模式，并觀察三種模式下數(shù)碼管顯示的電壓電流情況。并對顯示的電壓電流進行比較。在恒流模式下,通過鍵盤設定恒流值,用萬用表測試電源的輸出電壓。改變電源的輸出,記錄流入負載的電流隨電源輸出電壓的變化過程

11、,測試數(shù)據(jù)見表設定電流（mA）測試值1測試值2測試值3實測電流（mA）誤差實測電流（mA）誤差實測電流（mA）誤差4004102.5%3902.5%4102.5%9009202.2%9252.7%8822%130013201.5%12851.15%13302.3%170017202%16822.3%17501.75%在恒壓模式下,通過鍵盤設定恒壓值,用萬用表測試電源的輸出電流。改變電源的輸出,記錄負載的電壓隨電源輸出電流的變化過程,測試數(shù)據(jù)見表2。設定電壓（V）測試值1測試值2測試值3實測電壓（V）誤差實測電流（A）誤差實測電流（A）誤差33.051.7%2.913%2.942%98.73%9

12、.33%9.282.9%1515.453%15.42.6%15.32%2019.62%19.52.5%19.43%在恒阻模式下,通過鍵盤設定恒阻值,用萬用表測試電源的輸出電壓。改變電源的輸出,記錄負載的電阻隨電源輸出電壓的變化過程,測試數(shù)據(jù)見表3。設定電阻（）測試值1測試值2測試值3實測電阻（）誤差實測電阻（）誤差實測電阻（）誤差1010.33%10.22%10.22%60611.7%60.81.3%591.7%1201232.5%1221.7%1232.5%1701752.9%1742.4%1731.8%結(jié)果分析：由數(shù)據(jù)表明，實測電流的值都穩(wěn)定在設定值左右，經(jīng)計算，相對誤差小于3%。說明系統(tǒng)

13、在恒流模式下工作正常實測電壓的值都穩(wěn)定在設定值左右，經(jīng)計算，相對誤差小于3%。說明系統(tǒng)在恒流模式下工作正常。實測電阻的值都穩(wěn)定在設定值左右，經(jīng)計算，相對誤差小于3%。說明系統(tǒng)在恒流模式下工作正常。第四部分 總結(jié)這次大賽，經(jīng)過四天三夜的拼搏，受益匪淺，我們終生難忘。不僅完成了一件作品，而且大大提高了我們的創(chuàng)新精神，動手能力，團隊協(xié)作和競爭意識，這些在今后的人生道路上將是一筆寶貴的財富。充分發(fā)揮團隊合作精神，工作進展很順利。我們在比賽中做到精益求精，在完成基本功能之后，又向發(fā)揮部分進發(fā)，最后完成了所有的基本功能和部分發(fā)揮部分。參考文獻:1 邱關源.電路M.北京：高等教育出版社，20032 華成英，

14、童詩白.模擬電子技術基礎M.北京：高等教育出版社 20063 公茂法，黃鶴松，楊學蔚等.MCS-51/52單片機原理與實踐.北京：北京航空航天大學出版社，2009附圖：附圖1鍵盤電路附圖2 數(shù)碼顯示電路程序：/數(shù)碼管顯示模塊void display()unsigned char m,i,j;for(j=0;j<8;j+)m=tab1j;for(i=0;i<8;i+) CLK=0;DIN=m&0x01; CLK=1; m>>=1; /delay(); /去擾動程序void delay10(void) /誤差 -0.000000000001us unsigned c

15、har a,b,c; for(c=28;c>0;c-) for(b=214;b>0;b-) for(a=19;a>0;a-); _nop_; /if Keil,require use intrins.h/模數(shù)轉(zhuǎn)換取值并且處理程序返回值ab為全局變量float sun_vol() uchar i=0,h,n=20,j; int sum,t; /float aver; /AMX0P = 0x12; /P3.2測電壓 for(i=0;i<20;i+) AD0BUSY = 1; /啟動 ADC0 轉(zhuǎn)換 while(AD0INT=0); /等待轉(zhuǎn)換完畢 AD0INT=0;ad=a

16、dc0; dataparti =ad; /n =20; /AD0BUSY = 0; for (h=0;h<20;h+) /數(shù)組個數(shù)，冒泡 循環(huán)到?jīng)]有比較范圍 for (j=0; j<20-h; j+) /每次預置k=0，循環(huán)掃描后更新k if (datapartj > datapartj+1) /大的放在后面，小的放到前面 t = datapartj; datapartj = datapartj+1; datapartj+1 = t; /完成交換 sum=0; for(i=5;i<15;i+) sum = sum+dataparti; /aver =sum/10; ad

17、d=0.25*sum;/根據(jù)外部采樣電路因此在這個地方結(jié)果乘以11 ab=add/1024; / VOLTS = aver*330/0xFF; /VV = VOLTS; return ab;/對模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)值顯示處理void datachange(void) int m=0; float ad; if(add4=1) ad=ab*11; /if(add5=1) /if(add6=1) if(ad<1.00) m=ad*100; shi=m/10; ge=m%10; tab13=rdispchart0; tab12=0xf7; tab10=rdispchartge; tab11=rdis

18、pchartshi; else m=ad*100; bai=m/100; qian=bai/10; bai=bai%10; a=m%100; shi=a/10; ge=m%10; tab14=rdispchartqian; tab13=rdispchartbai; tab12=0xf7; tab10=rdispchartge; tab11=rdispchartshi; /顯示延時程序void delay(void) int h,u,v,k; for(h=50;h>0;h-) for(u=40;u>0;u-) for(v=26;v>0;v-) for(k=24;k>0;k

19、-); while (add4=1) AMX0P = 0x13;/恒壓模式測量端口 /AMX0P = 0x12; /P3.2測電壓 /AMX0P = 0x13; /AMX0P = 0x0f; sun_vol();/執(zhí)行完此程序得出模數(shù)轉(zhuǎn)換電壓值 hy=ab*11; sub=hy-in; if(sub>0) if(sub>2) for (i=0;i<2;i+) zkb+=30; PCA0CPH0 = zkb; sun_vol();/執(zhí)行完此程序得出模數(shù)轉(zhuǎn)換電壓值 hy=ab*11; sub=hy-in; if(sub<0.02) PCA0CPH0=zkb1;ADC0CN

20、= 0x00;else if (1<sub<2) for (i=0;i<1;i+) zkb+=10; PCA0CPH0 = zkb; sun_vol();/執(zhí)行完此程序得出模數(shù)轉(zhuǎn)換電壓值 hy=ab*11; sub=hy-in; if(sub<0.02) PCA0CPH0=zkb1;ADC0CN = 0x00; else /if(sub<0.02) PCA0CPH0=zkb1;ADC0CN = 0x00; zkb+=5;/30%占空比調(diào)節(jié) if(zkb>=256) zkb=256; PCA0CPH0 = zkb; sun_vol();/執(zhí)行完此程序得出模數(shù)轉(zhuǎn)換電壓值 hy=ab*11; sub=hy-in; if(sub<0.02) PCA0CPH0=zkb1;ADC0CN = 0x00; else /*if (sub<-0.02) zkb-=5;/30%占空比調(diào)節(jié) if(zkb<=0) zkb=0; PCA0CPH0 = zkb; else PCA0CPH0=zkb1; ADC0CN = 0x00;