程控直流电子负载设计

1、本科生毕业设计（论文）摘要电子负载的原理是控制内功率 MOSFET 或晶体管的导通量， 靠功率管的耗散 功率消耗电能的设备，它的基本工作方式有恒压、恒流、恒阻、恒功率这几种。本设计从直流电子负载系统方案分析入手，详细讨论了整个系统的硬件电路 和软件实现，并给出较为合理的解决方案。为便于控制的实现和功能的扩展，采 用了 STC89C52 单片机作为核心控制器，设计了 DA 输出控制电路、 AD 电压电 流检测电路、键盘电路、显示电路和驱动电路，通过软、硬件的协调配合，实现 了整个设计。通过运放、 PI 调节器及负反馈控制环路来控制 MOSFET 的栅极电 压，从而达到其内阻变化。 这个控制环路是

2、整个电路的核心实质， MOS 管在这里 既作为电流的控制器件同时也作为被测电源的负载。控制 MOS 管的导通量，其 内阻发生相应的变化，从而达到流过该电子负载的电流等恒定，从而实现四种工 作模式。本设计能实现电子负载的恒流控制：能够检测被测电源的电流、电压及功率 并由液晶显示。 在额定使用环境下 ,恒流方式时不论输入电压如何变化 （在一定范 围内），电子负载将根据设定值来吸收电流，流过该电子负载的电流恒定。关键词 ：电子负载； 恒流模式； PI 调节； 单片机控制本科生毕业设计（论文）AbstractThe principle of electronic load is within the

3、control of the power MOSFET or transistor conduction flux, the power dissipated by the power tube power consumption of the device, and its basic operating mode and constant voltage, constant current, constant resistance, constant power these types.The design of system solutions from a DC electronic

4、load analysis, a detailed discussion of the entire system hardware and software, and gives a more reasonable solution. In order to facilitate the implementation and control of the expansion, using STC89C52 microcontroller as the core controller designed DA output control circuit, AD voltage and curr

5、ent detection circuit, keyboard circuit, display circuit and driver circuit, through software and hardware coordination to achieve the entire design. By the op amp, PI regulators and negative feedback control loop to control the MOSFET gate voltage, so as to change its resistance. This control loop

6、is the core substance of the circuit, MOS tube here both as a current control device also serves as the power supply under test load. Control MOS transistor conduction flux, its resistance changes accordingly, so as to flow through the electronic load current is constant, to achieve constant current

7、 mode.This design can achieve constant current electronic load control: the ability to detect the measured supply current, voltage and power by the LCD. The rated usage environment, the constant current mode regardless of the input voltage changes (in a certain range), the electronic load to absorb

8、the current according to the set value, the flow through the constant current electronic load.Key words: electronic load; constant-current pattern; PI regulator; SCM controlII本科生毕业设计（论文）目录第 1 章 绪论 11.1 课题背景与意义 11.2 直流电子负载的应用现状 11.3 直流电子负载发展现状 21.4 系统设计要求 3第 2 章 方案论证 52.1 电子负载的工作原理 52.2 总体设计方案论证 62.3

9、 器件选型 72.3.1 单片机的选择 72.3.2 液晶显示模块 82.3.3 D/A 转换模块 92.3.4 采样模块 102.3.5 键盘模块 112.3.6 电源电路模块 112.4 软件设计方案 12第 3 章 硬件系统设计 133.1 单片机最小系统设计 133.2 显示电路设计 133.3 键盘电路设计 143.4 D/A 转换电路设计 163.5 采样电路设计 173.5.1 电流采样电路 183.5.2 电压采样电路 183.6 电源电路设计 20第 4 章 软件系统设计 234.1 PID 调节原理 234.1.1 PID参数设置 244.1.2 PID设定值的调整 244

10、.2 软件介绍 26III本科生毕业设计（论文）4.3 主程序流程图 264.4 电压电流采样流程图 274.5 显示子程序流程图 284.6 D/A 转换程序流程图 294.7 按键子程序流程图 30第 5 章 系统调试 325.1 硬件调试 325.2 软件调试 335.3 软硬件综合调试 33第 6 章 总结 35参考文献 36致谢 37附录 I 38附录 II 39附录 III 46IV本科生毕业设计（论文）第 1 章 绪论1.1 课题背景与意义在人们生活的多个领域都要用到负载测试，如充电电源试验、蓄电池放电试 验以及购买电池、电源时等都需要负载测试。当前，国内外对上述产品的试验一 般

11、都采用传统的静态负载 （如电阻、电阻箱、滑线变阻器等 ）能耗放电的办法进行。随着电力电子技术的、计算机技术和自动控制技术的迅速发展，为电源检测 技术带来了革命性的变化。 由于铁道电气化供电、电气牵引、信号控制 、无线通 信、计算机指挥调度中心及家庭日常生活等应用领域都在大量应用各种各样的电 源，因此人们对电子负载的需求越来越多，对其性能要求也越来越高。而传统的 电源检测技术面临着极大的挑战。为准确检测电源的可靠性和带载能力，因此把 电力电子技术和微机控制技术有机地结合起来，实现电源的可靠检测。在电子技术应用领域，经常要对开关电源、线性电源、变压器、整流器、电 池、充电器等电子设备进行测试， 怎

12、么对其输出特性进行可靠、 全面的比较简单、 快捷的测试，一直是仪表测试行业研究的问题。传统的测试方法中一般都采用电 阻、滑线变阻器、电阻箱等充当测试负载，但这些负载不能满足我们对负载多方 面的要求，如：恒定电流的负载；带输出接口的负载；随意调节的负载、恒功率 的负载、动态负载；多输出端口的负载等。而现在新型多功能电子负载，可为测 试电源提供多种模拟负载，实际应用中对负载特性的要求进行设置，满足了我们 对负载的各种要求，解决了开发研制测试中的困难。可编程电子负载是用来测试 电源的电子设备（相当于一个真实负载） ，其可以模拟真实环境中的负载 （用电器 ）， 一般对电源要求比较严格的厂家都会用电子负

13、载来检测电源的好坏。它有好多功 能，可以调节负载大小，以及短路，过流，动态等等，应该说所有的电源厂家都 必须有。所以通过对电子负载的实际应用价值及应用领域分析，对直流电子负载 的研制意义非常大。1.2 直流电子负载的应用现状市面常见的直流电子负载除美国安捷伦、 NHR、AMETEK ；德国的 H&H ； 日本的菊水公司；韩国的 UNICORN 公司占较大的市场份额外，国内厂家如山东 艾诺，北京大华无线电仪器厂，南京亚锐，杭州威博科技，台湾的 CHROMA 和本科生毕业设计（论文）搏计等企业产品的应用量也占了相当大的份额。 过去的 2011年是我国高功率可程 控直流电子负载仪行业发展过程中非常关

14、键的一年，是我国高功率可程控直流电 子负载仪行业 “十二五 ”规划的开始年，影响行业发展的新政策、新法规都将陆续 出台。转变经济增长方式，严格的节能减排对高功率可程控直流电子负载仪行业 的发展产生了深刻的影响，另外还有来自同伙膨胀、人民币升值、人力资源成本 上升等因素的影响；企业内部，产业链各环节竞争、技术工艺升级、出口市场逐 步萎缩、产品销售市场日益复杂等问题，都是我国直流电子负载领域所必须面对 和亟待解决的。随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的迅速发展，电源检测技术 发生了革命性的变化、由于铁道电气化供电、电器牵引、信号控制、无线通信、 计算机指挥调度中心及家庭日常生活等应用领域都

15、在大量应用各种各样的电源， 因此人们对电子负载的需求越来越多，对其性能要求也越来越高。负载检测是电 源、通信、蓄电池能源等领域的重要环节、 传统的测试电源负载常将电阻、电感、 电容进行串并联组合来模拟实际负载情况，这种方法的缺点是负载形式单一，负 载大小不能进行连续调节，且占用较大的安装控件，电能损耗量大。而直流电子 负载利用功率场效应管、绝缘栅极晶体管等功率半导体电子元件吸收电能并将电 能消耗掉，实现了负载数可调的功能，并具有很高的精度和稳定性，在测试电源 设备方面得到了广泛的应用。由于直流电子负载具有优良的负精度、负载稳定性和调节控制的方便性，以 及强大的测量和分析控制功能， 广泛的应用于

16、电源类产品和功率电子元件的试验、 测试、鉴定、老化等环节。主要应用领域有：各类直流电源供应器行业；各类电 池、蓄电池行业；电池充电器、手机电器充电器行业； MOS 管、IGBT 、电容器、 PFC 模块、整流器等功率电子元器件行业。1.3 直流电子负载发展现状近几年来，随着这些产品向多样化和复杂化发展，如何科学和快速的检测其 性能和指标成了一大难题。由于电阻和电阻箱等负载采用有级调节，有固定阻值 或固定负载特性曲线，负载形式单一，功率小。而实际负载形式比较复杂，通常 都是动态的，及负载随时间、频率在不断地变化，传统的静态负载越来越不能满 足电源测试的需求。因此，国内外学者都在寻求可以替代的负载

17、形式，产生了由 电阻、电感、电容、晶体管和集成电路组成的电子负载。将电力电子技术和微机 技术引入负载装置，不但可以实现传统静态负载的基本功能，又可以在不改动硬 件情况下升级软件，从而实现以下功能：本科生毕业设计（论文）（1）预定（电流、电压、电阻）值。如要以 5A 电流给电池横流放电，可以 先将 5A 电流预先输给电子负载， 然后再把电源接上， 电子负载将以 5A 的电流给 电池放电。（2）多台电子负载在一起工作时， 可只用其中一台显示面板。 当几十台或几 百台电子负载尊称一组测试系统时，采用这种方法可以大大减少成本。（3）同步功能： 多台负载一起工作并要求所有工作参数一样时， 可以采用同 步

18、功能，不必每台机都设定参数。（4）参数保存功能： 当电子负载用于生产线时， 可以为产品设定一组数据并 保存下来，当下次再生产这个产品时只需要调出来使用就可以了，而不用从新设 计参数。（5）曲线参数设定： 很多时候需要对充电器或是电源产品等做在不同情况下 的电压变化，或是在不同电压情况下的电流变化，此功能可以让设备在测试时按 指定的参数自动控制输入信号。（6）数据保存功能： 对于小量数据可以直接保存于单片机上， 数据量较大的 将通过串口把数据传到海量的计算机硬盘上。（7）大容量并机。 另外，现阶段电子负载还可以通过在程序里调用不同的控制策略来模拟电源 的各种测试需要。电子负载具有以下优点：（1）

19、体积小、重量轻。由于电子负载系统没有把试验的功率变成热量，因 此不必使用体积庞大的电阻箱及冷却设备，因此节约了安装空间。（2）能馈式电子负载可以将设备的输出能量大部分无污染的反馈回电网， 节约了能量，也不必因冷却装置而增加设备的费用。由于电子负载所具有的性能特点和优点，电子负载被越来越多的应用到各种 实验场合。1.4 系统设计要求电子负载用于测试直流稳压电源、蓄电池等电源的性能。设计的电子负载具 有恒流、恒压、恒阻和恒功率四种模式。具体技术指标如下：恒流设定值范围： 0-10ADC ；恒压设定值范围： 0-24VDC ；恒阻设定值范围： 0.1-100；恒功率设定值范围： 0-200W ；电流

20、检测精度： 0.1A；电压检测精度： 0.1V ；电压显示精度： 0.1V；功率显示精度： 0.1W。四种工作模式公用一个基准电压 12V，并且通过开关实现四种模式的转换， 用本科生毕业设计（论文）A/D 转换器把电路中的电压电流的模拟信号转换为数字信号，然后通过单片机来 程控从而充值电压电流， 用数液晶显示同时呈现即时电压、 电流、电子及电功率本科生毕业设计（论文）第 2 章 方案论证2.1 电子负载的工作原理电子负载用于测试直流稳压电源、蓄电池等电源的性能。电子负载的原理是 控制内功率 MOSFET 或晶体管的导通量（占空比） ，靠功率管的耗散功率消耗电 能的设备，它能够准确检测出负载电压

21、 ,精确调整负载电流 ,同时可以实现模拟负载 短路,模拟负载是感性阻性和容性 ,容性负载电流上升时间。 它的基本工作方式有恒 压、恒流、恒阻、恒功率这几种。（1）恒定电流方式在定电流模式中 ,在额定使用环境下 , 不论输入电压大小如何变化 , 电子负载 将根据设定值来吸收电流。若被测电压在 1 10V变化，设定电流为 20A ，则当调节被测电压值时，负载 上的电流值应维持在 20A不变 , 而此时负载值是可变的。定电流模式能用于测试电 压源及AD/ DC 电源的负载调整率。负载调整率是电源在负载变动情况下能够提供 稳定的输出电压的能力 , 是电源输出电压偏差率的百分比。（2）恒定电阻方式 此种

22、状态下，负载如纯电阻，吸收与电压成线性正比的电流。此方式适用于 测试电压源，电流源的启动与限流特性。在定电阻模式中 , 电子负载将吸收与输入电压成线性的负载电流。 若负载设定 为1 k 当输入电压在 110 V 变化时, 电流变化则为 10100 mA 。（3）恒定电压方式 在定电压方式下，电子负载将吸收足够的电流来控制电压达到设计值。定电 压模式能被使用于测试电源的限流特性。另外 , 负载可以模拟电池的端电压 , 故也 可以使用于测试电池充电器。（4）恒定功率方式 在定功率工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定的功率大小而 定，此时负载电流与输入电压的乘积等于负载功率设定值，即负载功

23、率保持设定 值不变。本次设计的电子负载实现了在恒流模式下一定范围内的正常工作， PI 调节器 的基准电压由单片机 D/A 转换输出。用 A/D 转换器与单片机连接把电路中电压电 流的模拟信号转换为数字信号，然后用液晶显示方式显示出即时的电压电流。本科生毕业设计（论文）2.2 总体设计方案论证经过对系统设计要求的分析，得出以下方案：如图 2.1 所示，采用了单片机作为核心控制器，设计了 A/D 电压电流检测电 路、键盘电路、液晶显示电路和驱动电路， ATmegal6 单片机为核心处理器。 键盘、 串口通讯和 LCD 实现人机交互， MOS 管电路为电子负载主电路。单片机输出一 定占空比的 PWM

24、 控制信号，控制功率电路 MOS 管的导通和关断时间，来获得 实际所需的工作电流、电压。电路中的检测电路为电压、电流负反馈回路，通过 A/D 采集到单片机，与预置值进行比较，作为单片机进一步调节 PWM 占空比的 依据。图 2.1 方案一系统框图为便于控制的实现和功能的扩展，如图 2.2 所示为新型电子负载设计系统模 块框图。采用了 STC89C52 单片机作为核心控制器，设计了 D/A 输出控制电路、 A/D 电压电流检测电路、键盘电路、液晶显示电路和驱动电路，通过软、硬件的 协调配合，实现了整个设计。通过运放、负反馈控制环路，是整个电路的核心实 质，来控制 MOSFET 的栅极电压，从而达

25、到其内阻变化。 MOS 管在这里既作为 电流的控制器件同时也作为被测电源的负载，通过控制 MOS 管的导通量，从而 达到流过该电子负载的电流恒定，实现恒流恒压工作模式。本科生毕业设计（论文）图 2.2 方案二系统框图经过比较，方案一通过单片机输出一定占空比的 PWM 控制信号，控制 MOS 管的导通和关断时间，来获得实际所需的工作电流、电压。这对于占空比的细调 节不易控制，误差较大。 方案二采用通过软、 硬件的协调配合， 实现了整个设计。 通过运放、 PI 调节器及负反馈控制环路，能够较精确的控制 MOS 管的导通量， 实现无静差的调节。故整个设计采用方案二。本次课程设计包括的前向通道包括：

26、有采样电路、 A/D 转换电路、键盘电路； 后向通道包括： D/A 转换电路、 PI 调节，显示电路等。2.3 器件选型电子负载系统由软、硬件共同组成。考虑到价格、工作速度、开发成本和可 靠性等因素，合理地分配了硬件和软件资源，对于某些既可用硬件实现，又可用 软件实现的功能，在进行设计时，充分考虑了硬件和软件的特点，高效地分配其 资源，协调其功能。电子负载系统的硬件部分选型包括以下部分：2.3.1 单片机的选择 本系统是以单片机为控制核心进行设计的，单片机控制着系统所有信号的输 入、处理与输出，它将各个模块有机地联系起来组成一个整体。根据本次课程设 计的要求和对象，选择八位单片机即可，它具有内

27、部构造简单、体积小、价格低 廉、功能完善等优点。 八位单片机也是目前应用最广泛的单片机， 它的种类很多， AVR、51 系统、 PIC 都属于八位机。在这里采用 51 系列单片机进行设计，此类本科生毕业设计（论文）型的八位单片机推出比较早。它的优点是从内部的硬件到软件有一套完整的按位 操作系统，同时 I/O 引脚的设置和使用非常简单，使用起来得心应手。方案一：采用 ATMEL 公司的 AT89C51单片机。51单片机价格便宜， 应用广 泛，但实现较为复杂，所以编程不方便。方案二：采用 STC89C52单片机， STC89C52与 AT89C51 基本性能相同，单 STC89C52单片机 RAM

28、 较多，8K flash，可以和 keil 直接相连。本系统采用方案二 STC89C52单片机， STC89C52是 STC公司生产的一种低 功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。 STC89C52使用经典的 MCS-51 内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统 51单 片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash， 使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C52 实物图如图 2.3 所示。图 2.3 STC89C52 单片机实物图2.3.2 液晶显示模块 方案

29、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、对外界要求较低、易于维护等特点。电压和电流显示可以用数码管， 但数码管显示信息量有限，只等显示简单的数字，而且，其电路负载，占用系统 I/O 资源较多，显示信息少，不易显示大量信息。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。本次

30、设计中要测量实际的电压电流值， 采用的是 Nokia 5110 液晶显示模块可 以显示出电压电流等汉字，一面了然、外观比较好看。而且液晶显示功耗低、体 积小、质量轻、无辐射危害，与单片机连接较简单。另外 Nokia5110 液晶显示有以下特点：本科生毕业设计（论文）（1）性价比高，可以显示 15个汉字、 30 个字符，价格相对便宜；（2）接口简单，仅四根 I/O 线即可驱动；（3）速度快，是 LCD12864的 20倍，是 LCD1602的 40倍；（4）Nokia5110 工作电压 2.3V ，正常显示时工作电流 200uA 以下，具有掉 电模式，适合电池供电的便携式移动设备。Nokia51

31、10 实物图如图 2.4 所示。图 2.4 nokia5110 实物图2.3.3 D/A 转换模块方案一：采用 DAC0832，DAC0832 是8分辨率的 D/A 转换集成芯片。这个 DA 芯片以其接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的 应用。 D/A 转换器由 8位输入锁存器、 8位DAC 寄存器、8位D/A 转换电路及转 换控制电路构成。方案二：采用 TLC5615 数模转换器，TLC5615 D/A 采用的是串行数模转换器。 TLC5615 是一个串行 1O位DAC 芯片，性能比早期电流型输出的要好。 只需要通 过 3 根串行总线就可以完成 1O 位数据的串行输入，

32、易于和工业标准的微处理器 或微控制器 （单片机 ）接口，适用于电池供电的测试仪表，是具有串行接口的数模 转换器。本设计需要测出电压值、电流值，对设定值的精确度要求较高。所以采用 10 位 DAC 芯片，分辨率较高。同时模拟数字转换器 TLC5615 采用接口简单的，使 得硬件电路大为简化，线路板面积缩小，成本降低。所以本设计采用 TLC5615 数模转换器。TLC5615 为美国德州仪器公司 1999 年推出的产品， 是具有串行接口的数模 转换器，其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍。带有上电复位功 能，即把 DAC 寄存器复位至全零。性能比早期电流型输出的 DAC 要好。只需 要通

33、过 3 根串行总线就可以完成 10 位数据的串行输入， 易于和工业标准的微 处理器或微控制器 （单片机） 接口, 适用于电池供电的测试仪表、 移动电话 ,也适用 于数字失调与增益调整以及工业控制场合。本科生毕业设计（论文）TLC5615 实物图如图 2.5 所示。图 2.5 TLC5615 实物图2.3.4 采样模块 采样电路是检测和测量环节的重要技术手段，为了让负载准确工作在恒流方 式下，设计中对被测电源的输出电压和 MOS 管的电流进行实时采样。方案一：采用 8 位 A/D 转换器 ADC0809。ADC0809 是一种 8 路模拟输入的8位逐次逼近式 A/D 转换器，为 CMOS型单芯片

34、器件。 其作用可根据地址译码信 号来选择 8 路模拟输入而共用一个 A/D 转换器。但其占用端口多，转换频率低于1M。方案二：采用 10 位 A/D 转换器 TLC1549 系列具有串行控制、连续逐次逼近 型的模数转换器，它采用两个差分基准电压高阻输入和一个三态输出构成三线接 口。TLC1549 采用 CMOS 工艺。内部具有自动采样保持、 可按比例量程校准转换 范围、抗噪声干扰功能， 而且在设计时使在满刻度时总误差最大仅为 3.8 mV，因 此可广泛应用于模拟量和数字量的转换电路。两者相比， TLC1549 系列器件性能优良、速度快、功耗低、精度高、可靠性 好、接口简便，实用价值高,同时与

35、10位的 TLC5615 DA 输出基准电压精度相同， 不会导致电路精度降低，故选择方案二。TLC1549是10位模数转换器。它采用 CMOS工艺，具有内在的采样和保持， 采用差分基准电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，总不可调整 误差达到 1LSB Max （4.8mV）等特点。TLC1549 实物图如图 2.6 所示。10本科生毕业设计（论文）图 2.6 TLC1549 实物图2.3.5 键盘模块 方案一：采用非矩阵式键盘结构，非矩阵式键盘结构比较简单，使用方便， 适合于较少开关量的输入场合。每个按键需占用一根 I/O 口线， 在按键数量较 多时,I/O 口浪费大, 电路结构显

36、得复杂。并且此键盘是用于按键较少或操作速度 较高的场合。方案二：采用矩阵式键盘。矩阵式键盘适合于输入命令或者数据较多、功能 复杂的系统。采用矩阵式键盘结构可以最大限度地使用单片机的引脚资源，矩阵 式键盘适用于按键数量较多的场合 , 由行线和列线组成 , 按键位于行列的交叉点 上，节省 I/O 口，因此其应用十分广泛。2.3.6 电源电路模块本设计许愿用 TL431 输出 2.5V 电压作为输入基准源供 TLC5615 进行 D/A 转 换。HCPL 78XX 系列为 3 端正稳压电路内含过流、 过热和过载保护电路。 带 散热片时，输出电流可达 1A。具有过热保护 ;短路保护 ;输出晶体管 SO

37、A 保护。 虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。图 2.7 TL431 实物图11本科生毕业设计(论文)2.4 软件设计方案电子负载系统的控制程序，包括以下部分 :(l) 人机联系程序。包括按键信息输入程序和液晶显示输出程序等。(2) 数据采集和处理程序。主要是 D/A 转换程序、 A/D 转换程序、电压电流采 样程序。本制作的电子负载，主要实现其恒流工作模式，如图 1.2 所示为方案二系统 模块框图。电路的核心实质是一个电流取样 PI控制器负反馈控制环路， MOS 管 在这里既作为电流的控制器件同时也作为被测电源的负载。 PI 控制器控制 MOS 管的导通量变化与截止

38、， 从而达到保持电流恒定的目的。 控制部分采用 STC89C52 单片机来完成，设定值通过键盘输入送往单片机，再通过 D/A 输出电路产生基准 电压送往 PI 控制器与实际电压相比较，基准电压与实际电压相比较的偏差控制 MOS 管的导通量变化与截止，从而达到保持电流恒定的目的。用 A/D 转换器把 电路中的电压电流的模拟信号转换为数字信号，通过单片机来控制转化，然后用 液晶显示显示出即时的电压电流。12本科生毕业设计（论文）123第 3 章 硬件系统设计D3.1 单片机最小系统设计处理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

39、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。设计过程中用单片机作为主控制器。单片机系统主要由晶振电路和手动复位电路组成，设计如图 3.1 所示。晶体 采用的是 12MHZ 的晶振，按键 S17为手动复位按键，按住 10ms以上的时间单片 机就会自动的复位。S1 7R101K+C110VCCX TA L1R910KC APY1C3 C APX TA LC2P1 .01P1 .0 (T2 )A D0 /P0 .039P0 .0P1 .12P1 .1A D1 /P0 .138P0 .1P1 .23P1 .2A D2 /P0 .237P0 .2P1 .34P1 .3A D3 /P0 .3

40、36P0 .3P1 .45P1 .4A D4 /P0 .435P0 .4P1 .56P1 .5A D5 /P0 .534P0 .5P1 .67P1 .6A D6 /P0 .633P0 .6P1 .78P1 .7A D7 /P0 .732P0 .7A 8/ P2 .021P2 .0P3 .313P3 .3 (IN T1 )A 9/ P2 .122P2 .1P3 .212P3 .2 (IN T2 )A 10/P2 .223P2 .2A D1 1P/2 .324P2 .3A D1 2P/2 .425P2 .4p3 .515P3 .5A D1 3P/2 .526P2 .5p3 .414P3 .4A D

41、1 4P/2 .627P2 .6V CC31V PPA D1 5P/2 .728P2 .7X TAL1 19X TA L1X TAL2 18X TA L2V CC40V CCGND20G NDR STR ST(RX DP)3 .011(TX D)P3 .110P3 .717P3 .7 RDA LE30P3 .616P3 .6 W RPS EN29U1R ST图 3.1 晶振及复位电路如图所示，外部时钟方式是采用外部振荡器，外部振荡脉冲信号由单片机的 XTAL1 端接入后直接送至内部时钟发生器。 复位电路为按键电平式复位电路， 它 具有上电复位的功能，当加电平时电容 C 充电，电路有电流流过构成

42、回路，在电 阻 R上产生压降， RESET引脚为高电平，当电容 C 充满电后，电路相当于断开， RESET 的电位与地相同，复位结束。A3.2 显示电路设计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13本科生毕业设计（论文）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。本次设计中要测量实际的电压电流值， 采用的是 Nokia 5110 液晶显示模块可

43、以显示出电压电流等汉字，一面了然、外观比较好看。而且液晶显示功耗低、体 积小、质量轻、无辐射危害，与单片机连接较简单。Nokia 5110液晶显示特点：（1）性价比高，可以显示 15 个汉字、 30个字符，价格相对便宜；（2）接口简单，仅四根 I/O 线即可驱动；（3）速度快，是 LCD12864的 20倍，是 LCD1602 的40倍；（4）Nokia5110工作电压 2.3V，正常显示时工作电流 200uA 以下，具有掉电模 式，适合电池供电的便携式移动设备。如图 3.2所示为单片机与 LCD 通信过程。U1P1 .0 1P1 .12P1 .23P1 .34P1 .45P1 .56P1 .

44、67P1 .78P1 .0 (T2 )1 .11 .21 .31 .41 .51 .61 .7AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7/P0 .0/P0 .1/P0 .2/P0 .3/P0 .4/P0 .5/P0 .6/P0 .7A8/ P2 .0P3 .3P3 .21312.3 (IN T1 ).2 (IN T2 )A9/ P2 .1A10/P2 .2p3 .5p3 .415X TA L119X TA L1X TA L218X TA L2R STR STP3 .717P3 .7 R DP3 .616P3 .6 W R3 .53 .4 V PPV CC 3114AD1 1P/2 .3A

45、D1 2P/2 .4AD1 3P/2 .5AD1 4P/2 .6AD1 5P/2 .7V CCGND (RX DP)3 .0 (TX D)P3 .1A LEPSEN38P0.137P0.236P0.335P0.434P0.533P0.632P0.739 P0 .026P2 .527P2 .628P2 .7JP1示显晶40V CC20GND11103029图 3.2 单片机与 LCD 通信3.3 键盘电路设计矩阵式键盘适合于输入命令或者数据较多、功能复杂的系统。采用矩阵式键14p3.515P3 .5p3.414P3 .4XTA L1VCC 31V PPXTA L1 19X TA L1C2XTA

46、L2 18X TA L2C APY1RSTR STP3.7 17P3 .7 R DA D1 12P/2 .34245P2 .3445678A D13P/2 .526P2 .5V CCA D14P/2 .627P2 .6V CCA D15P/2 .728P2 .7GNDV CC40VCCGND20GND（RX DP）3 .0 11（TX本D）P科3 .1生毕1 0业设计（论文）A LE 30晶 液C3P3 .616 P3 .6 W RPSEN 29盘结构可以C最AP大限度地使用XTA单L2片机的引脚资源，矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合 , 由行线和列线组成 , 按键位于行列的交叉点上，节省

47、I/O 口，因此其应用 十分广泛。在系统设计中需要通过键盘中输入设定值，通过 D/A 转化输出实际值。所以 需要有 0-9 的数字键、小数点等等按键，按键较多。如图 3.3所示：本系统通过矩阵电路进行按键输入， 采用的是 4x4 矩阵键盘。1图 3.3 矩阵按键电路2电子负载系统中按键需要实现的功能有 :(l) 0-9 数字键：本设计中采用专用的数字输入按键，每次按下数字键一次， 送往单片机，按位输入的数据提取出来，转换为十进制数据。(2) 小数点键：本设计中精度要求较高，输入的设定值会有需要带小数点。 在第一位按键扫描后，每次按下小数点键，在按下确认键后与数字键一样通过液 晶显示显示出来。(

48、3) 自动调节启动停止按键 :该按键把电子负载功能划分为设置和调节两部分， 没有按下该按键时，默认为功能设置，此时单片机只预置数据输入、按键查询、 预置数据 LCD 显示等功能；而当按下该按键 1 次后，单片机将转为执行负载调节、 A/D 采集、实际数据 LCD 显示等功能。(4) 预置数据确定按键 :按下该按键后， 将取消其他键的功能， 并把按输入的数 据送往提取出来， 送往单片机， 之后转换为十进制数据， 通过液晶显示显示出来。(5) 复位清零键 :当输入有误时，按下该键可以清除显示屏。 按键采用逐行扫描法进行识别， 单片机逐行扫描各键， 先让每行输出低电平， 检测各列是否有低电平产生，如

49、果检测到列有低电平输出，说明有键按下，接着15本科生毕业设计（论文）让每行分别依次输出低电平， 其余行行输出高电平， 在检测每一列的低电平情况， 两次低电平的交叉处便是键按下的地方。343.4 D/A 转换电路设计本设计需要测出电压值、 电流值，对设定值的精确度要求较高。 所以采用 1O 位 DAC 芯片，分辨率较高。同时模拟数字转换器 TLC5615 采用接口简单的，使 得硬件电路大为简化，线路板面积缩小，成本降低。在电路设计中 VREF 2Vrefin N ；其中， Vrefin 为 TLC5615 的参考电压，取 10242-1)1.5V，N为输入设定值的二进制数。 VREF为到 PI调

50、节器与实际值相比较的基准电 压。如图 3.4 所示为 TLC5615 与反相器的连接图，见式（ 2-1）为 D/A 变换输出 通过一个反相器送到 PI 调节器的基准电压与输入给定电压的关系。VR EF 1024N 为输入设定值的二进制数）V REF图 3.4 TLC5615 与反相器的连接图如图 3.5 所示为 D/A 转换输出电路原理图。 D/A 变换输出采用 TLC5615 与单 片机连接设定值通过键盘输入送往单片机， 再通过 D/A 输出电路产生基准电压送 往 PI 控制器与实际电压相比较。图 3.6 为 TLC5615 的时序图。如图 3.6TLC5615 的时序图可以看出， 当片选

51、CS 为低电平时，输入数据 DIN 由时钟 SCLK 同步输入或输出，而且最高有效位在前， 低有效位在后。输入时 SCLK 的上升沿把串行输入数据 DIN 移入内部的 16 位移位寄存器， SCLK 的下降沿输 出串行数据 DOUT ，片选 CS 的上升沿把数据传送至 DAC 寄存器。16本科生毕业设计（论文）P1.01P1.0 (T2 )A D0 /P0.0P1.12P1.1A D1 /P0.1P1.23P1.2A D2 /P0.2P1.34P1.3A D3 /P0.3P1.45P1.4A D4 /P0.4P1.56P1.5A D5 /P0.5P1.67P1.6A D6 /P0.6P1.78

52、P1.7A D7 /P0.7A 8/ P2.0P3.313P3.3 (IN T1 )A 9/ P2.1P3.212P3.2 (IN T2 )A 10/P2.2A D1 1P/2.3A D1 2P/2.4p3.515P3.5A D1 3P/2.5p3.414P3.4A D1 4P/2.6V CC31VPPA D1 5P/2.7X TAL1 19XTA L1X TAL2 18XTA L2V CCGNDR STRST(RX DP)3.0(TX DP) 3.1P3 .717P3.7 R DA LEP3 .616P3.6 W RPSENU39P0 .0P1 .018V CC38P0 .137P0 .2P

53、1 .127V RE F36P0 .335P0 .4P1 .23TL C5 6156+2 .5 V34P0 .533P0 .6P1 .345G ND32P0 .72122232425262728402011103029图 3.5 D/A 转换电路图 3.6 TLC5615 时序图3.5 采样电路设计采用 10位 A/D 转换器 TLC1549 系列具有串行控制、连续逐次逼近型的模数234转换器，它采用两个差分基准电压高阻输入和一个三态输出构成三线接口。TLC1549 采用 CMOS 工艺。内部具有自动采样保持、 可按比例量程校准转换范围、 抗噪声干扰功能， 而且在设计时使在满刻度时总误差最大仅为 3.8 mV，因此可广 泛应用于模拟量和数字量的转换电路。TLC1549 系列器件性能优良、速度快、功耗低、精度高、可靠性好、接口简 便，实用价值高 ,同时与 10位的TLC5615 DA输出基准电压精度相同，不会导致 电路精度降低。17本科生毕业设计（论文）采样电路是检测和测量环节的重要技术手段，为了让负载准确工作在恒流方 式下，设计中对被测电源的输出电压和 MO