以STC12C5A60S2单片机为控制核心直流电子负载设计

#摘要：本系统是以STC12C5A60S2单片机为控制核心，具有深度负反馈的数字程控直流电子负载。系统通过集成运算放大器和MOS管，构成了可以输出恒压，恒流和恒阻的装置。单片机通过12位的AD和12位的DA对输出的电压，电流和电压进行检测和反馈，从而控制输出的数据精度和保证了要求范围内的稳定性。此外，系统还可以通过按键对输入的电压，电流和电阻进行设定,由LCD屏显示电压，电流和电阻的数值，并带有过载保护和声光报警装置。关键词：单片机负反馈恒流恒压恒阻过载保护一.方案论证与设计.整体方案设计（见图1）图1整体设计图.模块方案比较MCU的模块方案一：采用普通的STC89C51单片机，控制简单。但自身只有定时器和串口，资源有限。方案二：STC12C5A60S2单片机在原有51系列单片机的基础上，增加了很多新的功能，比如说IO口驱动能力强，可以使用原来的“准IO口”功能，也可以用推挽输入输出IO、高阻IO、开漏IO等IO形式。在外设方面增加了AD模块、PWM模块、PLL模块、DAC模块、SPI模块、CAN模块等等。增大了ROM和RAM,并且有的增加了EEPROM或者FlashROM。经过比较我们选择了方案二。恒流模块方案一：采用三极管构成恒流源。当晶体管处于放大状态时,电路输出的电流恒定。但三极管受温度影响比较大,而且因温度引起的飘移不能解决,抗干扰能力差,使电路的精度下降。（见图2）

vccR2Res：R1Vin| 1vccR2Res：R1Vin| 1Res2(2N930AGNDDcSfflA续流二极管_±LC1CapPollIRL 恒流输出Res2IKF540PXM调制波LOrnHRes2GNDDcSfflA续流二极管_±LC1CapPollIRL 恒流输出Res2IKF540PXM调制波LOrnHRes2100K电流采样20K100K电流采样20K图3开关电源构成恒流源电路图方案三：采用运放和MOS管等构成恒流源。如图4,R2为取样电阻，当2脚的电压小于3脚时，tlv2372的输出加大，增加MOS管的导通。当2脚的电压大于3脚时，tlv2372的输出减小，使MOS管的导通减少，从而保持系统的电流恒定。DA由单片机控制输入，然后将输出的值经过AD反馈给单片机，单片机将反馈信号和预置的信号进行对比，从而调整输出。此方案精度比较高,输出的纹波小。（见图4）thy2372IRF5NJ540

100K电压采样100K士H-图4MOS管等构成恒流源电路图经过分析，我们采用了方案三。恒压模块方案一：采用BUCK恒压电路实现恒压源。BUCK电路效率高，可以输出大电流，静态

电流小。但是电路输出纹波大，在有限的时间内实现比较困难。方案二：采用运放和MOS管实现恒压源。如图5,R1和R2对MOS管上的电压进行分压，用R2的电压与给定的电压值进行比较，从而通过TIV2372来控制MOS管的导通情况，影响S点的电压，使其保持不不变。这样电路简单，精确，容易实现。对于电流的检测，是由R4上的电压值采集得到的；电压的检测通过R5和R6的分压来采集。（见图5）经比较,我们选择方案二。4恒阻模块方案一：恒阻模块是在恒流的基础上实现的,在恒流的电路上用单片机检测到输入电压,计算电流,从而达到恒阻的功能。此方法操作简单,不需要再另接电路,节省材料成本易于实现。方案二：通过硬件电路来实现。此方案更加精确和易于控制,但是原理上与恒流模式没有太大区别。经比较,我们选择方案一。显示模块方案一：数码管数码管只能显示显示简单的数字和汉字,而且显示的位数有限制,不能很好的并精确的显出电压，电流以及电阻的数值。如果并口驱动需要占用大量的I/O接口，若采用芯片还需要另接电路。方案二：led显示屏接口简单应用方便,屏的可视面积大,可以显示大量的文字和图形,字迹清晰美观,能很完整的显示我们所需要的数字和汉字,易于人机交互。经过比较我们选择了方案二A/D模块方案一：采用单片机内部自带的八位ADC实现A/D转化。这样减少了外围电路，减轻了软件的负担。但是，题目要求恒流的范围是100mA〜2A,精确度小于5%，而单片机内部的ADC的精确度为255，达不到要求。方案二：使用高位AD转化芯片。TLC2543是十二位的AD转换芯片，与外围电路的连线简单有三个控制输入端，采用简单的3线SPI串行接口可方便地与微机进行连接具有转换速度快，低功耗的特点。并且使用的精度高，可以达到我们的要求。过载保护模块采用继电器来实现。为了防止大电流对MOS管的损伤，必须进行过流保护，根据对电流值的实时检测控制继电器的开断来实现电路保护。为了尽可能减少继电器的使用，将继电器置于模式选择开关之前，虽然切断了整个电路，但是这并没有造成其它不良后果。(见附录图7)三．电路设计恒流模式参数计算恒流模式的参考电压由DA输出，TLV5616型模数转换器的输出电压为0〜5丫，为了达到2A的输出电流，图3中R2的阻值采用了2.5Q大功率水泥电阻，其完全满足本题要求2A电流时的功率要求。对于电压和电流的采样均通过分压电阻来实现，以满足AD转换器对于5V最大检测电压的控制。恒流模式下电流的计算公式为I=VDA/R2；电压实际值的计算公式为U实际=UAD*6。恒压模式参数计算恒压模式的参考电压同样由DA输出，为了达到20V甚至以上恒定的电压，R2的阻值选为5k,而R1的阻值选为1k。电流采样由0.1Q精密水泥电阻实现，电压采样同样通过电阻分压实现。恒压模式下电压的计算公式为U=UDA*6；电压的实际值应为采集电压的6倍，即U实际=UAD1*6;电流实际值应为采集电压与R4的比值即I实际=UAD2/R2；恒阻模式参数计算为了达到恒阻的目的，利用恒流的模式恒流特性，仅需在恒流模式的基础上测试外部电压，然后利用欧姆定律控制输出恒流即可得到恒阻。四．测试结果1.恒压测试结果：(见表1)表1恒压测试结果预置电压(V)电流(A)测量电压值(v)精度10.11.0070.7%0.21.011.0%0.31.0151.5%40.14.020.8%0.34.0491.3%0.54.0531.4%0.110.0240.24%

100.310.0520.52%0.510.0670.67%150.115.0330.27%0.315.0590.39%0.515.0770.51%200.120.060.30%0.320.090.45%0.520.130.61%250.125.070.28%0.325.100.40%0.525.130.52%2.恒流测试结果：(见表2)表2恒流测试结果预置电流(A)电压(V)测量电流值(A)精度0.11.50.09910.9%19.30.09920.8%320.09930.7%0.2150.1981%200.1990.5%250.1990.5%0.5160.4961%220.4970.6%280.4970.6%

0.8160.7930.8%220.7950.6%280.7970.4%1.0160.9950.5%220.9970.5%280.9980.2%1.5161.4890.7%221.4940.4%281.4960.2%2.0161.9820.9%221.9880.6%281.9910.5%3.恒阻测试结果：(见表3)表3.恒阻测试结果实际电阻值测量电压(V)测量电流(A)测量电阻值精度105.000.4110.202.04%10.000.9710.313.09%20.001.9510.262.56%205.000.2619.233.85%10.000.5119.611.96%20.001.0319.771.31%305.000.2128.574.76%10.000.4228.574.75%20.000.6229.033.23%结果分析：通过测试我们发现我们恒流模式电流达到了100mA〜2A,相对误差小于5%；恒压模式电压达到了1〜30V,相对误差小于5%，均满足题目的要求。我们分析产生误差的原因，是因为我们的DA输出不稳定，并且选择的电阻不够精确等原因造成的。五．总结经过了四天三夜的奋斗，我们终于完成了直流电子负载的制作。从开始时对方案的讨论，到最后反复的对系统的性能进行测试，我们付出了很大的努力。在这个过程中，我们不断地加强自