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直流电子负载的设计（c题）摘 要：本系统设计的直流电子负载，以单片机msp430g2553为主控芯片，包括单片机控制模块、键盘及lcd显示的人机交互模块、da转换模块、ad转换模块、恒流源电路和过压保护过流保护模块。该系统利用取样和采集电路获取流经电子负载的电流和电压值，送入单片机外部的a/d转换器ads1115，并经过运算处理控制d/a输出，控制moseft漏极电流，从而使直流电子负载达到设定功能。本设计着重阐述了系统框架、工作原理、软硬件设计，并给出了系统测试表。测试结果表明，该系统具有稳定性强、调节速度快的特点，很好的满足了提出的性能指标。 关键词：电子负载；控制功率；恒流；单片机msp430g2553；ads1115。引 言电子负载是一种能以手控或程控方式吸收电能的仪器，起到可变电流吸收器、可变电源电阻器或分路电压调节器作用，当它吸收可变电流时将维持某一固定电压。系统主要工作于恒压、恒流和恒阻三种工作模式，可用于交直流的电源的测试，本次设计主要实现恒流电子负载。现有的电子负载大多以模拟环节控制，单片机为核心控制系统，由于受到处理器自身硬件资源和速度的限制，硬件电路设计复杂，数据实时处理能力差，调节和控制的适应性和可靠性差，难以适应不同电源的具体情况。随着计算机技术尤其是超大规模集成电路技术的发展，具有更强处理能力的单片机，以其运算速度快、实时性强、功耗低、抗干扰能力强等特点愈来愈多地被应用，采用集成adc模数转换器的单片机芯片作为整个系统的核心控制单元，大大减少了系统对外围器件的需求。 一.系统设计1.1总体设计方案1.1.1设计思路题目要求设计一个恒流电子负载，恒流（cc）工作模式的电流设置范围为100ma1000ma ，设置分辨力为10ma，设置精度为1%。还要求cc工作模式具有开路设置，相当于设置的电流值为零。设计中切换部分采用程控键盘切换，根据设计要求，此电路中的反馈网络以场效应管为核心。控制部分采用单片机来完成，显示采用液晶模块。msp430g2553单片机4*4键盘12864液晶显示tvl5616d/a恒 流电 路功率器件ads1115a/d电流 / 电压采 样采 样电 阻过 流保 护通 断过 压保 护负载通 断被 测电 源设 备图1-1 直流电子负载系统实现框图该系统实现框图如上图1-1所示，包括单片机控制模块、键盘及lcd显示的人机交互模块、da转换模块、ad转换模块、恒流源电路和过流过压保护模块。图1-1中的待测电源是直流电子负载的待测电源，不属于直流电子负载的系统组成。1.1.2方案论证与比较方案一：采用开关电源的恒流源采用开关电源的恒流源电路如图 8.22 所示。当电源电压降低或负载电阻rl 降低时，采样电阻rs 上的电压也将减少，则sg3524 的12、13 管脚输出方波的占空比增大，从而bg1 导通时间变长，使电压u0回升到原来的稳定值。bg1 关断后，储能元件l1、e2、e3、e4 保证负载上的电压不变。当输入电源电压增大或负载电阻值增大引起u0 增大时，原理与前类似，电路通过反馈系统使u0 下降到原来的稳定值，从而达到稳定负载电流il 的目的。优点：开关电源的功率器件工作在开关状态，功率损耗小，效率高。与之相配套的散热器体积大大减小，同时脉冲变压器体积比工频变压器小了很多。因此采用开关电源的恒流源具有效率高、体积小、重量轻等优点。缺点：开关电源的控制电路结构复杂，输出纹波较大，在有限的时间内实现比较困难。方案二： 采用集成稳压器构成的开关恒流源系统电路构成如图 8.23 所示。mc7805 为三端固定式集成稳压器，调节w r ，可以改变电流的大小，其输出电流为： l out w q i = (u / r ) + i，式中q i 为mc7805 的静态电流，小于10ma。当w r 较小即输出电流较大时，可以忽略q i ，当负载电阻l r 变化时，mc7805 改变自身压差来维持通过负载的电流不变。优点：该方案结构简单，可靠性高缺点：无法实现数控。方案三： 单片机控制电流源该方案恒流源电路由n沟道的mosfet、高精度运算放大器、采样电阻等组成，其电路原理图如图 8.24所示。利用功率mosfet 的恒流特性，再加上电流反馈电路，使得该电路的精度很高。该电流源电路可以结合单片机构成数控电流源。通过键盘预置电流值，单片机输出相应的数字信号给d/a 转换器，d/a 转换器输出的模拟信号送到运算放大器，控制主电路电流大小。实际输出的电流再通过采样电阻采样变成电压信号，a/d 转换后将信号反馈到单片机中。单片机将反馈信号与预置值比较，根据两者间的差值调整输出信号大小。这样就形成了反馈调节，提高输出电流的精度。本方案可实现题目要求，当负载在一定范围内变化时具有良好的稳定性，而且精度较高。基于上述方案比较和题目的要求，采用了方案三。1.主控器模块的设计方案与选择主控器负责控制与协调其他各个模块工作，并进行简单的数字信号处理。在整个电子负载系统中，主控器是系统的控制中心，其工作效率的高低关系到系统效率的高低以及系统运行的稳定性。方案一：采用atmel 公司的at89c51。51单片机价格便宜，应用广泛，使用at89c51需外接两路ad转换电路，实现较为复杂。方案二：采用ti公司的单片机msp430g2553。msp430g2553具有超低功耗，强大的处理能力，高性能模拟技术及丰富的片上外围模块，系统工作稳定，开发环境方便高效。 选择方案二以单片机msp430g2553为核心，组成单片机最小系统。2.键盘模块的设计方案与选择方案一：采用矩阵式键盘。将键盘排列成矩阵形式，需要通过软件对按键进行判断和定义，且接口电路由单片机系统直接访问和控制，键盘的扫描、去抖动、判断和编码等操作由单片机完成。 方案二：采用专用的按键扫描控制芯片。能够独立的完成对键盘中按键的扫描与管理，并且通过简单接口与微控制器进行连接。使用按键扫描控制芯片来完成微控制器的键盘管理，可以大大的提高微控制器的工作效率，但价格较高，占用空间较大。在本直流电子负载中，采用方案一。3.显示模块的设计方案与选择方案一：采用数码管显示。数码管具有接线简单，成本低廉，配置简单灵活，编程容易，对外界环境要求较低，易于维护等特点。但是，考虑到普通数码管能够显示的信息量有限，并且一般情况下要显示较多的信息所占用的系统i/o资源较多。方案二：考虑到本系统中显示的内容以及系统的实用性，采用液晶显示（lcd）。液晶显示具有功耗低、体积小、质量轻、无辐射危害、平面直角显示以及影响稳定不闪烁、画面效果好、分辨率高、抗干扰能力强等优点。点阵式lcd不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线及汉字，并且可以实现屏幕上下左右滚动、动画、闪烁、文本特征显示等功能。选择方案二，本系统采用lcd型号为ym12864r。4.信号处理电路的设计方案与选择本系统设计信号处理包括滤波、a/d转换、d/a转换和运算放大器对信号的放大。a/d转换由ti公司提供的芯片ads1115提供，低通滤波就是用简单的电容并联来实现，提出方案:（1）d/a转换电路方案一：采用dac0809。dac0809是并行8位数/模转换器，占用端口多，转换频率低于1m。方案二：采用tlc5616。tlc5616是串行12位数/模转换器，占用端口少，转换频率高。两者相比tlc5615的速度快，故选择方案二。（2）a/d转换电路方案一：采用msp430g2553内部的a/d转换器。lanchpad内部的转换器是10位串行模/数转换器方案二：采用ti公司提供的ads1115。ads1115是串行16位数/模转换器，转换精度高。两者相比ads1115的精度更容易达到标准，故选择方案二。（3）信号放大电路 方案一：采用lm358。lm358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。方案二：采用op07。op07是一种低噪声，非斩波稳压的双极性运算放大器，价格比较贵，使用于高增益的测量和放大传感器的微弱等方面。可作为一种双极晶体管和小信号数字化的mosfet取代低电压应用。op07在高增益和高功率上比lm358占优势，故选择方案二。1.1.3系统组成根据方案比较与论证，最终确定的系统组成框图如图1-2所示。包括msp430g2553单片机系统模块、4*4键盘模块、lcd液晶显示模块、tlc5616 d/a转换模块、ads1115 a/d转换模块和op07与irfp640组成电路模块。4*4键盘模块12864液晶显示msp430g2553单片机tvl5616d/aads1115a/dop07和irfp640组成电路图1-2 系统的总体结构框图二.硬件电路设计2.1主控电路的设计主控电路msp430g2553组成的单片机最小系统构成。主控电路原理图如图2-1所示。图2-1 主控电路原理图2.2键盘电路的设计键盘电路采用4*4矩阵式键盘。键盘电路的原理图如图2-2所示。图2-2 4*4矩阵式键盘电路原理图2.3恒流电路的设计本设计对单片机程控输出数字信号，经过d/a转换器输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。在通过键盘设定好需要输出电流值后，单片机对设定值按照一定的算法进行处理。经d/a输出电压控制恒流源电路输出相应的电流值。单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/电压转变后，通过a/d转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，再经单片机分析处理，通过数据形式的反馈环节，使电流更加稳定，恒流电子负载电路图如图2-3所示。图2-3 恒流电子负载电路2.4 a/d转换器ads1115和d/a转换器tlv5616的设计根据题目要求，数控直流恒流源的精度为1ma，所以至少需要11位的a/d转换器和d/a转换器,：ads1115原理图如图2-4：图2-4 ads1115连接电路ads1115是具有16位分辨率的高精度模数转换器，ads1115具有一个板上基准和振荡器数据通过一个i2c兼容型串口进行传输，ads1115能够以高达每秒860个采样数据的速率执行转换操作。tlv5616原理图如图2-5：图2-5 tlv5616连接电路tlv5616是一个12位电压输出数模转换器（dac），带有灵活的4线串行接口，可以无缝连接tms320、spi、qspi和microwire串行口。数字电源和模拟电源分别供电，电压范围2.75.5v。输出缓冲是2倍增益rail-to-rail输出放大器，输出放大器是ab类以提高稳定性和减少建立时间。rail-to-rail输出和关电方式非常适宜单电源、电池供电应用。通过控制字可以优化建立时间和功耗比。精度分析：设d/a转换器的参考电压为 ，键盘输入数字量为d，d/a转换输出的模拟电压 = 。选择参考电压 =2.048v，采样电阻 1。当输入数字量加1，模拟增加量v= v=0.61mv则输出电流变化=0.5ma 即d/a转换器数字输入量每增加数值1，恒流源输出电流增加0.5ma。因此为实现步进功能，每按一次步进+键，单片机送给d/a转换器的输入数字 量d加2，从而输出电流加1ma，实现了电流步进1ma的要求。步进减1ma同理。当键盘设置输出电流大小为i时，单片机送给d/a转换器的数字量为 2i，使得电流源电路输出电流为i。然而这只是理想情况，实际电路由于种种原因，实际输出电流不会完全等于理论计算值，此时电流反馈控制起了关键作用。 单片机通过分析a/d转换的数值，得到电路实际输出的电流大小，对d/a转换器的给定数字量进行调整，使得输出电流大小更精确。三.软件设计3.1软件设计主流程图流程图如图3-1所示。 图3-1 系统软件主流程图3.2恒流电路流程图流程图如图3-2所示。图3-2 恒流电路流程图四.设计实现4.1过载保护电路4.1.1过流保护由于场效管的开断受单片机对tlv5616的输出影响，在单片机复位以及程序出现错误跑飞时，单片机输出口会出线全高电平，从而使场效管全开，被测试电源出现断路情况，这对那些带负载能力低的电源是不允许出现的。所以有必要设计过流保护电路，限定tlv5616输出控制电压的最高上限，该系统采用将康铜丝接在整流输入地和负载地之间的方法来实现过流保护，而康铜电阻应越小越好，这样会使两个地之间的电压很小。但是如果太小由于干扰问题会造成过流保护的误判，并且对于后级运放的要求比较高，经过实验论证结果得：选择1欧姆的电阻效果比较好。此外康铜丝在本系统中起测试负载电流的作用。图3-2 过流保护外电路4.1.2过压保护直流开关电源中开关稳压器的过电压保护包括输入过电压保护和输出过电压保护.如果开关稳压器所使用的未稳压直流电源(诸如蓄电池和整流器)的电压如果过高,将导致开关稳压器不能正常工作,甚至损坏内部器件,因此开关电源中有必要使用输入过电压保护电路.图 3 为用晶体管和继电器所组成的保护电路,在该电路中,当输入直流电源的电压高于稳压二极管的击穿电压值时,稳压管击穿,有电流流过电阻 r ,使晶体管 t 导通,继电器动作,常闭接点断开,切断输入.输入电源的极性保护电路可以跟输入过电压保护结合在一起,构成极性保护鉴别与过电压保护电路. 图3-2 过压保护外电路4.1.3短路保护该系统采用当电源的输出短路时, 则电源应该限制其输出电流或关闭其输出,以避免损坏。短路保护测试是验证当输出短路时, 电源能否正确反应。电子负载可采用短路测试键来模拟短路负载,可以直接测量其短路时的输出电压及电流。4.2抗干扰措施在该系统中存在自激等干扰，导致信号测量结果不稳定，所以必须要有抗干扰措施。本设计中采用大功率电路用粗导线连接，其余电路用细导线连接，基本派车了干扰对本系统的影响。5.系统测试系统采用多路直流稳压电源gps-3303c和高精度万用表进行测试。测试恒流和恒压模式下系统工作是否正常。恒流模式的测试通过键盘设置恒定值和稳压电源提供不同的端电压，测得测试点电流数据如表5-1所示。表5-1 恒流模式下测试数据表置预流电测实压电端1v3v5v10v12v15v18v100ma0.98a0.99a0.97a1.01a1.02a1.01a1.0