基于单片机的电子负载本科毕业论文含原理图及程序.docx
《基于单片机的电子负载本科毕业论文含原理图及程序.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的电子负载本科毕业论文含原理图及程序.docx（82页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于单片机的电子负载本科毕业论文含原理图及程序
本科毕业论文
基于单片机的电子负载
摘要
电子负载的原理是控制内功率MOSFET或晶体管的导通量，靠功率管的耗散功率消耗电能的设备，它的基本工作方式有恒压、恒流、恒阻、恒功率这几种。
本设计从直流电子负载系统方案分析入手，详细讨论了整个系统的硬件电路和软件实现，并给出较为合理的解决方案。
为便于控制的实现和功能的扩展，采用了STC89C52单片机作为核心控制器，设计了DA输出控制电路、AD电压电流检测电路、键盘电路、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。
通过运放、PI调节器及负反馈控制环路来控制MOSFET的栅极电压，从而达到其内阻变化。
这个控制环路是整个电路的核心实质，MOS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。
控制MOS管的导通量，其内阻发生相应的变化，从而达到流过该电子负载的电流恒定，实现恒流工作模式。
本设计能实现电子负载的恒流控制：
能够检测被测电源的电流、电压及功率并由液晶显示。
在额定使用环境下,恒流方式时不论输入电压如何变化（在一定范围内），电子负载将根据设定值来吸收电流，流过该电子负载的电流恒定。
关键词：
电子负载；恒流模式；PI调节器；AD转换；DA转换
ABSTRACT
TheprincipleofelectronicloadiscontroloftransistorsinsidepowerMOSFETortheguidefluxofpowertube,itisaconsumptionpowerequipmentwhichdependsonthedissipationpoweroftube,therearefourbasicworkingwaysthatpersistencepressure,constantcurrent,theconstantresistance,constantpower.
ThisdesignstartwiththeanalysisofDCelectricloadsystemsolutions,itdiscussedtherealizationofthewholesystemhardwarecircuitandsoftwareindetail,andgiveareasonablesolution.Inordertorealizethecontrolandtheexpansionoffunctionconveniently,weadoptedtheSTC89C52microcontrollerasthecorecontroller,anddesignedtheDAoutputcontrolcircuit,ADvoltagecurrentdetectioncircuit,keyboardcircuit,displaycircuitanddrivecircuit,throughthecoordinationbetweenhardwareandsoftware,finally,werealizedthewholedesign.PIadjusterandnegativefeedbackcontrolloopofthecircuitwhichcontrolthegridvoltageofMOSFET,soastochangeitsresistance.Thecoreessencesaretheop-amp,MOStubeherebothasacontroldeviceandasapowerloadtested.ControllingtheguidefluxoftheMOStube,theresistanceoftheMOStubewillchangeaccordingly,thusthecurrentwhichflowstheelectronicloadcurrentwillconstant,Atlast,werealizedconstantcurrentworkpattern.
ThisdesigncanrealizetheConstant-currentcontroloftheelectronicload:
itcanmeasuredthecurrent,voltageandpowerofMeasuredpowerandtheLCDdisplay.Ifitusesituationsinrated,nomatterhowtheinputvoltagechangeintheconstant-currentmode（withinacertainrange）,theelectronicloadwillbebasedonsettingtoabsorbthecurrent,thecurrentwhichflowstheelectronicloadwillconstant.
Keywords:
electronicload;constant-currentpattern;PIadjuster;ADtransform;DAconversion
目录
绪论1
第一章电子负载系统设计方案2
1.1电子负载工作原理2
1.2系统设计要求3
1.3系统总体设计方案论证3
1.4系统具体设计方案5
第二章电子负载硬件系统设计6
2.1核心处理器的设计6
2.2显示模块的设计7
2.3键盘模块8
2.4D/A转换模块的选择10
2.5采样电路模块11
2.5.1电压采样电路12
2.5.2电流采样电路12
2.5.3输入的模拟量采样13
2.6电流取样PI控制器等组成的负反馈控制模块14
2.7PI调节器15
2.8功率电路模块17
2.8.1电子模拟负载方式的选择17
2.8.2功率耗散MOS管的选型17
2.9电源电路的设计19
第三章电子负载软件系统设计21
3.1电压电流A/D采样程序设计22
3.2液晶显示子程序22
3.3D/A转化程序23
3.4键盘识别处理程序设计24
第四章系统调试25
4.1硬件调试25
4.2软件调试26
4.3软硬件综合调试26
第五章结论27
致谢28
参考文献29
附录一整体电路原理图30
附录二电子负载设计程序31
绪论
在人们生活的多个领域都要用到负载测试，如充电电源试验、蓄电池放电试验以及购买电池、电源时等都需要负载测试。
当前，国内外对上述产品的试验一般都采用传统的静态负载（如电阻、电阻箱、滑线变阻器等）能耗放电的办法进行。
随着电力电子技术的、计算机技术和自动控制技术的迅速发展，为电源检测技术带来了革命性的变化。
由于铁道电气化供电、电气牵引、信号控制、无线通信、计算机指挥调度中心及家庭日常生活等应用领域都在大量应用各种各样的电源，因此人们对电子负载的需求越来越多，对其性能要求也越来越高。
而传统的电源检测技术面临着极大的挑战。
为准确检测电源的可靠性和带载能力，因此把电力电子技术和微机控制技术有机地结合起来，实现电源的可靠检测。
从电源类型来看，电子负载可分为直流电子负载和交流电子负载两种。
直流电子负载比起交流电子负载，应用的历史较长，范围更广。
最初在实验室，利用电力电子器件的特性，通过分析等值电路，用电力电子元件搭建电子电路来模拟负载，可以实现定电阻、定电压等特性。
随后又有工作人员将单片机技术应用到电子负载中，逐步可实现定电流模式和可编程斜率模式。
单片机技术与变换器电路的密切结合还使得电子负载可以工作在其它多种模式下:
定功率模式、动态电阻模式、短路模式等。
随着功率场效应晶体管（MOSFET），绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和场效应晶闸管（McT）等主要开关器件的出现以及电力电子变换器拓扑的发展，由于变换器能更好的将一种电能变为另一种或多种形式的电能，交流电子负载也得到了实现。
交流电子负载是可以模拟传统真实阻抗负载的电力电子装置，它能模拟一个固定或变化的负载，甚至将试验的电能反馈回电网，其设计初衷是交流电源出厂试验。
交流电源出厂试验通常采用电阻箱耗能的办法，它存在调节不便、自动化程度低、耗电量大等缺点，而采用交流电子负载进行试验可有效克服这些缺点，它可使试验更加简单、灵活，且大大降低试验的成本。
电子负载可以模拟真实环境中的负载（用电器）。
它有恒流、恒阻、恒压和恒功率功能，以及短路，过流，动态等等，应该说所有的电源厂家都会有用，而且也必须有。
电子负载分为直流电子负载和交流电子负载，由于电子负载的应用方面问题，直流电子负载应用比较广泛，本文主要介绍直流电子负载。
电子负载与传统的模拟电阻性负载相比具有节能、体积小、重量轻、成本低、效率高等优点，由于电子负载所具有的性能特点和优点，电子负载被越来越多地应用到各种试验场合。
因此，电子负载的研究具有广阔的市场和广泛的应用前景。
第一章电子负载系统设计方案
1.1电子负载工作原理
电子负载用于测试直流稳压电源、蓄电池等电源的性能。
电子负载的原理是控制内功率MOSFET或晶体管的导通量（占空比），靠功率管的耗散功率消耗电能的设备，它能够准确检测出负载电压,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。
它的基本工作方式有恒压、恒流、恒阻、恒功率这几种。
（1）恒定电流方式
在定电流模式中,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。
定电流模式能用于测试电压源及AD/DC电源的负载调整率。
负载调整率是电源在负载变动情况下能够提供稳定的输出电压的能力,是电源输出电压偏差率的百分比。
（2）恒定电阻方式
此种状态下，负载如纯电阻，吸收与电压成线性正比的电流。
此方式适用于测试电压源，电流源的启动与限流特性。
在定电阻模式中,电子负载将吸收与输入电压成线性的负载电流。
若负载设定为1kΩ,当输入电压在1～10V变化时,电流变化则为10～100mA。
（3）恒定电压方式
在定电压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。
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。
（4）恒定功率方式
在定功率工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定的功率大小而定，此时负载电流与输入电压的乘积等于负载功率设定值，即负载功率保持设定值不变。
本电子负载机实现了在恒流模式下一定范围内的正常工作，PI调节器的基准电压由单片机D/A转换输出。
用A/D转换器与单片机连接把电路中电压电流的模拟信号转换为数字信号，然后用液晶显示方式显示出即时的电压电流。
1.2系统设计要求
根据电子负载的原理，设计出实现恒流模式下的电子负载：
能够检测被测电压型电源的电流、电压及功率并由液晶显示。
在额定使用环境下,恒流方式为不论输入电压如何变化（在一定范围内），电子负载将根据设定值来吸收电流，流过该电子负载的电流恒定。
设计出最大功率为100W，电流O一20A，电压O一50V的直流电子负载。
1.3系统总体设计方案论证
根据系统的设计要求，得出以下三种方案：
方案一：
如图1-1所示，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，从而达到其内阻变化的目的。
方案二：
如图1-2所示，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，与预置值进行比较，作为单片机进一步调节PWM占空比的依据。
图1-1传统的电子负载设计
图1-2方案二系统设计模块
方案三：
为便于控制的实现和功能的扩展，如图1-3所示为新型电子负载设计系统模块框图。
采用了STC89C52单片机作为核心控制器，设计了DA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。
通过运放、PI调节器及负反馈控制环路，是整个电路的核心实质，来控制MOSFET的栅极电压，从而达到其内阻变化。
MOS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PI调节器控制MOS管的导通量，从而达到流过该电子负载的电流恒定，实现恒流工作模式。
图1-3方案三系统模块框图
经过比较，传统的设计方案主要靠硬件实现，成本较高。
而且采用运放进行比较控制MOS管只有通和断两种情况，不能实现逐渐改变MOS管导通角的变化，不易控制。
方案二通过单片机输出一定占空比的PWM控制信号，控制MOS管的导通和关断时间，来获得实际所需的工作电流、电压。
这对于占空比的细调节不易控制，误差较大。
方案三采用通过软、硬件的协调配合，实现了整个设计。
通过运放、PI调节器及负反馈控制环路，能够较精确的控制MOS管的导通量，实现无静差的调节。
故整个设计采用方案三。
1.4系统具体设计方案
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，又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。
电子负载系统的硬件部分包括以下部分：
（1）单片机的选择与I/O的分配
（2）液晶显示模块
（3）键盘模块
（4）D/A转换模块
（5）A/D转换电压电流采样模块
（6）电流取样PI控制器等组成的负反馈控制模块
（7）电源电路模块
电子负载系统的控制程序，包括以下部分:
（l）人一机联系程序。
包括按键信息输入程序和液晶显示输出程序等。
（2）数据采集和处理程序。
主要是D/A转换程序、A/D转换程序、电压电流采样程序。
本制作的电子负载，主要实现其恒流工作模式，如图1-3所示为方案三系统模块框图。
电路的核心实质是一个电流取样PI控制器负反馈控制环路，MOS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。
PI控制器控制MOS管的导通量变化与截止，从而达到保持电流恒定的目的。
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，基准电压与实际电压相比较的偏差控制MOS管的导通量变化与截止，从而达到保持电流恒定的目的。
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。
第二章电子负载硬件系统设计
2.1核心处理器的设计
核心处理器负责控制与协调其他各个模块工作，并进行简单的数字信号处理。
在整个电子负载系统中，主控器是系统的控制中心，其工作效率的高低关系到系统效率的高低以及系统运行的稳定性。
设计过程中用单片机作为主控制器。
方案一：
采用ATMEL公司的AT89C51,51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：
STC89C51与AT89C51基本性能相同，但STC89C51RMB较多,8Kflash,串口可以直接烧程序，可以和Keil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。
图2-1STC89C52单片机与液晶显示模块连接电路
表2-1单片机I/O口分配
I/O口
应用
I/O口
应用
P0.0--P0.7
4×4矩阵键盘输入
P2.2—P2.7
A/D采样输入
P1.0—P1.3
D/A转换输出
XTAL1--XTAL2
时钟输入
P1.0—P1.4
液晶显示模块
RESET
单片机复位信号
单片机总控制电路如图2-1所示：
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、电流A/D采样；LCD显示；键盘输入等。
表2-1为电子负载系统中STC89C52的I/O口分配连接情况。
2.2显示模块的设计
方案一：
采用数码管显示。
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：
考虑到本系统中显示的内容以及系统的实用性，采用液晶显示（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。
本次设计中要测量实际的电压电流值，采用的是Nokia5110液晶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。
故经过比较选择方案二
Nokia5110液晶显示特点：
（1） 性价比高，可以显示15个汉字、30个字符，价格相对便宜；
（2） 接口简单，仅四根I/O线即可驱动；
（3） 速度快，是LCD12864的20倍，是LCD1602的40倍；
（4） Nokia5110工作电压2.3V，正常显示时工作电流200uA以下，具有掉电模式，适合电池供电的便携式移动设备。
图2-2单片机与LCD通信
如图2-1所示为STC89C52单片机与液晶显示模块连接电路。
如图2-2所示为单片机与LCD通信过程。
液晶的主要工作原理
（1）SPI接口时序写数据/命令
Nokia5110（PCD8544）的通信协议是一个没有MISO只有MOSI的SPI协议：
图2-3串行总线协议―――传送1个字节
（2）Nokia5110的初始化
接通电源后，内部寄存器和RAM的内容是不确定的，这需要一个RES低电平脉冲复位一下。
图2-4Nokia5110复位时
（3）显示英文字符
英文字符占用6*8个点阵，通过建立一个ASCII的数组font6x8[][6]来寻址。
（4）显示汉字
显示汉字可以采用两种点阵方式，一种是12*12点阵，一种是16*16点阵。
2.3键盘模块
方案一：
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合。
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合。
方案二：
矩阵式键盘则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引脚资源，矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合,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。
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二。
图2-54×4矩阵键盘电路图
如图2-5所示：
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:
（l）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。
（2）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小数点。
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。
（3）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，单片机将转为执行负载调节、A/D采集、实际数据LCD显示等功能。
（4）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。
（5）复位清零键:
当输入有误时，按下该键可以清除显示屏。
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。
2.4D/A转换模块的选择
方案一DAC0832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：
TLC5615D/A采用的是串行数模转换器。
TLC5615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，线路板面积缩小，成本降低，故选择方案二。
如图2-6所示为D/A转换输出电路原理图。
D/A变换输出采用TLC5615与单片机连接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。
图2-6D/A转换输出电路原理图
在电路设计中VREF=2Vrefin×N／1024；其中，Verfin为TLC5615的参考电压，取1.5V,N为输入设定值的二进制数。
VREF为到PI调节器与实际值相比较的基准电压。
如图2-7所示为TLC5615与反相器的连接图，见式（2-1）为D/A变换输出通过一个反相器送到PI调节器的基准电压与输入给定电压的关系。
VREF=5N／1024（2-1）
（N为输入设定值的二进制数）
如图2-8TLC5615的时序图可以看出，当片选CS为低电平时，输入数据DIN由时钟SCLK同步输入或输出，而且最高有效位在前，低有效位在后。
输入时SCLK的上升沿把串行输入数据DIN移入内部的16位移位寄存器，SCLK的下降沿输出串行数据DOUT，片选CS的上升沿把数据传送至DAC寄存器。
图2-7TLC5615与反相器连接图图2-8TLC5615时序图
2.5采样电路模块
方案一采用8位A/D转换器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。
其作用可根
升级会员 