简易电子直流负载

1、简易直流电子负载（C题） 摘要：本系统设计的是恒流（CC）工作模式的简易直流电子负载，是以单片机STC89C52为主控芯片，包括控制器、独立按键、显示电路、MOSFET功率电路、恒流电路、电压电流检测电路和保护电路。由单片机输出给定的电流值，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的电流处于设定值。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；恒流；功率电路；信号处理1.系统方案论证1.1各种方案比较与选择1.1.1主控器模块的设计方案与选择方

2、案一：采用纯硬件控制电路，虽然避免了软件的设置，但电路难度增加，且成本也高，也不利于实时调整电路。方案二：采用单片机STC89C52。STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。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。且指令代码完全兼容传统8051。综合考虑选择方案二以宏晶单片机STC89C52为核心，组成单片最小系统。1.1.2 显示模块的设计方案与选择方案一：采用数码管显示。数码管成本较低，对环境要求低，编程也容易。但所显示的信息量有限，

3、一般信息量越大，占的I/O口也越多。方案二：采用1602液晶显示。采用液晶显示，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强。功耗也低，显示的信息量也多。根据题目要求，需要显示电压、电流等多种信息，数码管已不能满足要求 故选择方案二，本系统采用的点阵式LCD型号为1602。1.1.3 MOSFET功率电路的设计方案与选择方案一：采用IRF540场效应管。IRF540属于高电压，大电流的N通道增强型场效应功率晶体管，栅极电压与漏极电流关系如图2所示。 图1 栅极电压与漏极电流关系方案二：采用TI的CSD17505Q5A。N 通道MOSFET管。栅极电压与漏极电流关系如图3所示。 图2 栅极电压与漏极电流关

4、系基于题目要求，电流的范围为100MA-1000MA，在此范围内，CSD17505Q5A栅极电压与关系的线性度要比IRF540好的多，故选择方案二。1.1.4 信号处理电路的设计方案与选择（1）A/D转换电路方案一：采用ADC0804。ADC0804属于连续渐进式的A/D转换器，模拟输入电压的范围0+5v，分辨率只有8位。方案二：采用TI的ADS1115IDGSR 。ADS1115IDGSR是具有内部基准的超小型、低功耗、16位模数转换器。封装尺寸要小 70%，14 倍的采样速率支持严苛的测量要求。根据设计要求，电压的测量精度要达到0.02%，分辨力为1mv，通常10位A/D芯片无法满足题目的

5、要求，而16位模数转换器满足题目的技术要求，并且ADS1115IDGSR是比赛提供的材料，而且ADS1115IDGSR是比赛提供的材料，故选择方案二。（2）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TI的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TLC5616的速度快，由于题目要求的分辨力分别为1mv和1mA，通常8位的D/A芯片无法满足题目的要求，而12位数模转换器满足题目的技术要求，并且TLC5616又为比赛提供的材料，故选择方案二。2.系统硬件设计2.1系统的总体

6、设计2.1.1 总体思路利用单片机及其外围电路，包括独立按键、液晶显示等。按键设定负载参数并显示，搭建电压/电流检测、电压/电流比较以及功率控制电路，模块化实现恒流，并加入自动过载保护。21.2直流电子负载结构框图独立按键输入STC89C521602显示DA转换TLC5616AD转换ADS1115IDGSRCSD17505功率控制过压保护被测电源设备 图3 直流电子负载结构框图2.2 主控电路的设计 主控电路主要由STC89C52单片机系统，DA、AD转换电路等构成。它可实现负载电流的设定，电流的动态稳定以及负载电压过压保护等功能。主控电路原理图如图5所示。 图4 主控电路原理图2.3 恒流电

7、路的设计本设计通过单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器转换成模拟量，再经过射极跟随器隔离，输出至场效应管的栅极，控制场效应管漏极电流，漏极电流的大小通过键盘设定。当电路由于某种原因导致上升，电阻上的电压上升，通过A/D转换芯片，实时把电流值转化为数字量，再经单片机分析处理，减小输出量，再经过D/A转换器转换成模拟量通过数据形式的反馈环节，使电流更加稳定，电子负载主电路如图5所示。 MCUD/AA/D图5 电子负载主电路 2.4 过压保护电路的设计 负载的电压经电阻分压，取得比较电压，送到比较器LM358中于基准电压进行比较，低于基准电压，输出高电平，反之，则输出低电平，该电平加至场效应管的

8、栅极使漏极电流减小。REF5025为比较器提供2.5V的基准电压，由专门的基准电压芯片可以使保护电路更加精确。过压保护电路如图6所示。图6 过压保护电路3.系统软件设计3.1程序总体设计此电子负载除了要完成作为负载的功能以外，还要实现I/U数据采集、测量与显示的任务。主程序流程图如图7所示。端口设置及芯片初始化液晶显示（恒流显示）设定电流值并送入电子负载电路NY电流设定？图7 主程序流程图32 恒流电路流程图流程图如图8所示。电流设定？YN设定电流值并送入电子负载电路 Ids<电流设定值增加D/A信号NYIds>电流设定值开 始初 始 化设 置 电 流 恒 定 值DAC 转 换 输

9、 出设 置 过 流 保 护电流采样进A/D转换减小D/A信号LCD 显 示 管 理结 束图8 恒流电路流程图4.系统的组装与调试4.3系统的测试4.3.1 测试仪器数字万用表VICIOR 8145B,万用表VC101,直流稳压电源GPS-3303C4.3.2 测量数据记录表1 负载端电压与预置电流的关系端电压（V）预置电流（mA）10.0100.0069.0100.0038.0100.0017.099.9986.099.996表2 负载变化时的测试电压(V)电流（mA）负载（）1009.98249.5409.96332309.94497209.92992104.4测试结果及其分析由数据表明，在

10、恒流（CC）模式下，不管电子负载两端电压是否变化，流过电子负载的电流为一个设定的恒定值。经计算，相对误差小于1%。说明系统在恒流模式下工作正常。5.结论经过团队的不懈努力，我们实现了题目的设计要求，在某些性能参数上超过了题目的要求。贴片Mos管的散热是一个很头疼的问题，想了很久也没有一个很满意的方案，另外AD、DA的芯片都是以前没有接触过的，网上的资料也很少，增加了编程的难度。且由于时间紧，工作量大，还有很多需要改进的地方，例如系统的整体布局，布线的合理性等都需要今后不断的实践。这次竞赛极大的锻炼了我们，结果是美好的但过程总是艰辛的。正是这种困境不断的提高了我们解决问题的能力。我们将不断的挑战

11、自己，取得更大的收获。参考文献1 吴文进. 多功能直流电子负载的设计与实现. 安庆师范学院学报：自然科学版，2011，17（3）.2 曲延昌. 数字电压表过压保护电路.电子世界，2007（6）.3 张迎新. 单片微型计算机原理应用及接口技术. 国防工业出版社，19934 黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛训练教程 . 电子工业出版社，20065 徐爱钧. 智能化测量控制仪表原理与设计. 北京航空航天大学出版社，2006附录附录1 总原理图 图10 总原理图附录2 部分源程序#include<reg52.h> /包含单片机寄存器的头文件#include"intrins.h&q

12、uot;#include "stdio.h"#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit RS=P12; /寄存器选择位，将RS位定义为P2.0引脚sbit RW=P11; /读写选择位，将RW位定义为P2.1引脚sbit E=P10; /使能信号位，将E位定义为P2.2引脚sbit BF=P07; /忙碌标志位，将BF位定义为P0.7引脚sbit tlv5616_clk=P21; /TLC5615sbit tlv5616_data=P20; /TLC5615 sbit tlv5616_fs=P23; sb

13、it tlv5616_cs=P22; sbit button1=P32;sbit button2=P33;sbit clock=P36; /锁信号sbit SDA=P15;sbit SCL=P14;/*以下横流变量程序*/unsigned int d=1800;/控制数unsigned int s;/控制程序字unsigned int b=100; /基准数字量/*/*函数功能：延时1ms(3j+2)*i=(3×33+2)×10=1010(微秒)，可以认为是1毫秒*/void delay1ms() unsigned char i,j; for(i=0;i<10;i+)

14、 for(j=0;j<33;j+); void delayns (unsigned int delay) while(delay-); 函数功能：延时若干毫秒入口参数：nvoid delay(unsigned char n) unsigned char i; for(i=0;i<n;i+) delay1ms(); /*函数功能：主函数*/ void main(void) float AD_code,AD_code1,AD_codesave; double AD_codef,AD_codef1,fulls,result; interintit(); LcdInitiate(); /将

15、液晶初始化 while(1) qDisplaya(0x0a); WriteAddress(0x0a); Displayd(d-1715); confige1115(0); PointRegister(); AD_code=Rd_ADS1115(); AD_codef=(AD_code-1)*18.5175/32767; if(flag2=1) fulls=AD_codef; else result=(fulls-AD_codef)/fulls;qDisplaya(0x4b);WriteAddress(0x4b);Displayfz(result);/显示百分数负载调整率 qDisplaya(0x00); WriteAddress(0x00); Displayuf(AD_codef); confige1115(1)