简易直流电子负载论文

1、2013全国大学生电子设计竞赛直流电子负载系统（高职高专组F）摘要本设计以STC89C52单片机为核心控制系统，采用了 DA输出控制电路、AD 电压电流检测电路、显示电路、键盘电路。通过运放、负反馈控制环路来控制 MOSFET的栅极电压使其阻变化，从而实现恒流工作模式MOS管既作为电流的 控制器件同时也作为被测电源的负载，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DA输出电路产生基准电压送往PI控制 器与实际电压相比较，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。关键词：电子负载；单

2、片机；恒流模式；A/D转换；D/A转换Abstract: This design with the core of STC89C52 MCU , using Da output control circuit, ad voltage and current detection circuit, display, keyboard, circuits.Using negative feedback control loop amplifier, to control grid voltage of the MOS to its internal resistance change, result

3、ing in constant current mode of operation.MOS both as a current control devices at the same time as the measured power load control part using stc89c52 single - chip puter to plete the set value input from the keyboard to the SCM, and then by DA output circuit voltage sent to the PI controller with

4、the actual voltage pared.In A / D converter circuit for voltage and current analog signals into digital signals by single - chip Microputer to control the conversion, and then use the LCD display shows the instantaneous voltage and current.Key word electronic load ; MCU; constant current mode ; Ad c

5、onversion ; DA conversionKey word目录1. 系 统 方 案 设 TOC o 1-5 h z 计4 HYPERLINK l bookmark21 o Current Document 1.1系统总体方案设计论证51.2系统具体设计方案6 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 1.2.1控制单元模块论证与选择6 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 1.2.2显示模块论证与选择6 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 1.2.3键

6、盘模块论证与选择6 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 1.2.4 DA转换模块的论证与选择72.系 统 理 论 分 析与计 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 2.1电子负载及恒流电路的分析7 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 2.2电压、电流的测量及精度分析8 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 2.3电源负载调整率的测试原理8 HYPERLINK l bookmark54 o Current Do

7、cument 3电路与程序设计8 HYPERLINK l bookmark57 o Current Document 3.1电电路设计8 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 1控制单元模块设计8 HYPERLINK l bookmark63 o Current Document 3.1.2恒流模块设计93键盘模块设计10 HYPERLINK l bookmark71 o Current Document 3.1.4A/D 与口/A转换模块设计11 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 5电源模块设计1

8、2 HYPERLINK l bookmark77 o Current Document 3.2程序设计134系统测试.134.1测 试 方 案 及 测 试 条件13 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 4.1.1测试方案13 HYPERLINK l bookmark89 o Current Document 4.1.2测试条件.14 HYPERLINK l bookmark92 o Current Document 4.2测试数据14 HYPERLINK l bookmark99 o Current Document 4.3测试结果分析155.

9、TOC o 1-5 h z 论15参考文献161系统方案设计电子负载系统由软、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，义可用 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。1.1系统方案总体设计论证根据系统的设计要求，得出以下三种方案：方案一：运用传统的电子负载设计方式通过比较器的比较结果及反馈 来控制MOSFET的栅极电压，从而达到其阻变化的目的，结构框图加图1-1所示：图1-1传统的电子负载设计方案二 采用了单片机作为核心控制器，设计了 AD电压电流检测电路、 键盘电路、液

10、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PWM占空比的依据。结构框图加图1 -2所示:图1-2方案二系统设计模块方案三：采用7STC89C52单片机作为核心控制器，设计7DA输出控制电路、AD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。结构框图加图1-3所示:通过比较，方案三简洁方

11、便，能更好的实现本次实验，故整个设计采用方 案三。1.2系统具体模块选择1.2.1控制单元模块论证与选择方案一：AT89C51单片机ATMEL公司的 AT89C51单片机价格便宜，应用广泛，实现较为复杂。但烧程序就不方便。方案二：STC89C52单片机STC89C52 与 AT89C51 基本性能相同，但 STC89C52 RAM 较多,8K flash,串 口可 以直接烧程序，可以和麻日直连。本设计采用Keil软件实现其软件部分的设计，故选择方案二。1.2.2显示模块论证与选择方案一：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、对外界环境要 求较低、易于维护等特点。电压和

12、电流的显示可以用数码管，但数码管显示的信 息量有限，只能显示简单的数字，其电路复杂，占用的系统I/O资源较多，显示 信息少，不宜显示大量信息。方案二：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。采用的是液晶显示（LCD） 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。本次设计中要测量实

13、际的电压电流值，故经过比较选择方案二。1.2.3键盘模块论证与选择方案一：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弓I脚资源，矩阵式键盘适用于按键数量较多的场台，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。方案二：非矩阵式键盘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台。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，电路结构显得复 杂。并且此键盘是用于按键较少或操作速度较高的场台。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

14、 需要有0-9的数字键、小数点等等按键，按键较多，所以键盘模块采用方案一。1.2.4 DA转换模块的论证与选择方案一： DAC0832DAC0832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 TLC5615TLC5615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，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

15、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，线路版面积缩小，成本降低，故选择方案二。2系统理论分析与计算2.1电子负载及恒流电路的分析电子负载是控制功率成晶体管的导通量，靠功率AD（2） x 5000）mV管的耗散功耗电I = 能的设备，它能够准确检测出负载电R 采样压，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。由于回路中会有大电流通 过，因此功率问题也要考虑。针对这个问题，本设计电路主要由TLV2460运

16、放、8050三极管、3DD15功 率三极管和2W/2Q功率电阻组成。大功率管实现扩流，10位DAC输出控制电压 送到运放同相输入端，根据运虚短的概念，运放的反相输入端电压将等于控制 电压，采样电阻的电压经放大后连接到运反相端，从而实现电压控制采样电阻 的电压，进而控制采样电阻的电流，即控制恒流源输出电流，恒定电流的计算为I =Vi / R。2.2电压、电流的测量及精度分析电压值通过AD电压值通过ADU =（卷x5000）mV实现测量电流值通过实现测量精度分析：（1）A/D转换芯片为10位ACSIC，精度为4.88mV但是在实际测量中存在一定的偏差；（2）采样电阻为2Q，实际电阻值会有所偏差，影

17、响精度；（3）分压电阻有一定的偏差，影响测量精度。2.3电源负载调整率的测试原理负载调整率计算公式为：错误!未指定书签。u - US =N X100%U0当1=0时，测得电压为U0 ;当I=1A时，测得的电压UN ;由此可测得负载调整率的大水。3电路与程序设计3.1电路设计3.1.1控制单元模块设计STC89C52单片机在系统中主要实现以下功能:设定值通过D/A转换输出基准 电压；实际工作电压A/口采样；LCD显示；键盘输入等。单片机总控制电路加图 3-1所示:P1.01P1.1、1P1.2 3|R9二I10KL S17,R10P1.01P1.1、1P1.2 3|R9二I10KL S17,R1

18、0.l1K 11II10uFVCCP1.56P1.67P1.78RSTP3.3 13P3.2 12P3.5FP3.4FVCCF30P白30P1918RST9rr,OP3T7JP316 口U1.P1.0(T2)(AD0)P0.0.P1.1(T2EX)(AD1)P0.1,P1.2(AD2)P0.2,P1.3(AD3)P0.3,P1.4(AD4)P0.4.P1.5(AD5)P0.5,P1.6(AD6)P0.6P1.7(AD7)P0.7P3.3(INTt)-(A8)P2. 0P3.2(INT0)(A9)P2. 1(A10)P2 .2.P3.5(T1)(A11)P2 .3P3.4(T0)(A12)P2

19、.4(A13)P2 .5EA/VPP(A14)P2 .6(A15)P2 .7.XTAL1XTAL2VCCGNDRST(RXD)P3.0(TXD)P3.1P3.7(RD)-P3 6(WR )ALE/PROG-PSEN21P2.0-P2.123P2.2P2.325P2.4P2.5VCC27 VCC28 GND VCC GND10 2912345678图3-1 STC89C52单片机与液晶显示模块连接电路电子负载系统中STC89C52的I/O 口分配连接情况如表3-1所示:表3-1单片机I/O 口分配I/O 口应用I/C 口应用F0. 0P0. 74X4矩阵键盘输入P2.2-P2. 7A/D采祥输入

20、Pl. 0-P1. 3口业转换输出XTAL1XTAL2时钟输入Fl. 0-P1. 4液晶显示模块RESET单片机复位信号3.1.2恒流模块设计恒流模块结构加图3-2所示:TLV2460C1I图3-2电压采样电路原理图SCLKCSDOUTTLV2460C1I图3-2电压采样电路原理图SCLKCSDOUTTLC5615SHDNVDD+J2.1.2-3VCCAD InputGND该电路通过运放及负反馈控制环路，是整个电路的核心实质，来控制3DD15 的基极电压，从而达到其阻变化3DD15三极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3DD15三极管的导通量，从而达到流过该 电子

21、负载的电流恒定，实现恒流工作模式。本系统通过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：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。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水数点。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。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

22、为执行负载调 节、印。采集、实际数据LCD显示等功能。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。复位清零键:当输入有误时，按下该键可以清除显示屏。键盘模块电路加图3-3所示:图3-3 4x4矩阵键盘电路图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，说明有键按下，接着 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。3.1.4必。与D/A转换模块设计A/D模块采

23、用TLC1549芯片，将模拟信号转换为数字信号，其弓I脚图加图3-4所示：88VCC7P3.46P3.35P3.2图 3-4 TLC1549 引 脚图D/A模块采用TLC5615芯片，将数字信号转换为模拟信号，D/A转换输出电路原 理图加图3-5所示:图3-5 D/A转换输出电路原理图3.1.5电源模块设计电源电路利用78XX系列集成稳压器的典型应用电路，利用串联输出不同的 电压，供电路各个部分工作。经过220V交流电降压后通过整流桥的作用，之后 通过7812输出+12V和通过7912输出-12V的直流电压供给运放工作，再通过7805 输出+5V的直流电压供给单片机A/D、D/A芯片工作。最后

24、通过串联具有良好热 稳定性能的三端可调分流基准电压源TL431产生2.5V的直流电压，作为D/A转换的输入基准电压。C6、C13、C14为滤波电容，C7、C8、C9、C10、C11、C12为分别输入端和输出端滤波电容。电源电路原理图加图3-6所示：3.2程序设计本系统程序设计都是采用Keil开发软件，C语言程序。C语言较方便，通俗 易懂。而且本系统采用的是模块化编程思路，使得程序更具有移植性和可读性。主程序软件流程加图3-7所示:开始系统初始彳一I按键扫描处理程序|d/a转换产生基准电压电压电流采样A/D转化液晶显示程序3.二一.检测电源是否完成？二- 十丫 结束图3-7软件主程序流程图在图3

25、-1中软件首先进jjDA、AD、LCD 液晶显示、控制变量初始化，再调 用键盘扫描处理程序，在没有按下没有按下自动调节启动停止按键时，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.系统测试4.1测试方案及测试条件4.1.1测试方案通过数字万用表串接进行电流校正、并接电压表进行电压校正，校正好之后，即可提供恒流供电，通过采集显示值和测量值进行测量。4.1.2测试条件把各模块整合起来，通过数字万用表与系统联机进行调试。通过测量得到的电流、 电压以及电源负载调整率等参量，测

26、量电源负载的相关特性。4.2测试数据（1）恒流模式下电流测量将万用表串联到待测电源正极输出，通过手动调整电流值，分辨力设置为100mA，分别测得相应的电流值，加表4-1所示:表4-1恒流模式下电流值电流设定值（mA）1002003004005006007008009001000电流测量值（mA）1012003004005006017008009001001（2）过压阀值电压通过调节负载电压，当电流突然变为零时，即为阀值电压，加表4-2所示: 表4-2过压阀值电压值测量次数12345阀值电压/V4.9824.9824.9824.9824.982（3）实时测量电子负载两端电压，如表4-3所示：表4

27、-3实时测量电子负载两端电压值显示值/V4.984.361.271.040.94测量值/V5.014.371.281.050.95（4）实时测量流过电子负载的电流，如表4-4所示：表4-4实时测量流过电子负载的电流值显示值/mA2004006008001000测量值/mA2004006008011000（5）电源负载调整率，加表4-5所示（这组数据有问题） 表4-5电源负载调整率串接电阻大水/Q111调整率84.5%84.5%84.5%4.3测试结果分析（1）在恒流工作模式下，电流工作围可以达到 100mA 1000mA ,分辨力 为100mA,由测得数据，完全满足精度1%的要求；（2）电路能实时测量并数字显