毕业设计论文基于单片机的电子负载的设计Word下载.docx
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（1）了解基于单片机的电子负载的设计原理和工作原理。
（2）进一步熟悉和掌握单片机的内部结构和工作原理。
（3）掌握单片机的接口技术及相关外围电路的设计方法。
（4）通过设计，掌握以单片机为核心的电路设计的基本方法和技术。
（5）通过完成一个包括电路设计和程序开发的完整过程，为我们今后从事相应工作打下基础。
1.2设计方案
1.2.1电子负载的工作原理
[1,2]直流电子负载可以具备恒定电流、恒定电阻、恒定电压、动态负载及短路负载等工作方式。
这里我们主要介绍恒定电流、恒定电压这两种工作方式。
（1）恒流方式
预置负载电源I/mA
电流源
A/D
通v/V道
图1.1电子负载恒定电流模式
图1.1是电子负载与被测电源的连接图和外特性图。
在恒定电流模式中,在额定使用环境下,不论输入电压大小如何变化,电子负载将根据设定值来吸收电流。
若被测电压在5,10V变化，设定电流为100mA，则当调节被测电压值时，负载上的电流值应维持在100mA不变,而此时负载值是可变的。
恒定电流模式能用于测试电压源及AD/DC电源的负载调整率。
（2）恒压方式
2
[3]图1.2为电子负载与被测电源连接图和外特性图。
在此方式下电子负载将吸收足够的电流来控制电压达到设计值。
恒定电压模式能被使用于测试电源的限流特性。
另外,负载可以模拟电池的端电压,故也可以使用于测试电池充电器。
v/V预置负载电压
电压源
电子负载
I/mA
图1.2电子负载恒定电压方式
1.2.2基于单片机的电子负载的设计方案
根据设计任务要求，本设计要求实现恒压、恒流两种放电模式。
工作模式由单片机设置并控制器控制电子负载的运行，并将采集到电源电压、电流等参数实时显示。
据上面的描述，设计模块中需要有对于电源放电电流和电压的实时检测电路，并通过A/D通道把数据传送给单片机进行处理，经过和设定值比较后做出判断，然后再通过D/A把判断结果传送给功率控制电路，从而实现恒流或是恒压控制。
控制模式可以使用按键进行切换。
采集到的电压和电流数据会实时地在显示电路中显示。
本电子负载设计方案采用能耗型设计，由单片机控制功率MOS场效应管的导通程度来实现恒流、恒压的负载工作状态。
电子负载的硬件设计方案框图如图
[4]1.3所示，各部分的作用和实现如下:
功率控制电路:
主要是作为功率消耗器件，拟采用一组小功率的功率IRF540（100V，30A）并联组成功率消耗电路。
驱动电路:
主要作用是给功率MOSFET提供驱动电压由三极管放大电路组成。
电压检测电路:
主要作用是检测被测电源的工作电压和开路电压。
电流检测电路:
主要是检测被测电源的放电电流，拟采用ACS750型集成电流传感器。
3
A/D电流检测
单通显示道电压检测片
按键输入机D/A功率控制
通
道
保护电路
图1.3电子负载硬件设计方案框图
保护电路:
提供对功率管的过流和过压保护，通过电压比较器钳位门极电位来实现电压和电流的保护。
单片机:
单片机是整个电子负载的控制和管理中心，它主要负责按电流和电压检测电路发来的电流电压信息控制功率MOSFET的放电过程，从而达到既定的工作模式要求。
D/A转换电路:
将单片机给出的数字控制信号转换成模拟电压作为驱动电压供给驱动三极管。
A/D转换电路:
将采集到的电压和电流信号转换成数字信号送到单片机。
显示电路:
将检测到的电流和电压实时显示在LED数码管上。
按键切换电路:
切换电流电压的显示以及电子负载的工作模式。
2.电子负载系统硬件设计
2.1单片机简介
[5,6]AT80C51是ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机片内含8Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM）。
32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工通信口，片内振荡器及时钟电路。
80系列单片机是低功耗CMOS工艺、内部含Flash存储器的特殊单片机，正是因为这特殊性，80系列单片机在产品开
发及生产便携式商品、手提式仪器等方面有着十分广泛的应用。
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，
4
当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在FLASH编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
P0口还可作地址/数据总线使用，此时可分为两种情况。
一种是以P0口引脚输出地址/数据信息，这是CPU内部发出高电平信号，打开与门，同时使多路开关MUX把COU内部地址/数据总线反相后与输出驱动场效应管T2栅极接通。
另一种情况由P0口输入数据，此时输入的数据时从引脚通过输入缓冲器2进入内部总线。
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。
P3口各个管脚及其备选功能如下:
P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
5
AT89C51的内部结构如图2.1所示
图2.18051单片机内部结构图[1,2]
2.2电子负载硬件电路设计
[7,8]在所有基于单片机的设计中，有一部分电路是必须的，比如时钟电路和复位电路，这里我们把它们和单片机的组合称之为单片机基本控制电路,如图2.2所示。
单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入和输出端。
而复位是使CPU和系统中其他部件都处
于一个初始状态，并从这个状态开始工作。
其中晶振Y1取11.0592MHz，C1，C2取22uF，C3取10uF，R1取200欧，R2取8.2千欧。
6
图2.2单片机基本控制系统2.2.1电压电流检测
（1）电压检测
电压测量电路可用串电阻分压电路即可实现对电源电压的测量，电路简单，易于实现。
但因没有隔离，断路时容易引入高电压而烧坏控制芯片，所以在和A/D转换芯，片的接口应加入集成运放单元。
电压测试电路如图2.4所示。
图2.3电压测量电路
如图2.3所示，假设被测试电压额定值为10V，而A/D转换器输入满量程为5V，则设定R3（VR1，R4）的比值为1:
1。
考虑到本次所设计负载最大放电电压为5V，因此R3的值取零。
（2）电流检测
为了设计的精确度，选用一种工作于开环状态的电流传感器，ACS750型集
[9,10]成电流传感器，其主要性能特点及功能如下:
具有自校准和电流隔离功能，使用时不需对增益及偏移量微调。
可检测的最
7
大电流为75A（150?
），输出电压灵敏度为19.75MV/A，输出阻抗为1。
采,,
用，5V电源时的静态输出电压为，2.5V。
且具有超低功耗可靠性高安全性好并采用+5V电源供电，电源电压的允许范围是，4.5V,，5.5V。
ACS750的外形如图2.4所示。
Ucc（1脚）、GND（2脚）分别为电源端和地。
Uo（3脚）为电压输出端。
IP，（4脚）与IP,（5脚）为一次侧引脚。
图2.4ACS750外形
2.2.2功率MOS场效应管
能耗型电子负载的基本原理是控制功率MOS场效应管的导通量（导通量占空比大小），依靠功率管的耗散功率消耗电能的设备。
从经济性和可靠性的角度考虑，本文选择了一种低成本的功率MOS场效应管——IRF540。
IRF540是一种N沟道增强型功率MOS场效应管，可耐压100V，最大工作电流30A。
它的主要特性为:
典型R（on）=0.050Ω，最大R（on）<
0.077Ω，采用雪DSDS
崩技术且100?
雪崩数据可重复。
具有极低的栅电荷高电流容量和高达75?
的工
作温度。
图2.5MOS场效应管内部结构
8
[11]图2.5是N沟道增强型功率MOS场效应管的内部结构图。
其中G是栅极，D是漏极，S是源极。
工作时，在栅极G和源极S之间加上正电压V，源极电GS流I将随着门源电压V的变化而变化。
DGS
2.2.3D/A、A/D转换电路
（1）D/A转换芯片及接口技术
此次电子负载设计中数模转换所用芯片为DAC0832。
DAC0832是一个8位D/A转换器。
单电源供电，从，5V到，15V均可正常工作。
基准电压的范围为?
10V;
电流建立时间为1S，CMOS工艺，低功耗20MW。
μ
DAC0832芯片为20引脚，双列直插式封装，其引脚排列图如图2.6所示DI7,DI0为转换数据输入，与单片机数据口连接。
图2.6DAC0802引脚
CS:
片选信号（输入），低电平有效。
ILE:
数据锁存允许信号（输入），高电
WR1平有效。
第l写信号（输入），低电平有效。
上述两个信号控制输入寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式，当ILE,
WR11时为输入寄存器直通方式;
当ILE,1和=1时为输入寄存器锁存方式。
XFERWR2:
第2写信号（输入）低电平有效。
数据传送控制信号（输入），低电平有效。
Iout1:
电流输出1。
Iout2:
电流输出2。
Rfb:
反馈电阻端。
DAC0832是电流输出，为了取得电压输出，需在电压输出端接运算放大器，Rfb即为运算放大器的反馈电阻端。
DAC0832内部已经有反馈电阻，所以Rfb端可以直接接到外部运算放大器的输出端。
9
Vref为基准电压，其电压可正可负，范围是,10V,，10V。
DGND:
数字地。
AGND:
模拟地。
DAC0832有三种不同的工作方式:
直通方式、单缓冲方式、双缓冲方式。
该设计选用了单缓冲工作方式。
所谓单缓冲方式就是使DAC0832的两个输入寄存器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式，或者说两个输入寄存器同时受控的方式。
（2）A/D转换芯片及接口技术
[12]ADC0809是一种8路模拟输入的8位逐次逼近式A/D转换器，为CMOS型单芯片器件。
其内部除8位A/D转换电路外，还有一个8路模拟开关，其作用可根据地址译码信号来选择8路模拟输入而共用一个A/D转换器。
转换结果
[12]通过三态输出锁存器输出。
ADC0809的工作过程就是:
首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。
ADC0809芯片为28引脚，双列直插式封装，其引脚排列如图2.7所示。
ADC0809各引脚功能如下:
图2.7ADC0809引脚图
D0,D7为8位数字量输出端,START为启动信号输人端，高电平有效。
ALE为地址锁存控制信号，由低电平至高电平的正跳变将通道地址锁存至地址锁存器。
通常把START和ALE连接在一起，通过程序输入一个正脉冲启动A/D转换。
EOC为转换结束信号，转换结束为高电平，可作中断请求信号。
OE为
10
输出允许控制，当OE有效时，可把内部转换的数据送往数据总线。
ADC0809与单片机有3种接口方式:
查询方式、中断方式和等待延时方式。
电路连接及编程主要涉及两个问题，一是8路模拟信号通道选择及启动A/D转换完成及转换数据的传送。
A、B、C分别接地址锁存器提供的低三位地址，只要把三位地址写入ADC0809中的地址锁存器，就实现了模拟通道的选择。
途中使用的线选法，口地址由P2.7确定，同时和WR相或取反后作为开始转换的选通信号。
因此该
，则8路通道IN0-IN7的地址为ADC0809的通道地址确定如下:
若无关位都取1
7FF8H-7FFFH。
2.2.4显示电路设计
[13]
（1）单片机应用系统最常用的显示器是LED（发光二极管显示器）、LED（液晶显示器）。
这两种显示器可显示数字、字符及系统的状态。
本次设计只要显示4位数字，不需显示图形或字符,因而采用七段数码管做显示器。
LED显示器有共阴极与共阳极两种结构，如图2.8所示。
图2.87段LED显示器原理图
（2）LED工作方式
LED显示工作方式可分为静态显示和动态显示。
在静态显示方式下，共阴极应固定接地共阳极应固定接高电平。
我们采用的是利用80951芯片I/O口构成键盘/显示接口电路，为简化电路，降低成本，显示将采用动态显示。
在动态显示中将所有相同位的段控线并联在一起，由一个I/O口线控制，8段由8个I/O口控制，而共阴极点或共阳极点分别由相应的I/O口线控制。
在本设计中，通过80C51单片机的P2口输出电平信号，进行选位。
当P2.0,
11
P2.3中的任意一口输出高电平信号时，与之相连接的三极管将被导通，从而使得与其相接的那一位LED显示器被选中，处于工作状态;
而未接收高电平信号的三极管将继续截止，其对应的LED显示器也不会进入工作状态。
3.电子负载系统软件设计
图3.1是本次设计所用的主程序流程图
图3.1电子负载设计的主流程图
电子负载系统对外界电压电流参数的测试过程中，我们可以把模数转换程序
[14]以子程序的形式在程序段中出现，而在主程序中当需要测量电压电流参数时，直接调用ADC转换子程序实现。
程序形式如下:
ORG0000H
LJMPMAIN
12
ORG0030H
MAIN:
LCALLCZSD
FD1:
JBP3.2,$防抖动程序
JNBP3.2,FD1
LCALLMKKZ;
调用模块控制程序
在本次软件程序设计过程中，用到了几个自定义的地址，意义如下:
30H电流设置初值
31H电压设置初值
32H电路电流值
33H电路电压值
40H控制电流输出值
41H控制电压输出值
1,ADC0809模数转换子程序设计
结合本设计硬件的连接方式，模数转换子程序采用均值滤波的设计方案，电压测量程序详见附录总程序。
电流值测量程序和电压测量程序相似，详见附录总程序。
2,DAC0832数模转换子程序设计
模数转换程序的设计，原理与模数转换程序设计一样，采用主程序中直接调用子程序的方法。
下面是恒压模式中控制电压的模数转换子程序:
UDAC:
MOVA,#7FFFH
MOVDPTR,A
MOVA,41H
MOVX@DPTR,A
LCALLUXIANSHI
RET
3,数值显示子程序设计
数值显示子程序的设计是本次软件程序设计的一个重要环节，这里只是一个通用的显示程序，具体用到需调用时只要稍作改动就可以了。
具体程序详见附录。
13
4,延时子程序设计
在本次设计中，不管是A/D、D/A转换或是显示子程序，还是主程序，都会
用到延时，下面就是在本次设计中用到的延时程序:
DELAY:
D5:
MOVR5,#1D6:
MOVR7,#10
D4:
MOVR6,#100
D1:
DJNZR6,D1
D2:
DJNZR7,D4
D3:
DJNZR5,D6
5,按键加减法程序
按键加法程序:
AJADD:
JBP3.4,$PUSHA
AJ1:
LCALLDISPLAYJNBP3.4,AJ1
POPA
INCA
按键减法程序:
AJDEC:
JBP3.5,$PUSHA
AJ2:
LCALLDISPLAYJNBP3.5,AJ2
DECA
6,恒流工作模式程序设计
恒流工作模式下，负载依靠单片机的反馈式控制，保证不管在多大的电压下
14
都吸收设定的电流，工作中可实时切换显示电流和电压。
7,恒压工作模式程序设计
恒压工作模式程序的设计和恒流方式有相同的原理，程序详见附录。
8,显示切换模式程序设计
显示切换程序在本次程序设计中是一个重点，也是难点，既要保证工作在所要求的工作模式下，又要能够实时切换显示电流和电压。
下面是本次设计所用到的显示切换程序，在读程序过程中，请注意结合恒流和恒压工作模式程序。
QH1:
LCALLIDAC
LCALLUDAC
LCALLIJZLB
LCALLUJZLB
MOVA,32H;
电流值送A
CJNEA,30H,IGBSC;
实际值不等于预设值，改变输出JNBP3.3,HLMS1;
有按键按下，显示切换
XSQH1:
JNBP3.2,HYMS;
有按键按下，切换到恒压工作模式
LJMPQH1
QH2:
MOVA,33H
CJNEA,31H,UGBSC;
实际值不等于预设值，改变输出
JNBP3.3,HYMS1;
XSQH2:
LCALLIXIANSHI
JNBP3.2,CZSD1;
有按键按下，则回到初值设定程序
LJMPQH2
4.结束语
设计的目的是基于80C51单片机控制的电子负载，能够直接检测被测电源
15
的电流值、电压值，以及在不同大小的负载下电源的输出功率值。
各个参数都能直观的在数码管上显示。
本设计证明，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，更简单、更快捷、更可靠地对电源、变压器、整流器等电子设备进行输出特性的测试。
在对恒定电流的负载、带输出接口的负载、随意调节的负载、恒功率的负载、动态负载以及多输出端口的负载测试过程中，或电压电流都要在设定范围突变等传统方法不能解决的领域里，电子负载更显其功能的优越性。
其跟据实际应用中对负载特性的要求进行设置，能满足在测试工作中对负载的各种要求，解决了开发研制测试中的难题。
参考文献
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西安电子科技大学出版社,
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