恒压、恒流、恒阻电子负载的设计(共16页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上本科生毕业论文（设计）题目 恒压、恒流、恒阻电子负载的设计 姓名 王俊楠 学号 院系 电气信息及其自动化学院 专业 电气工程及其自动化 指导教师 曹佃国 职称 副教授 年 月 日曲阜师范大学教务处制目 录专心-专注-专业恒压、恒流、恒阻电子负载的设计电气工程及其自动化专业学生 王俊楠指导教师 曹佃国摘要：随着科学技术迅速发展，人们对负载的要求越来越高，传统技术面临着极大的挑战。电子负载将电力电子技术和微机控制技术有机地结合起来，它能替代传统负载。电子负载以单片机为控制芯片，可切换工作于恒压、恒流、恒阻三种模式。电子负载的设计包括硬件和软件两部分，硬件设计了恒压电路模块

2、、恒流电路模块、恒阻电路模块、D/A输出控制电路、电压电流检测电路、键盘电路、显示模块等，软件设计包括LCD显示模块、D/A转化程序、电压电流采样程序等，通过软硬件的协调配合实现整个设计。关键词：电子负载；恒压；恒流；恒阻The Design of an Electronic Load with Constant Voltage, Constant Current and Constant Resistance Student majoring in Electrical Engineering&Automation Wang Junnan Tutor Cao DianguoAbstr

3、act：With the rapid development of technology,the demand for load was increasing,traditional technology faces great challenges.Electronic load combines power electronics and microcomputer control technique,can substitute traditional load.This electronic load using MCU as control chip,can work in cons

4、tant voltage,constant current,and constant resistance modes. The electronic load focuses on two parts,hardware and software.Hardware of the electronic load are constant voltage circuit,constant current circuit,constant resistance circuit,D/A output control circuit,voltage and current detection circu

5、it,keyboard module,display module.The software design includes LCD display module,D/A conversion process,voltage and current sampling procedures.The design was achieved through coordination of hardware and software.Key words: Electronic load；Constant voltage；Constant current；Constant resistance引言 在电

6、路中，负载是指用来吸收电源供应器输出的电能量的装置，它将电源供应器输出的电能量吸收并转化为其他形式的能量储存或消耗掉。电子负载是利用电子元件吸收电能并将其消耗的一种负载。电子元件一般为功率场效应管（Power MOS）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等功率半导体器件。由于采用了功率半导体器件替代电阻等作为电能消耗的载体，使得负载的调节和控制易于实现，能达到很高的调节精度和稳定性。同时通过灵活多样的调节和控制方法，不仅可以模拟实际的负载情况，还可以模拟一些特殊的负载波形曲线，测试电源设备的动态和瞬态特性。这是电阻等负载形式所无法实现的。电子负载可以模拟真实环境中的负载（用电器）。它有恒流、恒阻、

7、恒压和恒功率，以及短路，过流，动态等功能，电子负载分为直流电子负载和交流电子负载，由于电子负载的应用方面问题，直流电子负载应用比较广泛，本文主要介绍直流电子负载。电子负载与传统的模拟电阻性负载相比具有节能、体积小、重量轻、成本低、效率高等优点，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地应用到各种试验场合。因此，电子负载的研究具有广阔的市场和广泛的应用前景1 电子负载的原理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，精确调整负载电流。它的基本工作方式有恒压、恒流、恒阻这几种。选用矩阵键盘，功能齐全且直

8、接输入方便快捷。通过键盘输入来控制继电器实现恒压、恒流的模式转换。通过键盘输入分别设定恒压、恒流电路模块的工作参数。通过手动调节设定恒阻模式工作参数。电压电流检测电路获取电压电流信号，利用A/D转换把模拟信号转换为数字信号，采用STC89C52 单片机作为核心控制器，控制液晶显示，同时通过比较实际值与设定值调节负载输入信号，形成闭环控制回路。整个系统有恒压电路模块、恒流电路模块、恒阻电路模块、D/A输出控制电路、A/D电压电流检测电路、键盘电路、显示电路模块，通过软、硬件的协调配合，实现了整个设计。电子负载原理图如图1所示。图1 电子负载原理图2 电子负载电路设计 21 核心处理器核心处理器负

9、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。设计过程中用单片机作为主控制器。电子负载系统的主控制器选用STC89C52。STC89C52单片机在系统中主要实现以下功能:恒压、恒流、恒阻电路模块的设定值通过D/A转换输出；经A/D转换实际工作电压电流；监控实际电压电流并实时调节；控制LCD显示；接收键盘输入等。表1为电子负载系统中STC89C52的I/O口分配连接情况。STC89C52各引脚分布情况见图6。表1 单片机I/O口分配I/O口应用I/O口应用P0.0-P0.74

10、5;4矩阵键盘输入P2.2P2.7A/D采样输入P1.0P1.3D/A转换输出XTAL1-XTAL2时钟输入P1.0P1.4液晶显示模块RESET单片机复位信号22 恒压负载电路电路的运放选用OP07，该双极性运算放大器低噪声，低输入失调电，低输入偏置电流，开环增益高，稳定度高。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。系统会通过电压电流采样点将实际电路工作状态反馈至控制器，并有控制器将实际值与设定值比较实时调节负载输入信号，使工作在设定状态。恒压负载电路原理图如图2所示，D/A输入电压信号U

11、1后，与MOS管上的电压经R3 与R2分压后送入运放IN+的值进行比较，则MOS管上的电压取决于U1，实现负载端口电压恒定为4U1。如给定U1为1V，R2为3k，R3为1k，则负载电压恒定为4V。改变U1即可改变恒压值，U1由MCU控制输入。图2 恒压负载电路原理图23 恒流负载电路电路的运放选用OP07,该双极性运算放大器低噪声，低输入失调电，低输入偏置电流，开环增益高，稳定度高。在定电流工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定的电流值而保持恒定，与输入电压大小无关，即负载电流保持摄定值不变。系统会通过电压电流采样点将实际电路工作状态反馈至控制器，并由控制器将实际值与设定值比较实时调节

12、负载输入信号，使工作在设定状态。图3中R1为取样电阻,当给定一个信号D/A输入U2时，如果R1上的电压小于U1，也就是OP07的-IN小于+IN，OP07加大输出，使MOS加大导通使R1的电流增大。如果R3上的电压大于U2时，-IN大于+IN，OP07减小输出，也就减小了R1 上的电流，这样电路最终维持在恒定的给定值U2上，也就实现了恒流工作。如给定U2为0.5V，R1为0.5欧时电路恒流为1A，改变U2可改变恒流值，U2由 MCU 控制输入，恒流值为U2/0.5=2U2。恒流负载电路原理图如图3所示：图3 恒流负载电路原理图24 恒阻负载电路 在恒阻工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所

13、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。系统会通过电压电流采样点将实际电路工作状态反馈至控制器，通过LCD将实际工作状态显示出来，可以手动进一步微调以使负载电路工作在理想设定状态。设定负载电阻值通过手动调节R4设定。恒阻负载电路原理图如图4，负载输入端电压为U3，通过变阻器R4分压，变阻器滑片连接运放+IN，使R1的电压U4跟随U3变化，即负载电流跟随输入电压变化，且二者成比例。变阻器调节到10%时，若负载端电压为a V时，经变阻器分压后，R1的电压为0.1a V，负载电流为a mA,即负载电阻恒为1k。恒阻设定值R

14、=10×p% k，其中p%为变阻器调节值。图4 恒阻负载电路原理图25 继电控制模式转换选择电子负载工作模式后，由MCU连接三极管基极，使控制NPN三极管的通断，以控制继电器是否得电。如图5所示，当得电后继电器闭合，触点JDclose导通，电子负载工作于恒流工作模式；继电器失电打开，触电JDopen导通，电子负载工作与恒压工作模式。图5 继电器控制模式转换26 显示模块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、

15、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。采用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。 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

16、合电池供电的便携式移动设备。图6 STC89C52与液晶显示模块连接电路如图6所示为STC89C52单片机与液晶显示模块连接电路。P2为Nokia5110与单片机相接的8个管脚，1到5为I/O管脚，6为电源输入，7为背光输入，8为GND27 键盘模块矩阵式键盘则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。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。图7 4×4矩阵键盘电路图如图7所示：本系统通过

17、矩阵电路进行按键输入，采用的是4x4矩阵键盘， 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。(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

18、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，如果检测到列有低电平输出，则说明有键按下，接着让每行分别依次输出低电平，其余行输出高电平，再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。28 D/A转换模块D/A采用的是串行数模转换器TLC5615。TLC5615是一个串行1O位DAC芯片，性能比早期电流型输出的要好

19、。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，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。电子负载系统需要测出电压值、电流值，对设定值的精确度要求更高。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。TLC5615有小型和塑料DIP封装，DIP封装的TLC5615芯片引脚排列如图8所示。其中，脚1DIN为串行数据输入端；脚2SCLK为串行时钟输入端；脚3CS为芯片选用通端，低电平有效；脚4DOUT为用于级联时的串行数据输出端；脚5AGND为

20、模拟地；脚6REFIN为基准电压输入端。图8 TLC5615芯片如图9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，用P1.0模拟时钟SCLK，待转换的二进制数从P1.1输出到TLC5615的数据输入端DIN，P1.2控制片选CS。设定值通过键盘输入送往单片机，再通过D/A转换输出产生基准电压送往负载电路。图9 TLC5615与单片机的连接在电路设计中VREF = 2Vrefin×N1024；其中，Verfin为 TLC5615的参考电压，取1.5V,N为输入设定值的二进制数。VREF为到PI调节器与实际值相比较的基准电压。 图10 TLC5615时序

21、图如图10 TLC5615的时序图可以看出，当片选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。当片选CS为高电平时，串行输入数据DIN不能由时钟同步送入移位寄存器；输出数据DOUT保持最近的数值不变而不进入高阻状态。由此要想串行输入数据和输出数据必须满足两个条件：第一时钟SCLK的有效跳变；第二片选CS为低电平。这里，为了使时钟的内部馈通最小，当片选CS为高电平时，输入时钟SCLK应当为低电平。串

22、行数模转换器TLC5615的使用有两种方式，即级联方式和非级联方式。如不使用级联方式，DIN只需输入12位数据。DIN输入的12位数据中，前10位为TLC5615输入的D/A转换数据，且输入时高位在前，低位在后，后两位必须写入数值为零的低于LSB的位，因为TLC5615的DAC输入锁存器为12位宽。如果使用TL5615的级联功能，来自DOUT的数据需要输入16位时钟下降沿，因此完成一次数据输入需要16个时钟周期，输入的数据也应为16位。输入的数据中，前4位为高虚拟位，中间10位为D/A转换数据，最后2位为低于LSB的位即零。29 采样模块的设计TLC1549是一个10位开关电容器，逐次逼近型的

23、AD转换器。这个芯片有2个数字输入端，1个三态输出口(CS)，1个I/O Clock端口和1个数字输出端（DATA OUT）,可以实现一个三总线接口到总控制器的串行口的数据传输。P1.5连接输入/输出时钟口I/O CLK,P1.6控制DOUT口，P1.7控制片选CS。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,而且开关电容设计使在满刻度时总误差最大仅为±1LSB(4.8mV),因此可广泛应用于模拟量和数字量的转换电路。电压采样电路中，由于电子负载的输入电压范围比较宽，实际工作电压较高，采样前首先进行了分压设计。如图11所示采用1/11的分压，采样点电压Ub经R4和

24、R5分压，其中R4为10k，R5为1k。输出送往A/D采样TLC1549添加一个电压跟随器，没有放大作用，输出电压与输入电压相同，提高了输入阻抗，对电路进行缓冲，起到承上启下的作用。同时取到隔离作用，减小了电磁干扰的影响，减小了强电流功率电路对控制电路的损害。如图11所示,被试电源两端的电压U与电压采样点电压Ub的关系为 Ub=R5/(R5+R4)U=1k/(1k+10k)U=1/11U （2-2）所以 U=11Ub （2-3）电流采样电路中，首先借助采样电阻R1将电流信号转换为电压信号，输出送往A/D采样TLC1549添加一个电压跟随器，不取到放大作用，如图11所示，提高电路带负载能力，取到

25、缓冲、隔离作用。如图11所示负载电流I与电流采样点电压Ua的关系为 I=Ua/R1=Ua/0.5 （2-4）图11 采样电路3 软件设计图12 电子负载程序的总体流程如图12所示系统完成初始化后扫描键盘，接收键盘指令后核心控制器根据指令输出数字信号，经D/A转换后产生基准电压，输出到负载电路。然后进行电压电流采样，将模拟信号A/D转化后，向MCU输入获得的数字信号。MCU根据系统的工作状态将相应信息显示在LCD上。31 LCD显示模块驱动311 SPI接口时序写数据/命令Nokia5110(PCD8544)的通信协议是一个没有MISO只有MOSI的SPI协议：图13为传送一个字节时各引脚的电平

26、变化。图13 串行总线协议传送1个字节/*/函数名称：LCD_write_byte 函数功能：模拟SPI接口时序写数据/命令LCD入口参数：data：写入的数据；      command ：写数据/命令选择；出口参数：无  */ void LCD_write_byte(unsigned char dat, unsigned char command)    unsigned char i;  LCD_CE =

27、60;0;       /5110片选有效，允许输入数据 if (command = 0)     /写命令 LCD_DC = 0;       else  LCD_DC = 1;     /写数据  for(i=0;i<8;i+)  

28、0;      /传送8bit数据 if(dat&0x80) SDIN = 1;    else  SDIN = 0;  SCLK = 0; dat=dat<<1;     SCLK = 1;     LCD_CE = 1;     

29、60; /禁止5110  管脚D/C(LCD_DC)用于选择写的是命令(D/C=0)还是数据(D/C=1)。312 Nokia5110的初始化接通电源后，内部寄存器和RAM的内容是不确定的，这需要一个RES低电平脉冲复位一下。复位过程如图14所示图14 Nokia 5110复位时/*函数名称：LCD_init函数功能：5110初始化 入口参数：无 出口参数：无  */void LCD_init(void)       LCD_RST = 

30、;0;     / 产生一个让LCD复位的低电平脉冲 delay_1us();    LCD_RST = 1;     LCD_CE = 0;     / 关闭LCD delay_1us();    LCD_CE = 1;     / 使能

31、LCD delay_1us();       LCD_write_byte(0x21, 0); / 使用扩展命令设置LCD模式 LCD_write_byte(0xc8, 0); / 设置液晶偏置电压 LCD_write_byte(0x06, 0); / 温度校正 LCD_write_byte(0x13, 0); / 1:48  LCD_write_byte(0x20, 

32、;0); / 使用基本命令，V=0，水平寻址 LCD_clear();        / 清屏  LCD_write_byte(0x0c, 0); / 设定显示模式，正常显示      LCD_CE = 0;       / 关闭LCD   32 D/A转化程序由于TLC5615

33、是串行输出的，且其输出采用的是SPI总线模式，所以现对SPI时序做初始化，初始化完后即可调用将数字量转化为模拟输出。图15 D/A转化程序流程 图16 A/D采样程序流程如图15为D/A转化子程序流程图。当键盘按下确认后，设定值送往单片机数据处理转化为二进制数后送TLC5615进行D/A转化，有数送入时scs=0；sclk=0即对SPI时序做初始化，开始产生上升沿，数据被锁存,形成DA输出。在前10个时钟内输入的是10位DA数据，后两个时钟周期为填充字节scs=1；sclk=0，scs的上升沿和下降沿只有在sclk为低的时候才有效，D/A转化完成产生基准电压，转换输出至PI调节器控制MOS管工

34、作。33 电压电流A/D采样程序如图16所示为电压电流采样流程图，先复位时序成功后，启动A/D转换口，再送十个时钟信号进行串行采样，当第十个时钟信号下降沿到来时，判断A/D转化是否完成，若采样完成，将模拟输入量转化为数字量，送往显示，测出电压值、实际电流值和功率值。TLC1549是串行转化，同样对时序有严格要求，复位时序成功后，即可进入采样，采样后在经过处理。对于电流的检测将电流转化为电压进行检测，然后在TLC1549AD转换过程中转化回电流，最后送往液晶显示出来。4 结论本系统的设计是基于STC89C52单片机控制的电子负载，直接检测的电流值、电压值，实现恒压、恒流、恒阻模式的工作。通过单片机程控使各个参数直观的在液晶上显示。此电子负载能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、更可靠对电子设备进行输出特性的测试。但是，本设计还存在着很多不足，比如欠缺负载的内保护和外保护电路，各功能的电子负载模块还可以整合，希望能在以后能改善这方面的缺陷。由于时间的仓促以及自身能力所限，本文只是对电子负载一些较浅的研究。遗憾时间的仓促，以及自身能力所限，此次设计存在很多有待改