直流電子負(fù)載

宜賓學(xué)院模擬電子競(jìng)賽直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)報(bào)告張濤吳康阮九霄2015/7/28摘要系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種以具有高精度的直流電子負(fù)載。其主要由單片機(jī)控制模塊、電子負(fù)載模塊、頻率切換模塊、采樣模塊、顯示模塊和電源模塊構(gòu)成。它以TI公司16位單片機(jī)MSP430F149為控制核心，通過(guò)對(duì)DA的控制，達(dá)到對(duì)恒壓值或者恒流值在一定范圍內(nèi)的控制。之后通過(guò)內(nèi)含AD的采集模塊將實(shí)際端電壓、端電流值送回單片機(jī)控制模塊，并通過(guò)顯示模塊加以顯示，通過(guò)按鍵控制電壓步進(jìn)。頻率切換模塊能夠在既定的頻率和占空比下，順利的接入和斷開(kāi)負(fù)載。關(guān)鍵詞MSP430單片機(jī)12位AD/DA

恒流恒壓運(yùn)算放大器目錄1. 總體設(shè)計(jì)方案 41.1. 方案論證及比較 41.2. 系統(tǒng)總體框圖 62. 單元電路設(shè)計(jì) 72.1 整流濾波模塊 72.2 電子負(fù)載模塊 72.3 繼電器保護(hù)模塊 82.4 頻率切換模塊 82.5 單片機(jī)控制及顯示模塊 93. 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì) 103.1 軟件設(shè)計(jì) 103.2主程序的流程圖 114. 系統(tǒng)測(cè)試 124.1 測(cè)試儀器 124.2 測(cè)試電路如圖： 124.2測(cè)試方法： 124.3 測(cè)試結(jié)果分析 135. 設(shè)計(jì)總結(jié) 14總體設(shè)計(jì)方案方案論證及比較方案一：基于手動(dòng)調(diào)節(jié)的直流電子負(fù)載

基于手動(dòng)調(diào)節(jié)的直流電子負(fù)載的原理圖如下：圖1-1本方案由于電路設(shè)計(jì)的問(wèn)題，對(duì)電子負(fù)載恒流恒壓的控制是依靠對(duì)電阻手動(dòng)調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而單片機(jī)對(duì)電阻的調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)相對(duì)較為復(fù)雜，因此這里并沒(méi)有采用單片機(jī)為控制核心，只是將其應(yīng)用于顯示模塊當(dāng)中。該方案采用了諸多的精密器件（如精密金屬膜電阻）以獲得足夠高的精度，但卻采用了手動(dòng)調(diào)節(jié)的方式，顯然是得不償失。而且高精度的器件的價(jià)格昂貴、數(shù)量稀少、不易采購(gòu)。開(kāi)環(huán)的控制方式不利于精度的調(diào)節(jié)和操作的簡(jiǎn)化。電路中恒流恒壓部分相對(duì)獨(dú)立，技術(shù)含量較低且元器件的利用率較低。同時(shí)，系統(tǒng)的擴(kuò)展性較差也是其弊端。方案二：基于單片機(jī)的恒壓恒流電路分離的電子負(fù)載基于單片機(jī)的恒壓恒流電路分離的電子負(fù)載原理圖如下：圖1-2本方案采用了單片機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)，操作變得簡(jiǎn)單明了。但是電路中的恒壓恒流部分仍然相對(duì)獨(dú)立，技術(shù)含量較低。兩部分電路分別受單片機(jī)的控制。電路的輸出有兩個(gè)。這為測(cè)量帶來(lái)了不變。同時(shí)電路元件的利用率底下且電路本身規(guī)模龐大也是其弊端。方案三：基于單片機(jī)的數(shù)控直流電子負(fù)載

基于單片機(jī)的數(shù)控直流電子負(fù)載的原理圖如下圖所示。圖1-3此方案控制核心采用MSP430單片機(jī)。操作時(shí)只需通過(guò)程序就能實(shí)現(xiàn)恒壓恒流模式進(jìn)行切換、恒壓恒流值的調(diào)節(jié)、端口電壓的采集及顯示、恒壓模式下電子負(fù)載的接入與斷開(kāi)等核心功能。較好的解決了方案一因手動(dòng)操作所引出的一系列弊端。方案中所采用的元器件型號(hào)比較常見(jiàn)且價(jià)格適中，在元件運(yùn)用方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于上述方案。此方案采用12位A/D、D/A芯片，精度的理論值已經(jīng)優(yōu)于了題目要求。由于該方案的操作方法以及整體構(gòu)架簡(jiǎn)易明了，利于電子開(kāi)關(guān)的接入和控制，因此較好的實(shí)現(xiàn)了發(fā)揮部分關(guān)于頻率方式的要求。電路中含有的運(yùn)算放大器具有很大的電源電壓抑制化，可以大大減小輸出端的紋波電壓。單片機(jī)對(duì)12864顯示屏的精確控制使得顯示界面人性化。A/D對(duì)實(shí)際電壓電流的反饋有利于單片機(jī)智能的對(duì)輸出值進(jìn)行修正，這是方案一所不具備的。同時(shí)，本方案也將恒壓電流與恒流電路有機(jī)的結(jié)合在了一起，電路簡(jiǎn)潔，控制簡(jiǎn)易?？偠灾?，智能化的可編程器件的充分使用使得整個(gè)系統(tǒng)可編程、可擴(kuò)展，系統(tǒng)的靈活性大大增加?？傮w上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于上述兩個(gè)方案。故選擇方案三。系統(tǒng)總體框圖圖1-4單元電路設(shè)計(jì)整流濾波模塊電路圖如下圖所示：圖2-1整流濾波電路該電路輸入為調(diào)壓器輸出交流電，最大為20V，經(jīng)過(guò)整流濾波講交流電轉(zhuǎn)換為直流電電子負(fù)載模塊電子負(fù)載模塊分為恒壓源和恒流源模塊。電路圖如下圖所示：圖2-2恒壓（左）、恒流（右）模塊恒流電路輸入為5到20V，恒定電流范圍為0.5—1A，單片機(jī)控制步進(jìn)0.1V。恒壓電路輸入為5—20V,輸出電壓恒定，電流能力大于等于2A，單片機(jī)控制步進(jìn)0.01A.繼電器保護(hù)模塊電路圖如下圖所示：圖2-3繼電器保護(hù)模塊繼電器實(shí)現(xiàn)的是過(guò)流保護(hù)功能，當(dāng)電流超過(guò)2.5A時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟保護(hù)頻率切換模塊電路如下圖所示：圖2-4頻率切換使頻率實(shí)現(xiàn)1KHZ的頻率切換單片機(jī)控制及顯示模塊單片機(jī)是數(shù)控電子負(fù)載的核心部件，它既協(xié)調(diào)整機(jī)工作，又是數(shù)據(jù)處理器。本系統(tǒng)采用MSP430F149單片機(jī)為核心，以16個(gè)按鍵鍵盤(pán)，12964液晶顯示屏構(gòu)成友好界面。單片機(jī)通過(guò)A/D,D/A等器件對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行信號(hào)的采集、處理和輸出，從而對(duì)輸出電流值進(jìn)行控制校正，達(dá)到較高精度,并且對(duì)電壓、電流進(jìn)行步進(jìn)，并且精度較高。同時(shí)，單片機(jī)的接口全部進(jìn)行擴(kuò)展，使系統(tǒng)應(yīng)用更加靈活。單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)

為了方便編寫(xiě)和調(diào)試，我們采用了模塊化的編程方法，整個(gè)程序分為若干子程序：

（1）液晶顯示子程序:顯示當(dāng)前模式（恒壓或恒流），設(shè)定輸出值及實(shí)際端電壓電流；（2）鍵盤(pán)處理子程序：模式切換，輸出值的設(shè)定及步進(jìn)；（3）數(shù)據(jù)處理子程序：根據(jù)設(shè)定值換算出調(diào)整值，寫(xiě)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；（4）將調(diào)整值送入D/A；

進(jìn)行A/D采樣；對(duì)設(shè)定電壓進(jìn)行步進(jìn)及其顯示。3.2主程序的流程圖

主程序流程圖如下：

系統(tǒng)測(cè)試測(cè)試儀器序號(hào)名稱(chēng)、型號(hào)、規(guī)格數(shù)量備注1調(diào)壓器12直流穩(wěn)壓電源43雙蹤示波器14耦合變壓器15高精度數(shù)字萬(wàn)用表1測(cè)試電路如圖：4.2測(cè)試方法：將直流電源連接電子負(fù)載，通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置恒壓、恒流模式,以及設(shè)置恒定值，穩(wěn)壓電源提供不同的端電壓，分別測(cè)量測(cè)試點(diǎn)處電壓、電流，記錄測(cè)量值和調(diào)整時(shí)間，計(jì)算測(cè)量值與預(yù)定值相對(duì)誤差并作出誤差分析。測(cè)試結(jié)果分析對(duì)電路恒壓模式的檢測(cè)：當(dāng)檢測(cè)恒壓模式電路時(shí)，首先應(yīng)該控制單片機(jī)使得恒定值為要求的最低值，即5V，每次步進(jìn)0.1V，直到10V。此時(shí)，外部電源電壓要小。在測(cè)試恒壓的同時(shí)，要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。記錄端口實(shí)際輸出值和A/D采樣返回并顯示在液晶上面的顯示值。數(shù)據(jù)如下表：測(cè)試條件萬(wàn)用表電壓萬(wàn)用表電流電子負(fù)載電壓電子負(fù)載電流5V0.1A4.99V0.99V5.03V0.101A5V1A5.01V1.002A5V1.00A10V0.1A9.99V0.101A10.01V0.098A10V1A9.99V1.001A10.00V1.005A15V0.1A15.02V0.099A15.01V0.095A15V1A15.01V1.001A15.00V0.992A對(duì)電路恒流模式的檢測(cè)：當(dāng)檢測(cè)恒流模式電路時(shí)，首先應(yīng)該控制單片機(jī)使得恒定值為要求最低值，即0.1A，并且每次按鍵步進(jìn)0.1A,最終達(dá)到2A。測(cè)試恒壓的同時(shí)，要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。每個(gè)取樣值中，記錄端口實(shí)際輸出值和A/D采樣返回并顯示在液晶上面的顯示值。數(shù)據(jù)如下表：測(cè)試條件萬(wàn)用表電壓萬(wàn)用表電流電子負(fù)載電壓電子負(fù)載電流0.1A5V4.94V0.105A4.94V0.098A0.1A15V14.83V0.105A15.05V0.098A0.5A5V4.96V0.499A4.93V0.498A0.5A15V14.98V0.501A15.07V0.498A1A5V5.01V1.002A5.03V1.002A1A15V15.01V1.000A15.19V1.002A經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)在恒壓、恒流模式下工作時(shí)，誤差、精度均符合要求，反應(yīng)迅速，達(dá)到預(yù)期結(jié)果。設(shè)計(jì)總結(jié)我們?cè)谡麄€(gè)設(shè)計(jì)制作過(guò)程中，始終關(guān)注系統(tǒng)的性能指標(biāo)和運(yùn)行的穩(wěn)定性，本著穩(wěn)定性和精確性并重的原則，我們采取了諸多的有效措施，完成了設(shè)計(jì)題目所規(guī)定的部分指標(biāo)和要求，達(dá)到基本的性能指標(biāo)，而且對(duì)于有些指