直流电子负载设计电赛获奖论文

1、目录目录 摘要.3 1、设计要求.4 1.1、任务.4 1.2、要求.4 2、方案论证与设计.4 2.1 整体方案设计.4 2.2 模块方案比较.6 2.2.1、功率控制方案选择. .6 2.2.2、反馈调节方案的选择 .6 3、电路设计.6 3.1 系统组成与理论计算.6 3.1.1 系统组成.6 3.1 .2 理论计算.6 3.2 模块电路.7 3.2.1 硬件电路设计.7 3.2.2 软件设计.8 4、测试结果及分析. .8 4.1、测试数据. .8 4.2、测试数据仿真.9 4.3、测试数据分析. .10 5、总结. .10 附录一原理图.12 附录二程序流程图.13 附录三部分源程序

2、.14 附录四电源原理图序.26 参考文献.27 直流电子负载设计直流电子负载设计 摘要摘要： 为了测试直流稳压电源、蓄电池等电子设备的性能，设计并制作了此电子负载。 该直流电子负载可以实现以下三种模式：恒流模式、恒压模式和恒阻模式，可以手动 切换。通过键盘将设定电压、电流、电阻值，利用 AD 的将实际端电压值、电流值、电 阻值采集并发送回单片机控制模块，通过软件反馈调节保持电路中的值不变，从而达 到恒流、恒压、恒阻的目的。通过 12864 液晶显示设定值和实际值。此次设计达到了 恒流、恒压、恒阻的要求，此次设计比较成功。 关键词关键词：电子负载 单片机 STM32 PID 反馈控制 DA 模

3、块 液晶显示 Abstract： In order to test DC regulated power supply, storage battery and other electronic equipment performance, we design and manufacture the electronic load. The DC electronic load can realize three kinds of modes: constant current mode, the mode of constant pressure and constant resistanc

4、e model, and it can be manually switch. Through the keyboard we can set voltage value, current value and resistance. will actual voltage value. Using AD part current value, it send the resistance acquisition concurrent back to the single-chip microcomputer control module. Through the software feedba

5、ck regulation in the circuit to keep the same value, so as to achieve constant current, constant voltage, the purpose of constant resistance. Through the 12864 liquid crystal display set value and actual value. The designed achieved the constant current, constant voltage and constant resistance requ

6、irements, and the design is successful. The keywords: electronic load, SCM STM32, closed-loop control ,DA module, liquid crystal display 1 . 设计要求设计要求 1.1、任务、任务 电子负载用于测试直流稳压电源、蓄电池等电源的性能。设计并制作一台电子负 载，有恒流和恒压两种方式，可手动切换。恒流方式时要求不论输入电压如何变化 （在一定的范围内），流过该电子负载的电流恒定，且电流值可设定。工作于恒压方 式时，电子负载端电压保持恒定，且可设定，流入电子负载的电流

7、随被测直流电源的 电压变化而变化。 1.2、要求、要求 a a基本要求基本要求 （1）负载工作模式：恒压（CV） 、恒流（CC）两种模式可选择 （2）电压设置及调节范围：1.00V-20.0V，相对误差小于 5%，调节时间小于 3S。 （3）电流设置及调节范围：100mA-2.00A，相对误差小于 5%，调节时间小于 3S。 b.b. 发挥部分发挥部分 （1）增加恒阻模式（CR） ，测量精度 5%； （2）扩大负载参数的设置及调节范围，以及精度； （3）具有自动过载保护报警设计。过载值可设。 2、设计方案设计方案 2.1 整体方案设计整体方案设计 方案一：基于手动调节的直流电子负载 基于手动调

8、节的直流电子负载的原理图（图 1）： 图 1 动调节的直流电子负载 本方案由于电路设计的问题，对电子负载恒流恒压的控制是依靠对电阻手动调节 来实现的。而单片机对电阻的调节的实现相对较为复杂，因此这里并没有采用单片机 为控制核心，只是将其应用于显示模块当中。该方案采用了诸多的精密器件（如精密 金属膜电阻）以获得足够高的精度，但却采用了手动调节的方式，显然是得不偿失。 而且高精度的器件的价格昂贵、数量稀少、不易采购。开环的控制方式不利于精度的 调节和操作的简化。电路中恒流恒压部分相对独立，技术含量较低且元器件的利用率 较低。同时，系统的扩展性较差也是其弊端。 方案二：基于单片机的恒压恒流电路分离的

9、电子负载 基于单片机的恒压恒流电路分离的电子负载原理图（图 2）如下： 图 2 基于单片机的恒压恒流电路分离的电子负载原理图 本方案采用了单片机控制整个系统，操作变得简单明了。但是电路中的恒压恒流部分 仍然相对独立，技术含量较低。两部分电路分别受单片机的控制。电路的输出有两个。 这为测量带来了不变。同时电路元件的利用率底下且电路本身规模庞大也是其弊端。 方案三：基于 STM32 的数控直流电子负载 基于单片机的数控直流电子负载的原理图如下图（图 3）所示。 图 3 基于 STM32 的数控直流电子负载 此方案控制核心采用 STM32 单片机。操作时只需通过开关恒压恒流恒阻模式进行 切换、通过键

10、盘调节恒压恒流恒阻的值、端口电压的采集及显示、恒压模式下电子负 载的接入与断开等核心功能。较好的解决了方案一因手动操作所引出的一系列弊端。 方案中所采用的元器件型号比较常见且价格适中，在元件运用方面远远优于上述方案。 此方案采用 12 位 A/D、D/A 芯片，精度的理论值已经优于了题目要求。电路中含有的 运算放大器具有很大的电源电压抑制化，可以大大减小输出端的纹波电压。单片机对 12864 显示屏的精确控制使得显示界面人性化。同时，本方案也将恒压电流与恒流电路 有机的结合在了一起，电路简洁，控制简易总而言之，智能化的可编程器件的充分使 用使得整个系统可编程、可扩展，系统的灵活性大大增加。 方

11、案三总体上远远优于上述方案一和方案二。所以最终选择方案三。 2.2 模块方案比较模块方案比较 2.2.1、功率控制方案选择、功率控制方案选择 方案一： 主电路采用两个主回路，即采用两个 MOS 管，一个作为恒压模式，一个作为恒流 模式和恒阻模式。两个回路，电路复杂，布线时困难很大。 方案二： 主电路采用一个主回路，采用一个 MOS 管，用开关控制电阻的通断，从而达到选 择恒压模式还是恒流、恒阻模式。电路简洁，布线容易。节约成本。 故采用方案二。 2.2.2、反馈调节方案的选择、反馈调节方案的选择 方案一： 通过使用跟随运放，用硬件反馈，调节电压电流、是电压保持恒定。存在寄生参 数，电路噪声干扰

12、很大。且调节时间较长 方案二： 通过单片机使用 PID 调节，将采样的数据利用 A/D 转换把模拟信号转换为数字信 号，在利用单片机程控来修改电压电流参数，从而使电压电流保持不变。此方案精确 度高，操作技术要求很高，节省时间。 故采用方案二。 3、电路设计电路设计 3.1 系统组成与理论计算系统组成与理论计算 3.1.1 系统组成系统组成 电源模块，其原理是通过二极管整流，将交变电流转化为直流，再通过大电容与 小电容的并联来实现滤波再通过各种稳压芯片，将电压稳定在+12V，-12V, +5V。分 别给运放，单片机供电。 主控制电路，它包括了标准信号输入，采样反馈电路，他可以实现将被控部稳定 在

13、我们所设定的值附近。主要原理就是通过信号采集，将信号反馈到单片机里，单片 机通过控制输出，从而来实现输出的稳定。其中最重要的就是运放的反馈与调节，首 先把单片机的新号放大，并且给 mos 管一个控制的电压，运放通过定点采样，把信息 同时回传，在回传的同时，接一个电压跟随器，增加了驱动能力。并把信号继续会传 到 AD/DA 芯片。 集成的 AD/DA 芯片，他的功能是单片机的信号转化成模拟量输出，并且可以将采 集回来的模拟量输入，转化成可与单片机通信的，数字量，它起到了，被控电路与与 单片机之间的桥梁作用。 3.1.2 理论计算理论计算 通过单片机的端口给 D/A 一个比较值 Vi，然后直接接到

14、运放的同相端，运放输出 为 V0，运放的反相端则接一个电阻 R1 另一端接地，运放的输出接一个大电阻 R2 反馈 到方向端。阻值的选择： 接地的电阻与反馈电阻存在这样的关系，Vi/R1=(V0-Vi)/R2,则可以知道我们输入的电 压的放大倍数与两个电阻之间阻值的关系，V0/Vi=(R1+R2)/R2。在这我们选择的是 R1=10k，R2=5.1k。也就是放大倍数约为六倍关系。 电信号经过放大以后，接一个限流电阻，考虑到 mos 管的驱动电流比较小，因此 在此处接一个较大电阻 R5，我们选择的阻值是 3k。到此为控制电路的各元件的参数设 定。 另一部分则是被控制的电路的各元件的参数设置。在恒流

15、模式时，电源输入，经 过电流表，接了一个短路开关，与电阻 R16 并联，R16 是通流能力较强的电阻，阻值 为 10 欧，我们用的是两个同样的电阻并联。Mos 管的源极，接一个康铜丝后接地，阻 值是 0.5 欧，目的是采集主电路上电流的变化。 另外的两组贴片电阻是用来采样的，要求电阻很大，通过的电流很小，并且用多 组贴片并联可以降低寄生参数，采样的比例大约是 10:1 我们用的电阻是 203 和 204。 3.2 模块电路模块电路 3.2.1、硬件电路设计硬件电路设计 （1）单片机与运放供电模块设计 变压器通过整流、滤波、稳压产生所需电压。 如图（见附录 5）中电路提供12V，+5V 电源，主

16、要用于运放电路和单片机的 供电。 （2）电子负载模块设计 U1 OP07AH 3 2 4 7 6 81 12V -12V Q1 2N7000 R1 R2 值 值 值 值 值 值 值 值 值 R3 R4 值 值 Vref VEE VCC R5 R6 S1 R7 R8 R9 1.0k 值 值 值 值 VFV VIN AD/DA 值 值 值 图 4 恒压：如图 4，s1 断开，是电阻串入主电路中，在定电压工作模式时，电子负 载所流入的负载电流依据所设定的负载电压而定，此时负载电流将会增加直到负载 电压等于设定值为止，即负载电压保持设定值不变。 恒流：如图 4，s1 闭合，电阻被短接，不起任何作用。这

17、个图是一个最常用的 恒流电路，这样的电路更容易获得稳定及精确的电流值，R6 为取样电阻,VREF 是 给定信号，电路工作原理是：当给定一个信号时 ，如果 R6 上的电压小于 VREF，也就是 OP07 的-IN 小于+IN，OP07 加输出大，使 MOS 加大导通使 R3 的电流加大。如果 R3 上的电压大于 VREF 时，-IN 大于+IN，OP07 减小输出， 也就降了 R3 上的电流，这样电路最终维持在恒定的给值上，也就实现了恒流工 作。如给定 VREF 为 10mV，R3 为 0.01 欧时电路恒流为 1A，改变 VREF 可 改变恒流值，VREF 可用电位调节输入或用 DAC 芯片由

18、 MCU 控制输入，采用 电位器可手动调节输出电流。如采用 DAC 输入可实现数控恒流电子负载。 恒阻：在定电阻工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定负载电阻 和输入电压的大小而定，此时负载电流与输入电压呈正比例，比值即是所设定的负 载电阻，即负载电阻保持设定值不变。恒阻功能，在有些数控电子负载中并不设计 专用电路，而是在恒流电路的基础上通过 MCU 检测到的输入电压来计算电流， 达到恒阻功能的目的，比如要恒定电阻为 10 欧时，MCU 检测到输入电压为 20V，那么会控制输出电流为 2A，但这种方法响应较慢，只适用于输入变化较慢， 且要求不高的场合。专业的恒阻电子负载都是由硬件实现的

19、。 （3）采样模块的设计 采样的目的是为了获得实际端电压、端电流的数据，用于返回单片机处理后进 行显示。因此，采样点的选取就成为了设计的重点。根据分析，选取了串联电阻之 间如图作为输出端电压的采样点，选取了采样电阻的端电压作为输出端电流的采样 点。本设计选用了 ADS1115 作为 A/D 采样。采样之后的数据需要进行处理之后 才会得到所求得的数据。 （4）液晶显示模块设计 本系统采用 12864 液晶显示屏，通过单片机 STM32 处理采样的信号，将数据 发送到液晶显示。键盘输入的设定值也通过液晶显示。是整个系统变得简洁。 3.2.2、软件设计软件设计 为了方便编写和调试，我们采用了模块化的

20、编程方法，整个程序分为若干子程 序： （1）液晶显示子程序:显示当前模式（恒压或恒流） ，设定输出值及实际端电 压电流。 （2）键盘处理子程序：模式切换，输出值的设定及步进。 （3）数据处理子程序：根据设定值换算出调整值，写入 D/A 的值，根据 A/D 采样的数据换算出实际端电压电流值。 （4）将调整值送入 D/A。 （5）进行 A/D 采样。 （6）过载报警程序：当电压或电流值超过设定值时，会自动发出命令断开电 路。 1、流程图见附录三。 2、程序设计 部分源程序见附录四 4、测试结果、测试结果 4.1、测试测试数据数据 通过测试数据得出下面的图 图 6 为恒压模式 图 7 为恒流模式 图

21、 8 为恒阻模式 U/V I/A 图 6 恒压 I/A U/V 0 图 7 恒流 U/V 0 0 图 8 恒阻 4.2 数据仿真数据仿真 恒流模式（如图 5） 图 5恒流模式仿真 恒压模式（如图 6） 图 6 恒压模式仿真 4.3 测试结果分析测试结果分析 在 0.1s 时输入设定电流 1.5A，大约经过 0.3s 电流恒定为 1.5A。 在 2.0s 时设定输入电流 2A，大约经过 0.2s 电流恒定为 2A。 在 0s 时输入设定电压 1V，大约经过 0.3s 电压恒定为 1V。 在 1.0s 时设定输入电流 20V，大约经过 0.1s 电压恒定为 20V。 由数据我们可以得知：恒压模式时

22、，电压的相对误差小于 1.0%，调节时间小于 0.4s ；恒流模式时，电流的相对误差小于 0.8% ，调节时间小于 0.4s；恒阻模式时，电 压的相对误差小于 1.3%，调节时间小于 0.5s；都基本满足要求的发挥部分。 本次的设计完成了三种工作模式的负载设计，恒流模式，恒压模式，恒阻模式。 本系统的最高电压可以调节到 25V，电流最大到 2.5A，精度都很大程度上高于基本要 求，满足发挥部分的要求。 5、总结总结 本次设计的以 STM32 为控制核心的电子负载，能够直接检测被测电源的电流值、 电压值，负载参数可以设定，且各个数据均能通过 12864 液晶显示。 此电子负载的可以稳定电压，电流

23、和电子负载，能很好的替代传统的测试方法中 一般采用的电阻、滑线变阻器、电阻箱等，更简单、更快捷、更可靠地对电源、蓄电 池等电子设备进行输出特性的测试。 此次设计的电子负载，从最开始的资料搜集，到电路的设计；从最开始的元件选 型，到电路板的焊接，再到现在的实物的整体调试每一步我们都认真的对待，在 实验的过程中也出现了许多问题，由于时间的仓促以及实验条件与自身能力所限，还 有方案的选择失误，使我们走了很多弯路，浪费了很多时间，不过我们从中学到很多 知识，很多经验。这是此次设计中最宝贵的。 附录一 1 2 P1 Header 2 1 2 P2 Header 2 1 2 P3 Header 2 1 2

24、 P4 Header 2 - 2 + 3 + 7 - 4 6 6 *2 OP07 Q1 NMOS-2 R6 Res1 1K R8 Res2 1K R10 Res2 1K R9 Res2 1K R11 Res2 1K R12 Res2 1K R13 Res2 1K R14 Res2 1K R15 Res2 1K 1 1 2 2 *7 子子子子 1 1 2 2 *8 子子子子 - 2 + 3 + 7 - 4 6 6 *1 OP07 R1 Res2 1K R4 Res2 1K Control R5 Res2 1K +12V +12V +12V +12V +12V -12V -12V -12V -12

25、V I V0V1 R2 Res2 1K I I1 - 2 + 3 + 7 - 4 6 6 *3 OP07 R3 Res2 1K V0 V00 - 2 + 3 + 7 - 4 6 6 *4 OP07 R7 Res2 1K V1 V11 I1 V00 V11 1 2 3 4 5 P5 Header 5 -12V 1 1 2 2 *5 子子子子 Vcc 1 Gnd 2 OUT 4 GND 3 P0 5 P1 6 P2 7 P3 8 *6 AD/DA +5V Control V00 V11 1 2 P6 Header 2 +5V 1 2 P7 Header 2H I1 附录二 附录三 主要程序如下 主

26、函数 main .c #include stm32f10 x_lib.h #include maze .h int main(void) Init (); While (1) key_get=key_scan(); if(key_check) if(key_check key_get=0; key_check=0; witch(key_get) case A:MODE=dianliu;break;/0-2A case B:MODE=dianya;break;/0-20V case C:MODE=dianzu;break;/0-1K case #:re_set=1;break; case *:M

27、ODE_store=MODE;MODE=guozai;break; default:break; if(key_check display(MODE); int fputc(int ch,FILE *f) USART_SendData(USART2, (u8)ch); while(USART_GetFlagStatus(USART2,USART_FLAG_TC) =RESET); return ch; /*结束*/ 驱动源程序：driver.c #include stm32f10 x_lib.h #include maze .h 液晶显示 void display(s8 key) s8 key

28、_input; s8 add_v=0 x8a; s8 re_show=1,guozai_reshow=1; s32 I_preset=0,U_preset=0,R_preset=0,over_I_present=0,over_U_present=0; switch(key) case A:/电流 send_com(LCD12864_CLEAR); if(SET_I=0)|(re_set=1) ata_show=0; re_set=0; while(1) if(re_show) print(0,0,请输入初始化电流); print(2,6,mA); print(3,3, #键确定); key_i

29、nput=key_scan(); if(key_check print(1,2,Input Error); print(2,1,请重新输入！); re_show=1; I_preset=0; Delayms(200); send_com(LCD12864_CLEAR); add_v=0 x8a; send_com(add_v); continue; if(key_check SET_I=I_preset; break; end_com(LCD12864_CLEAR); print(0,0,恒流预置); send_com(0 x84); print_Number(SET_I/1000.0,3);

30、 send_data(A); print(1,0,电流 A :); print(2,0,电压 V :); print(3,0,电阻 :); data_show=1; display_data(); break; case B:/电压 send_com(LCD12864_CLEAR); if(SET_U=0)|(re_set=1) ata_show=0; re_set=0; while(1) if(re_show) print(0,0,请输入初始化电压); print(2,7,mV); print(3,3, #键确定); key_input=key_scan(); if(key_check pr

31、int(1,2,Input Error); print(2,1,请重新输入！); re_show=1; U_preset=0; Delayms(200); send_com(LCD12864_CLEAR); add_v=0 x8a; send_com(add_v); continue; else if(key_check SET_U=U_preset/1000.0; break; send_com(LCD12864_CLEAR); print(0,0,恒压预置); send_com(0 x84); print_Number(SET_U,3); send_data(V); print(1,0,电

32、流 A :); print(2,0,电压 V :); print(3,0,电阻 :); data_show=1; display_data(); break; case C: if(SET_R=0)|(re_set=1) data_show=0; re_set=0; while(1) if(re_show) print(0,0,请输入初始化电阻); print(2,6,); print(3,3, #键确定); key_input=key_scan(); if(key_check print(1,2,Input Error); print(2,1,请重新输入！); re_show=1; R_pr

33、eset=0; Delayms(200); send_com(LCD12864_CLEAR); add_v=0 x8a; send_com(add_v); continue; else if(key_check SET_R=R_preset; break; send_com(LCD12864_CLEAR); print(0,0,恒阻预置); send_com(0 x84); print_Number(SET_R,3); print(0,7,); print(1,0,电流 A :); print(2,0,电压 V :); print(3,0,电阻 :); data_show=1; display

34、_data(); break; case *: send_com(LCD12864_CLEAR); data_show=0; while(1) print(0,1,=过载设置=); if(guozai_reshow=1) print(1,0,A:电流); print(1,7,A); send_com(0 x94);/ print_Number(over_I,0); print(2,0,B:电压); print(2,7,V); send_com(0 x8C);/显示 print_Number(over_U,0); print(3,0,#:确定); guozai_reshow=0; key_inp

35、ut=key_scan(); switch(key_input) case A: send_com(LCD12864_CLEAR); guozai_reshow=1; print(0,0,请输入过载电流); print(2,6,mA); print(3,3, #键确定); add_v=0 x8a; while(key_input!=#) key_input=key_scan(); if(key_check send_com(add_v); add_v+; send_data(key_input); over_U_present=over_U_present*10+key_input-0; ls

36、e if(key_check guozai_reshow=1; over_U=over_U_present/1000.0; over_U_present=0; send_com(LCD12864_CLEAR); key_input=0; break; default:break; if(key_input=#)break; data_show=1; key_check=0; MODE=MODE_store; re_set=0; break; void display_data(void) if(data_show) send_com(0 x94); /电流显示 单位:A print_Numbe

37、r(I_input,4); send_com(0 x8C); /电压显示单位:V print_Number(V_output,4); if(I_input=4.096) DAout_data=4.096; else if(DAout_data=0) DAout_data=0; pid_ek2_U=pid_ek1_U; pid_ek1_U=pid_ek_U; TLV5616(DAout_data); 电流 PID 调节相关 double pid_ek_I,pid_ek1_I,pid_ek2_I; double P_I=0.0,I_I=0.0,D_I=0.0; void deal_I_stat(v

38、oid)/恒电流 if(protect) DAout_data=0; else if(SET_I=1000) P_R=0.00001; I_R=0.; else P_R=0.1; I_R=0.001; pid_ek_R=R-SET_R; DAout_data+=P_R*(pid_ek_R- pid_ek1_R)+I_R*pid_ek_R+D_R*(pid_ek_R+pid_ek2_R-pid_ek1_R*2); if(DAout_data=4.096) DAout_data=4.096; else if(DAout_data=0) DAout_data=0; pid_ek2_R=pid_ek1

39、_R; pid_ek1_R=pid_ek_R; TLV5616(DAout_data); DAout_data=(double)I_need*0.00099-0.001+(1200-I_need)*0.-(400-I_need)*0.; DAout_data=(double)I_need*0.00099-0.001+(1200-I_need)*0.-(I_need-400)*0.; 获取 AD 采样值 s8 ii; void AD_get(void) char aa=0; ii=(ii+1)%6; switch(ii) case 0: Confige1115(0); break; ase 1:

40、 for(aa=0;aa9;aa+)/前 9 个数据 AD_value_0aa=AD_value_0aa+1; maopao_0_dataaa=AD_value_0aa; AD_value_09 = Get_ATOD (channel_0);/电压 result1 maopao_0_data9=AD_value_09; break; case 2: Confige1115(1); break; case 3: for(aa=0;aa9;aa+)/前 9 个数据 AD_value_1aa=AD_value_1aa+1; maopao_1_dataaa=AD_value_1aa; AD_value

41、_19 = Get_ATOD (channel_1);/电压 result1 maopao_1_data9=AD_value_19; break; case 4: Confige1115(2); break; case 5: for(aa=0;aa9;aa+)/前 9 个数据 AD_value_2aa=AD_value_2aa+1; maopao_2_dataaa=AD_value_2aa; AD_value_29 = Get_ATOD (channel_2);/电压 result1 maopao_2_data9=AD_value_29; break; default:break; if(ii%2)=1) maopao(ii/2); AD_filter();/滑动滤波 键盘采集 s8 key_scan(void) /4*4 扫描键盘函数 s8 key_value=0;