直流电子负载

1、宜宾学院模拟电子竞赛直流电子负载设计报告张涛 吴康 阮九霄2015/7/28摘要 系统设计了一种以具有高精度的直流电子负载。其主要由单片机控制模块、电子负载模块、频率切换模块、采样模块、显示模块和电源模块构成。它以TI公司16位单片机MSP430F149为控制核心，通过对DA的控制，达到对恒压值或者恒流值在一定范围内的控制。之后通过内含AD的采集模块将实际端电压、端电流值送回单片机控制模块，并通过显示模块加以显示，通过按键控制电压步进。频率切换模块能够在既定的频率和占空比下，顺利的接入和断开负载。关键词 MSP430单片机 12位AD/DA  恒流恒压 运算放大器目录1.总体设计方案

2、41.1.方案论证及比较41.2.系统总体框图62.单元电路设计72.1整流滤波模块72.2电子负载模块72.3继电器保护模块82.4频率切换模块82.5单片机控制及显示模块93.单片机软件设计103.1软件设计103.2 主程序的流程图114.系统测试124.1测试仪器124.2测试电路如图：124.2 测试方法：124.3测试结果分析135.设计总结141. 总体设计方案1.1. 方案论证及比较方案一：基于手动调节的直流电子负载 基于手动调节的直流电子负载的原理图如下：图1-1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

3、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如下：图1-2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

4、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：基于单片机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所示。图1-3此方案控制核心采用MSP430单片机。操作时只需通过程序就能实现恒压恒流模式进行切换、恒压恒流值的调节、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。由于该方案的操作方法以及整体构

5、架简易明了，利于电子开关的接入和控制，因此较好的实 现了发挥部分关于频率方式的要求。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。A/D对实际电压电流的反馈有利于单片机智能的对输出值进行修正，这是方案一所不具备的。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。总体上远远优于上述两个方案。故选择方案三。1.2. 系统总体框图图1-42. 单元电路设计2.1 整流滤波模块电路图如下图所示：图2-1整

6、流滤波电路该电路输入为调压器输出交流电，最大为20V，经过整流滤波讲交流电转换为直流电2.2 电子负载模块电子负载模块分为恒压源和恒流源模块。电路图如下图所示：图2-2 恒压（左）、恒流（右）模块恒流电路输入为5到20V，恒定电流范围为0.51A，单片机控制步进0.1V。恒压电路输入为520V, 输出电压恒定，电流能力大于等于2A，单片机控制步进0.01A.2.3 继电器保护模块电路图如下图所示：图2-3继电器保护模块继电器实现的是过流保护功能，当电流超过2.5A时自动开启保护2.4 频率切换模块电路如下图所示：图2-4频率切换使频率实现1KHZ的频率切换2.5 单片机控制及显示模块单片机是数

7、控电子负载的核心部件，它既协调整机工作，又是数据处理器。本系统采用MSP430F149单片机为核心，以16个按键键盘，12964液晶显示屏构成友好界面。单片机通过A/D,D/A等器件对模拟信号进行信号的采集、处理和输出，从而对输出电流值进行控制校正，达到较高精度,并且对电压、电流进行步进，并且精度较高。同时，单片机的接口全部进行扩展，使系统应用更加灵活。3. 单片机软件设计3.1 软件设计    为了方便编写和调试，我们采用了模块化的编程方法，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

8、；（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） 对设定电压进行步进及其显示。3.2 主程序的流程图      主程序流程图如下：4.  系统测试4.1 测试仪器序号名称、型号、规格数量备注1调压器12直流稳压电源43双踪示波器14耦合变压器15高精度数字万用表14.2 测试电路如图：4.2 测试方法：将直流电源连接电子负载，通过键盘设置恒压、恒流

9、模式,以及设置恒定值，稳压电源提供不同的端电压，分别测量测试点处电压、电流，记录测量值和调整时间，计算测量值与预定值相对误差并作出误差分析。4.3 测试结果分析4.3.1 对电路恒压模式的检测：当检测恒压模式电路时，首先应该控制单片机使得恒定值为要求的最低值，即5V，每次步进0.1V，直到10V。此时，外部电源电压要小。在测试恒压的同时，要对数据进行记录。记录端口实际输出值和A/D采样返回并显示在液晶上面的显示值。数据如下表：测试条件万用表电压万用表电流电子负载电压电子负载电流5V 0.1A4.99V0.99V5.03V0.101A5V 1A5.01V1.002A5V1.00A10V 0.1A

10、9.99V0.101A10.01V0.098A10V 1A9.99V1.001A10.00V1.005A15V 0.1A15.02V0.099A15.01V0.095A15V 1A15.01V1.001A15.00V0.992A4.3.2 对电路恒流模式的检测：当检测恒流模式电路时，首先应该控制单片机使得恒定值为要求最低值，即0.1A，并且每次按键步进0.1A,最终达到2A。测试恒压的同时，要对数据进行记录。每个取样值中，记录端口实际输出值和A/D采样返回并显示在液晶上面的显示值。数据如下表：测试条件万用表电压万用表电流电子负载电压电子负载电流0.1A 5V4.94V0.105A4.94V0.

11、098A0.1A 15V14.83V0.105A15.05V0.098A0.5A 5V4.96V0.499A4.93V0.498A0.5A 15V14.98V0.501A15.07V0.498A1A 5V5.01V1.002A5.03V1.002A1A 15V15.01V1.000A15.19V1.002A经测试，系统在恒压、恒流模式下工作时，误差、精度均符合要求，反应迅速，达到预期结果。5. 设计总结我们在整个设计制作过程中，始终关注系统的性能指标和运行的稳定性，本着稳定性和精确性并重的原则，我们采取了诸多的有效措施，完成了设计题目所规定的部分指标和要求，达到基本的性能指标，而且对于有些指标我们的设计还有了一定的的提高，功能也有所扩展，比如过流保护模块。但对于扩展部分的要求有所突破，但只能做到在基础要求的基础上有所提高，但尚未达到扩展要求，还需要我们