簡(jiǎn)易直流電子負(fù)載論文

1、-. z 2013全國(guó) 大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽直流電子負(fù)載系統(tǒng)(高職高專組F)摘要本設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為核心控制系統(tǒng)，采用了DA輸出控制電路、AD電壓電流檢測(cè)電路、顯示電路、鍵盤電路。通過(guò)運(yùn)放、負(fù)反應(yīng)控制環(huán)路來(lái)控制MOSFET的柵極電壓使其阻變化，從而實(shí)現(xiàn)恒流工作模式。MOS管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，控制局部采用STC89C52單片機(jī)來(lái)完成，設(shè)定值通過(guò)鍵盤輸入送往單片機(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)際電壓相比擬，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)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。關(guān)鍵詞：電子負(fù)載；單

2、片機(jī)； 恒流模式； A/D轉(zhuǎn)換； D/A轉(zhuǎn)換 Abstract: This design with the core of STC89C52 MCU , using Da output control circuit, ad voltage and current detection circuit, display, keyboard, circuits.Using negative feedback control loop amplifier, to control grid voltage of the MOS to its internal resistance change, re

3、sulting in constant current mode of operation.MOS both as a current control devices at the same time as the measured power load control part using stc89c52 single - chip puter to plete the set value input from the keyboard to the SCM, and then by DA output circuit voltage sent to the PI controller w

4、ith the actual voltage pared.In A / D converter circuit for voltage and current analog signals into digital signals by single - chip Microputer to control the conversion, and then use the LCD display shows the instantaneous voltage and current. Key word : electronic load ; MCU; constant current mode

5、 ; Ad conversion ; DA conversion目錄1.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì).4 1.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)論證.5 1.2系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)方案. .61.2.1控制單元模塊論證與選擇. .6顯示模塊論證與選擇.6鍵盤模塊論證與選擇.6 DA轉(zhuǎn)換模塊的論證與選擇.72.系統(tǒng)理論分析與計(jì)算.72.1電子負(fù)載及恒流電路的分析.7 2.2電壓、電流的測(cè)量及精度分析.8 2.3電源負(fù)載調(diào)整率的測(cè)試原理.83.電路與程序設(shè)計(jì).83.1電電路設(shè)計(jì).83.1.1控制單元模塊設(shè)計(jì).8 3.1.2恒流模塊設(shè)計(jì).9 3.1.3 鍵盤模塊設(shè)計(jì).10 3.1.4 A/D與D/A轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì).11 3.1.5 電源模塊

6、設(shè)計(jì).123.2程序設(shè)計(jì).134.系統(tǒng)測(cè)試.13 4.1測(cè)試方案及測(cè)試條件.134.1.1測(cè)試方案.134.1.2測(cè)試條件.144.2測(cè)試數(shù)據(jù).144.3測(cè)試結(jié)果分析.155.結(jié)論.15參考文獻(xiàn).161 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)電子負(fù)載系統(tǒng)由軟、硬件共同組成。考慮到價(jià)格、工作速度、開(kāi)發(fā)本錢和可靠性等因素，合理地分配了硬件和軟件資源，對(duì)于*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)展設(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。1.1系統(tǒng)方案總體設(shè)計(jì)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：運(yùn)用傳統(tǒng)的電子負(fù)載設(shè)計(jì)方式，通過(guò)比擬器的比擬結(jié)果及反應(yīng)來(lái)控制MOSFET的柵極電壓，從而

7、到達(dá)其阻變化的目的，構(gòu)造框圖如圖1-1所示：圖1-1 傳統(tǒng)的電子負(fù)載設(shè)計(jì)方案二：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、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)反應(yīng)回路，通過(guò)A/D采集到單片機(jī)，與預(yù)置值進(jìn)展比擬，作為單片機(jī)進(jìn)一步調(diào)節(jié)PWM占空比的依據(jù)。構(gòu)造框圖如圖1-2所示：圖1-2 方案二系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊 方案三：采用了STC89C52 單片機(jī)作為核

8、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)。構(gòu)造框圖如圖1-3所示： 通過(guò)比擬，方案三簡(jiǎn)潔方便，能更好的實(shí)現(xiàn)本次實(shí)驗(yàn)， 故整個(gè)設(shè)計(jì)采用方案三。1.2系統(tǒng)具體模塊選擇1.2.1控制單元模塊論證與選擇方案一：AT89C51單片機(jī)ATMEL 公司的AT89C51單片機(jī)價(jià)格廉價(jià)，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：STC89C52單片機(jī)STC89C52與AT89C51根本性能一樣，但STC89C52 RAM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)其軟件局

9、部的設(shè)計(jì)，應(yīng)選擇方案二。1.2.2顯示模塊論證與選擇方案一：數(shù)碼管顯示數(shù)碼管具有接線簡(jiǎn)單、本錢低廉、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：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、曲線及漢字，并且可以實(shí)現(xiàn)屏幕上下左右滾動(dòng)、動(dòng)畫、閃爍、文本特征顯示等功能。采用的是液晶顯示LC

10、D顯示模塊可以顯示出電壓電流等漢字，一面了然、外觀比擬好看。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。本次設(shè)計(jì)中要測(cè)量實(shí)際的電壓電流值，故經(jīng)過(guò)比擬選擇方案二 。1.2.3鍵盤模塊論證與選擇方案一：矩陣式鍵盤矩陣式鍵盤適合于輸入命令或者數(shù)據(jù)較多、功能復(fù)雜的系統(tǒng)。采用矩陣式鍵盤構(gòu)造可以最大限度地使用單片機(jī)的引腳資源，矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合, 由行線和列線組成, 按鍵位于行列的穿插點(diǎn)上，節(jié)省I/O 口，因此其應(yīng)用十分廣泛。方案二：非矩陣式鍵盤非矩陣式鍵盤構(gòu)造比擬簡(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， 在按鍵數(shù)量較多時(shí),I/O

11、 口浪費(fèi)大, 電路構(gòu)造顯得復(fù)雜。并且此鍵盤是用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要通過(guò)鍵盤中輸入設(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，所以鍵盤模塊采用方案一。1.2.4 DA轉(zhuǎn)換模塊的論證與選擇 方案一：DAC0832DAC0832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)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存放器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。 方案二：TLC5615 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

12、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(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)定值的準(zhǔn)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，線路板面積縮小，本錢降低，應(yīng)選擇方案二。2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1 電子負(fù)載及恒流電路的分析電子負(fù)載是控制功率或晶體管的導(dǎo)通量，靠功率管的耗散功耗電能的設(shè)備，它能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出負(fù)載電壓，準(zhǔn)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。由于回路中會(huì)有大

13、電流通過(guò)，因此功率問(wèn)題也要考慮。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本設(shè)計(jì)電路主要由TLV2460運(yùn)放、8050三極管、3DD15功率三極管和2W/2功率電阻組成。大功率管實(shí)現(xiàn)擴(kuò)流，10位DAC輸出控制電壓送到運(yùn)放同相輸入端，根據(jù)運(yùn)放虛短的概念，運(yùn)放的反相輸入端電壓將等于控制電壓，采樣電阻的電壓經(jīng)放大后連接到運(yùn)放反相端，從而實(shí)現(xiàn)電壓控制采樣電阻的電壓，進(jìn)而控制采樣電阻的電流，即控制恒流源輸出電流,恒定電流的計(jì)算為I = Vi / R。2.2 電壓、電流的測(cè)量及精度分析電壓值通過(guò) 實(shí)現(xiàn)測(cè)量電流值通過(guò) 實(shí)現(xiàn)測(cè)量 精度分析： 1A/D轉(zhuǎn)換芯片為10位ACSIC ，精度為4.88mV但是在實(shí)際測(cè)量中存在一定的偏差； 2采樣

14、電阻為2，實(shí)際電阻值會(huì)有所偏差，影響精度； 3分壓電阻有一定的偏差，影響測(cè)量精度。2.3 電源負(fù)載調(diào)整率的測(cè)試原理 負(fù)載調(diào)整率計(jì)算公式為： 1/* # 0 當(dāng)I=0時(shí)，測(cè)得電壓為 ； 當(dāng)I=1A時(shí)，測(cè)得的電壓為； 由此可測(cè)得負(fù)載調(diào)整率的大小。3電路與程序設(shè)計(jì)3.1 電路設(shè)計(jì)3.1.1控制單元模塊設(shè)計(jì)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A/D采樣；LCD顯示；鍵盤輸入等。單片機(jī)總控制電路如圖3-1所示：圖3-1 STC89C52單片機(jī)與液晶顯示模塊連接電路電子負(fù)載系統(tǒng)中STC89C52的I/O口分配連接情況如表3-1所示：表3-1單片機(jī)I

15、/O口分配3.1.2恒流模塊設(shè)計(jì)恒流模塊構(gòu)造如圖3-2所示： 圖3-2電壓采樣電路原理圖該電路通過(guò)運(yùn)放及負(fù)反應(yīng)控制環(huán)路，是整個(gè)電路的核心實(shí)質(zhì)，來(lái)控制3DD15的基極電壓，從而到達(dá)其阻變化。3DD15三極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，通過(guò)控制3DD15三極管的導(dǎo)通量，從而到達(dá)流過(guò)該電子負(fù)載的電流恒定，實(shí)現(xiàn)恒流工作模式。3.1.3 鍵盤模塊設(shè)計(jì)本系統(tǒng)通過(guò)矩陣電路進(jìn)展按鍵輸入，采用的是4*4矩陣鍵盤，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)

16、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)停頓按鍵:該按鍵把電子負(fù)載功能劃分為設(shè)置和調(diào)節(jié)兩局部，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、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)，按下該鍵可以去除顯示屏。鍵盤

17、模塊電路如圖3-3所示： 圖3-3 44矩陣鍵盤電路圖按鍵采用逐行掃描法進(jìn)展識(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，兩次低電平的穿插處便是鍵按下的地方。3.1.4 A/D與D/A轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)A/D模塊采用TLC1549芯片，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，其引腳圖如圖3-4所示：圖3-4 TLC1549引腳圖 D/A模塊采用TLC5615芯片，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，D/A轉(zhuǎn)換輸出電路原理圖如圖3-5所示：圖3-5 D/A轉(zhuǎn)換輸出電路原理圖3.1.5

18、電源模塊設(shè)計(jì)電源電路利用78*系列集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路，利用串聯(lián)輸出不同的電壓，供電路各個(gè)局部工作。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的直流電壓供應(yīng)運(yùn)放工作，再通過(guò)7805輸出+5V的直流電壓供應(yīng)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。電源電路原理圖如圖3-6所示：圖 3-6 電源電路原理圖3.2 程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)都

19、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，使得程序更具有移植性和可讀性。 主程序軟件流程如圖3-7所示：圖3-7 軟件主程序流程圖在圖3-1中軟件首先進(jìn)展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(méi)有按下沒(méi)有按下自動(dòng)調(diào)節(jié)啟動(dòng)停頓按鍵時(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、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.系統(tǒng)測(cè)試4.1測(cè)試方案及測(cè)試條件4.1.1測(cè)試方案 通過(guò)數(shù)字萬(wàn)用表串接進(jìn)展電流校正、并接電壓表進(jìn)展電壓校正，校正好之

20、后，即可提供恒流供電，通過(guò)采集顯示值和測(cè)量值進(jìn)展測(cè)量。4.1.2測(cè)試條件把各模塊整合起來(lái)，通過(guò)數(shù)字萬(wàn)用表與系統(tǒng)聯(lián)機(jī)進(jìn)展調(diào)試。通過(guò)測(cè)量得到的電流、電壓以及電源負(fù)載調(diào)整率等參量，測(cè)量電源負(fù)載的相關(guān)特性。4.2測(cè)試數(shù)據(jù)恒流模式下電流測(cè)量將萬(wàn)用表串聯(lián)到待測(cè)電源正極輸出，通過(guò)手動(dòng)調(diào)整電流值，分辨力設(shè)置為100mA，分別測(cè)得相應(yīng)的電流值，如表4-1所示：表4-1 恒流模式下電流值電流設(shè)定值mA1002003004005006007008009001000電流測(cè)量值mA10120030040050060170080090010012過(guò)壓閥值電壓通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載電壓，當(dāng)電流突然變?yōu)榱銜r(shí)，即為閥值電壓，如表4-2所

21、示：表4-2過(guò)壓閥值電壓值測(cè)量次數(shù)12345閥值電壓/V4.9824.9824.9824.9824.9823實(shí)時(shí)測(cè)量電子負(fù)載兩端電壓，如表4-3所示：表4-3實(shí)時(shí)測(cè)量電子負(fù)載兩端電壓值顯示值/V4.984.361.271.040.94測(cè)量值/V5.014.371.281.050.954實(shí)時(shí)測(cè)量流過(guò)電子負(fù)載的電流，如表4-4所示： 表4-4實(shí)時(shí)測(cè)量流過(guò)電子負(fù)載的電流值顯示值/mA2004006008001000測(cè)量值/mA20040060080110005電源負(fù)載調(diào)整率，如表4-5所示：這組數(shù)據(jù)有問(wèn)題表4-5電源負(fù)載調(diào)整率串接電阻大小/111調(diào)整率84.5%84.5%84.5% 4.3測(cè)試結(jié)果分析1在恒流工作模式下，電流工作圍可以到達(dá)100mA1000mA ，分辨力為100mA，由測(cè)得數(shù)據(jù)，完全滿足精度1%的要求；2電路能實(shí)時(shí)測(cè)量并數(shù)字顯示電子負(fù)載兩端的電壓和流過(guò)電子負(fù)載的電流，分辨力分別為1mv和1mA，由數(shù)據(jù)可知，測(cè)量精度都小于題目中的要求，滿足要求；3能夠自動(dòng)測(cè)量直流穩(wěn)壓電源負(fù)載調(diào)整率，為了便于測(cè)量，通過(guò)串接電阻實(shí)現(xiàn)。由數(shù)據(jù)可知，滿足題目要求的測(cè)量的圍，滿足要求。5 結(jié)論通過(guò)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)單路直流電子負(fù)載有以下特點(diǎn)：1采用單片機(jī)控制，可以實(shí)現(xiàn)智能控制，即不改變硬件的情況下，可