全国大学生电子设计竞赛《简易直流电子负载》设计报告.docx
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全国大学生电子设计竞赛《简易直流电子负载》设计报告
2012年江苏省大学生电子设计竞赛（TI杯）
简易直流电子负载（C题）
【本科组】
参赛学校：
这个保密
参赛队编号：
*****
参赛队员姓名：
A、B、C
2012年8月8日
摘要
本设计采用TI公司的MSP430F149型微处理器作为系统控制核心，主要由电压电流检测模块、过压保护模块、压控恒流电路模块以及液晶显示模块组成。
电压电流检测模块采用ADS1115DGSRAD转换器检测端口电压电流；过压保护模块主要采用OPA2340PA作为比较器控制压控模块的输出；压控恒流模块采用3DD15功率三极管作为功率器件；液晶模块采用12864作为系统的模式和数据显示屏。
数据结果给出了：
恒流工作模式的电流范围为100mA～1000mA，分辨力为10mA时显示值与测量值；恒流工作模式下，电子负载两端电压变化10V时，输出电流前后数值；过压保护电路的阈值电压；实时流过电子负载的电压、电流以及直流稳压电源负载调整率。
经测试，各项指标均达到题目提出的要求。
本设计还具有自动电流、电压测量校准功能以提高测量精度。
一、系统方案………………………………………………………………………………1
1.1方案的比较与选择………………………………………………………………………1
1.1.1恒流源电路……………………………………………………………………………1
1.1.2控制核心的选择………………………………………………………………………1
1.1.3显示模块方案…………………………………………………………………………2
1.2总体方案描述……………………………………………………………………………2
1.2.1总体思路………………………………………………………………………………2
1.2.2系统工作流程框图……………………………………………………………………2
二、系统理论分析与计算…………………………………………………………………3
2.1电子负载及恒流电路的分析……………………………………………………………3
2.2电压、电流的测量及精度分析…………………………………………………………3
2.3电源负载调整率的测试原理…………………………………………………………4
三、电路与程序设计………………………………………………………………………5
3.1电路设计…………………………………………………………………………………5
3.1.1微处理器模块…………………………………………………………………………5
3.1.2电源模块………………………………………………………………………………6
3.1.3过压保护………………………………………………………………………………6
3.1.4恒流模块………………………………………………………………………………6
3.1.5A/D模块、D/A模块…………………………………………………………………7
3.2程序设计………………………………………………………………………………8
四、测试方案与测试结果…………………………………………………………………8
4.1测试方案及测试条件……………………………………………………………………8
4.2测试结果…………………………………………………………………………………8
4.3测试结果分析……………………………………………………………………………9
五、总结展望………………………………………………………………………………10
附录1：
电路原理图…………………………………………………………………………11
附录2：
实物图………………………………………………………………………………12
简易直流电子负载（C题）
【本科组】
一、系统方案
1、方案比较与选择
（1）恒流源电路方案
方案一：
采用软件闭环控制
键盘预置电流值，经MCU处理产生电压信号，同时将采样电路采集到的实际输出电流值转化为电压信号，两者进行比较通过适当的控制算法，调整输出电流值使其与设定电流值相等，从而构成闭环控制系统。
方案二：
采用硬件闭环控制
硬件的闭环稳流的典型电路如图1所示，根据集成运放的虚短概念，可得到：
VR3=Vi*[R2/（R2+R1）]式中VR3为负载R3的电压，R3为取样电阻，Vi为单片机输出的电压，而此时电流I=VR3/R3。
若固定所有电阻不变，则I完全由Vi决定，故无论电路如何发生变化，利用反馈环的自动调节作用，都能使I保持稳定。
图1硬件闭环稳流控制
方案一最大的问题是：
若输入电源电压或负载发生变化，都需要经过一段时间调整后才能使电流稳定。
方案二硬件电路不仅简单而且又能快速得实现稳定的电流输出。
综合以上方案优缺点，决定采用方案二。
（2）控制核心的选择
方案一：
采用目前比较通用的MS-C51微处理器
价格相对便宜，技术比较成熟，编写程序较容易，自由度大，但运算速度较慢，在处理对精度有较高要求时表现明显不足。
方案二：
采用美国TI公司的MSP430微处理器
该单片机功能较强、兼容性好、超低功耗；并且具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、以及较高的数据处理和运算能力，系统最高时钟频率可达10MHZ，运行速度快。
简化硬件电路，提高测量精度，给调试、维护和功能的扩展带来了极大的方便。
综合以上方案优缺点，我们决定采用方案二。
（3）显示模块方案
方案一：
采用八段数码管显示
由于要求显示设定值和测量值，需要显示的值比较多。
采用LED数码管需要用动态扫描，占用资源比较多。
整个显示界面显得不太友好。
方案二：
采用12864B液晶显示器
12864B汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。
显示质量高，体积小，重量轻，功耗低。
液晶显示是字符式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。
本系统要显示的数据信息量大，要直观，出于系统要求，采用方案二12864液晶显示器。
2、总体方案描述
（1）总体思路
设计采用MSP430F149型微处理器为系统控制核心，通过键盘控制，采用12864液晶显示器作为系统的模式和数据显示屏。
通过恒流电路、功率电阻采样值，通过A/D转换，输入到MSP430F149微处理器。
通过处理器算法处理后，经过D/A转换，通过电压基准芯片，再经过恒流电路，检测被测电源设备。
系统设有过压保护电路，过压阀值为18V。
A/D和D/A模块采用3.3V供电，恒流电路和过压保护电路采用5V供电。
（2）系统工作流程框图
图2系统工作流程框图
二、理论分析与计算
1、电子负载及恒流电路的分析
电路原理图如图3所示，电路主要由TLV2460运放、8050三极管、3DD15功率三极管和20W2Ω功率电阻组成。
大功率管实现扩流，12位DAC输出控制电压送到运放同相输入端，根据运放虚短的概念，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放反相端，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I=Vi/R
图3电子负载及恒流电路
2、电压、电流的测量及精度分析
电压、电流的值通过MSP430算法实现测量
精度分析：
（1）A/D转换芯片为16位ADS1115I，精度为
，但是在实际测量中存在一定的偏差；
（2）采样电阻为2Ω，实际电阻值会有所偏差，影响精度；
（3）分压电阻有一定的偏差，影响测量精度。
准度分析：
利用Matlab画出不同电压值AD采样量
图4不同电压值AD采样量
函数拟合方程为：
0.762948×
方程满足线性关系，在电压校准时，选取一个值即可满足要求。
利用Matlab画出不同电压值DA采样量
图5不同电压值DA采样量
函数拟合方程为：
0.059411
方程满足线性关系，在电流校准时，选取一个值即可满足要求。
3、电源负载调整率的测试原理
电压调整率计算公式为：
×100%
当I=0时，测得电压为
；
当I=1A时，测得的电压为
；
由此可测得电压调整率的大小。
三、电路与程序设计
1、电路设计
（1）微处理器模块
主芯片MSP430F149具有16位总线的带FLASH，外设和内存统一编址，寻址范围可达64K，还可以外扩展存储器。
具有统一的中断管理,具有丰富的片上外围模块,片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器、一个14路的12位的模数转换器、一个看门狗、6路P口、两路USART通信端口、一个比较器、一个DCO内部振荡器和两个外部时钟，支持8M的时钟。
由于为FLASH型,则可以在线对单片机进行调试和下载，方便实用。
图6微处理器模块
（2）电源模块
通过AMS1117稳压芯片，提供稳定的5V电压，给恒流电路、过压保护电路供电。
A/D模块、D/A模块3.3V电压供电。
图7电源模块
（3）过压保护
过压保护电路如图所示，通过调节可变电阻R14的值，改变过压阀值为18V。
当电压高于阀值时，接入TLV2460SHDN端置零，切断电路，起到过压保护功能。
图8过压保护
（4）恒流模块
电路原理图如下图所示，电路主要由TLV2460运放、8050三极管、3DD15功率三极管和20W/2Ω功率电阻组成。
大功率管实现扩流，12位DAC输出控制电压送到运放同相输入端，根据运放虚短的概念，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放反相端，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。
图9恒流模块
（5）A/D模块、D/A模块
A/D模块采用ADS1115芯片，将模拟信号转换为数字信号，SDA接MSP430P2.1端，SCL接MSP430P2.0端。
D/A模块采用TLV56161芯片，将数字信号转换为模拟信号，电路图10所示。
图10AD模块、DA模块
2、程序设计
主程序流程图中断部分流程图
四、测试方案与测试结果
1、测试方案及测试条件
（1）测试方案
通过4位半的电流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。
（2）测试条件
把各模块整合以来，通过两块4位半数字万用表、稳压恒流源与系统联机进行调试。
通过测量得到的电流、电压以及电源负载量等参量，测量电源负载的相关特性。
2、测试结果
（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10mA，分别测得相应的电流值，记录数据如下：
电流设定值（mA）
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
电流测量值（mA）
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
（2）恒流模式电压变化10V电流测量
分别设定不同的电流，负载电压从5V到15V负载两端电压变化10V，测量输出电流两个状态对应的值，记录数据如下：
电流/mA
电压/V
250
500
750
1000
5
250
500
750
1000
15
251
501
750
1001
（3）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。
测量次数
1
2
3
4
5
阀值电压/V
18.1
18.0
18.1
18.0
18.0
（1）实时测量电子负载两端电压
显示值/V
6000
8000
10000
12000
14000
测量值/V
6000
8000
10001
12000
14001
（2）实时测量流过电子负载的电流
显示值/mA
500
600
700
800
900
测量值/mA
500
600
701
801
900
（3）电源负载调整率
串接电阻大小/Ω
0
2
4
调整率
8.6%
13.5%
31.9%
3、测试结果分析
（1）在恒流工作模式下，电流工作范围可以达到100mA～1000mA，分辨力为10mA，由测得数据，完全满足精度±1%的要求；
（2）在不同电流值的恒流工作模式下，当负载两端电压变化10V时，由数据得输出电流变化的绝对值远小于变化前电流值的1％，满足题目要求；
（3）电路具有过压保护功能，过压阈值电压平均值为18.04V，满足题目要求；
（4）电路能实时测量并数字显示电子负载两端的电压和流过电子负载的电流，分辨力分别为1mv和1mA，由数据可知，测量精度都小于题目中的要求，满足要求；
（5）能够自动测量直流稳压电源负载调整率，为了便于测量，通过串接电阻实现。
由数据可知，满足题目要求的测量的范围，满足要求。
五、总结展望
在大赛规定的时间内，经过团队成员的共同努力，作品制作完成。
由电路设计分析计算和测试数据可知：
本系统能够实现题目中基础部分和发挥部分的功能要求，并达到各项参数指标，测量结果通过单片机程控直观的在液晶上显示。
此电子负载能很好的替代传统的测试方法中一般采用的电阻、滑线变阻器、电阻箱等设备进行输出特性的测试。
从最开始的资料搜集、电路设计，到元件选型、PCB制板，再到的电路焊接、整体调试。
每一步都印证着团队在电子设计上的成功与喜悦。
时间仓促，以及团队能力所限，此次设计也存在一些需要改进的方面，比如是功率电阻、分压电阻存在一定偏差，导致测量精度有误差，希望能在以后能改善这方面的缺陷。
恳请各位专家、老师批评指正！
附录1：
电路原理图
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