简易直流电子负载论文.docx
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简易直流电子负载论文
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；单片机；恒流模式；A/D转换；D/A转换
Abstract:
ThisdesignwiththecoreofSTC89C52MCU,usingDaoutputcontrolcircuit,advoltageandcurrentdetectioncircuit,display,keyboard,circuits.Usingnegativefeedbackcontrolloopamplifier,tocontrolgridvoltageoftheMOStoitsinternalresistancechange,resultinginconstantcurrentmodeofoperation.MOSbothasacurrentcontroldevicesatthesametimeasthemeasuredpowerloadcontrolpartusingstc89c52single-chipputertopletethesetvalueinputfromthekeyboardtotheSCM,andthenbyDAoutputcircuitvoltagesenttothePIcontrollerwiththeactualvoltagepared.InA/Dconvertercircuitforvoltageandcurrentanalogsignalsintodigitalsignalsbysingle-chipMicroputertocontroltheconversion,andthenusetheLCDdisplayshowstheinstantaneousvoltageandcurrent.
Keyword:
electronicload;MCU;constantcurrentmode;Adconversion;DAconversion
1.系统方案设计..........................................................................4
1.1系统总体方案设计论证.......................................................................................................................................................................................................................5
1.2系统具体设计方案.......................................................................................................................................................................................................................................6
1.2.1控制单元模块论证与选择...............................................................................................................................................................................6
1.2.2显示模块论证与选择....................................................................................................................................................................................................6
1.2.3键盘模块论证与选择....................................................................................................................................................................................................6
1.2.4D\A转换模块的论证与选择......................................................................................................................................................................7
2.系统理论分析与计算..............................................................7
2.1电子负载及恒流电路的分析......................................................................................................................................................................................................7
2.2电压、电流的测量及精度分析..............................................................................................................................................................................................8
2.3电源负载调整率的测试原理............................................................................................................................................................................................8
3.电路与程序设计....................................................................8
3.1电电路设计...........................................................................................................................................................................................................................................8
3.1.1控制单元模块设计....................................................................................................................................................................................................8
3.1.2恒流模块设计....................................................................................................................................................................................................................9
3.1.3键盘模块设计...............................................................................................................................................................................................................10
3.1.4A/D与D/A转换模块设计..........................................................................................................................................................................11
3.1.5电源模块设计...............................................................................................................................................................................................................12
3.2程序设计............................................................................................................................................................................................................................................................................13
4.系统测试.................................................................................13
4.1测试方案及测试条件............................................................................................................................................................................................................................13
4.1.1测试方案..................................................................................................................................................................................................................................................13
4.1.2测试条件................................................................................................................................................................................................................................................14
4.2测试数据.......................................................................................................................................................................................................................................................................14
4.3测试结果分析.........................................................................................................................................................................................................................................................15
5.结论........................................................................................15
参考文献...................................................................................16
1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，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。
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，结构框图如图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。
结构框图如图1-2所示：
图1-2方案二系统设计模块
方案三：
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。
结构框图如图1-3所示：
通过比较，方案三简洁方便，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STC89C52RAM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。
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。
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。
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一。
1.2.4D\A转换模块的论证与选择
方案一：
DAC0832
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：
TLC5615
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。
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或晶体管的导通量，靠功率管的耗散功耗电能的设备，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。
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运放、8050三极管、3DD15功率三极管和2W/2Ω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
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。
2.3电源负载调整率的测试原理
负载调整率计算公式为：
当I=0时，测得电压为
；当I=1A时，测得的电压为
；由此可测得负载调整率的大小。
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/D采样；LCD显示；键盘输入等。
单片机总控制电路如图3-1所示：
图3-1STC89C52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
3.1.2恒流模块设计
恒流模块结构如图3-2所示：
图3-2电压采样电路原理图
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负载的电流恒定，实现恒流工作模式。
3.1.3键盘模块设计
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。
键盘模块电路如图3-3所示：
图3-34
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