基于单片机的直流电子负载设计硬件.docx

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基于单片机的直流电子负载设计硬件

毕业设计（论文）

题目：

基于单片机的直流电子负载设计（硬件）

系别信息工程系

专业名称自动化

班级学号108202233

学生姓名张连旗

指导教师邱玉兰

二O一四年五月

学士学位论文原创性声明

本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。

对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权南昌航空大学科技学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

基于单片机的直流电子负载设计（硬件）

学生名字：

张连旗班级：

1082022

指导老师：

邱玉兰

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。

论述了直流电子负载的设计思路和过程。

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，可实现以下功能：

电子负载有恒压和恒流两种模式，可手动切换。

恒压模式时，电子负载端电压保持恒定，且可设定，流入电子负载的电流随被测直流电源的电压变化而变化。

恒流方式时不论输入电压如何变化（在一定范围内），流过该电子负载的电流恒定，且电流值可设定。

A/D模块接受电路电压和电流模拟信号，转化为数字信号，经液晶模块同步显示电压电流。

设计了D/A输出控制电路、A/D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；能够检测被测电源的电流值，电压值；各个参数都能直观的在数码管上显示。

关键词：

电子负载,恒压,恒流,单片机

指导老师签名:

DesignbasedonMCUDCelectronicload（Hardware）

Studentname:

ZhangLianqiClass:

1082022

Supervisor:

QiuYulan

Abstract:

TheprincipleofelectronicloadiscontroloftransistorsinsidepowerMOSFETortheguidefluxofpowertube,itisaconsumptionpowerequipmentwhichdependsonthedissipationpoweroftube,therearefourbasicworkingwaysthatpersistencepressure,constantcurrent,theconstantresistance,constantpower.

ThisdesignstartwiththeanalysisofDCelectricloadsystemsolutions,itdiscussedtherealizationofthewholesystemhardwarecircuitandsoftwareindetail,andgiveareasonablesolution.DiscussesthedesignideaandprocessofDCelectronicload.Inordertorealizethecontrolandtheexpansionoffunctionconveniently,weadoptedtheSTC89C52microcontrollerasthecorecontroller,Canachievethefollowingfunctions:

Electronicloadwithconstantvoltageandconstantcurrenttwomodes,youcanmanuallyswitch.Constantvoltagemode,theelectronicloadvoltageiskeptconstant,whichcanbeset,intotheelectronicloadcurrentwithvoltagevariationofthemeasuredDCpowersupplyandchange.Nomatterhowthechangeininputvoltageconstantcurrentmode（inacertainrange）,constantcurrentthroughtheelectronicloadcurrent,andthecurrentvaluecanbeset.TheA/Dmodulereceivesthecircuitvoltageandcurrentanalogsignalintodigitalsignal,LCDmodule,thesynchronousdisplayofvoltageandcurrent.TheD/Aoutputcontrolcircuit,theA/Dvoltageandcurrentdetectioncircuit,keyboardcircuit,displaycircuitanddrivecircuitdesign,throughthecoordinationofsoftwareandhardware,realizesthewholedesign，currentcandetectpowervalue,voltagevalue;eachparametercanbedirectlyinthedigitaltubedisplay.

Keywords:

electronicload,constantvoltagemode,

constant-currentpattern,MCU

SignatureofSupervisor:

基于单片机的直流电子负载设计（硬件）

1引言

在我们的生活中有很多个领域中都需要用到负载测试，如蓄电池放电试验以及购买电池、充电电源试验、电源时等都需要负载测试。

如今，国外国内对这些试验基本上都是利用传统方来进行的。

在电路中，用来吸收电源供应器输出的电能量的装置叫做负载，它将电源供应器输出的电能量吸收后并转化为其他的形式的能量储存或者消耗掉。

随着电力电子、计算机和自动控制等技术的飞快发展，带来了电源检测技术革命性的变化。

由于在我们生活当中有很多应用领域都在大量应用各种的电源，正因为如此电子负载在我们的生活中也就是必不可少的，然而对负载的要求也随着越来越严谨了。

然而传统电源检测技术就面临着巨大的挑战。

为了准确的检测电源的可靠性和带载能力等，因此工程师们就把微机控制技术和电力电子技术巧妙地结合起来，实现电源的可靠检测。

电子负载可以分为两种：

直流电子负载和交流电子负载。

在这两种负载中直流电子负载在人们生活中被用的时间更长，分布也更加广泛。

在实验室中，最初是利用电力电子器件特性，再通过分析其等值电路，用电力电子元器件构建电子电路用来实现模拟负载，其可以实现定电流、定电压等特性。

随着社会的发展，人们对电子负载需求更加广泛，从而发展到把单片机技术和电子负载相结合，慢慢地就实现了定电压定电流模式和可编程模式。

单片机技术和变换器电路巧妙地结合还使得电子负载可以工作在其它多种模式下如定功率模式、动态电阻模式和短路模式等等。

随着一些晶体管等主要开关器件的出现以及电力电子变换器拓扑的发展，因为变换器能够更好的将一种电能变换为另一种或者多种形式的电能，使得交流电子负载也得到了更好的实现。

我们一般都把可以模拟真实环境下的负载叫做电子负载。

它的功能有恒流、恒压等这些功能，基本上所有的电源厂家都会用到，也必须有。

在本文中主要的介绍了基于单片机上的直流电子负载。

现在的这些电子负载和以前传统的负载相比，直流电子负载具有开发成本小，工作效率更高，且更加的节能环保，并且体积比较小，重量较轻等等这些优点。

随着社会的进步，人们对电子负载的需求也会越来越多，对电子负载的性能质量等都会有更高要求，也因为电子负载具有传统负载达不到的优点，相信在以后的社会中它的应用范围会更加的广泛，电子负载也会被更多的使用在越来越多的地方，会变得更加普遍。

所以，对于研究单片机的直流电子负载是有很大的市场前景的，具有极具广阔的研究意义的。

2总体方案论证与设计

2.1系统设计要求

直流电子负载是用来测试直流稳压电源、蓄电池等电源的性能。

在本设计中要求设计和制作一台电子负载，有恒流和和恒压两种模式，且可手动切换。

恒流方式时不论输入电压如何变化（在一定范围内），流过该电子负载的电流恒定，且电流值可设定。

工作于恒压模式时，电子负载端电压保持恒定，且可设定，流入电子负载的电流随被测直流电源的电压变化而变化。

外接12V稳压电路。

要求：

（1）负载工作模式：

恒压（CV）、恒流（CC）两种模式可选择。

（2）电压设置及读出范围：

1.00V~20.0V，设置精度0.1V。

（3）电流设置及读出范围：

100mA~2.00A，设置精度10mA。

能显示电子负载两端的电压和流过电子负载的电流，相对误差小于5%。

2.2电子负载工作原理

电子负载的工作原理是控制内功率（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，它能够可以实现模拟负载短路,精确的调整负载电流,同时还可以准确地检测出负载电压,模拟负载是感性阻性和容性,容性负载电流的上升时间。

电子负载的基本工作方式有恒压、恒流、恒阻这几种。

（1）恒定电流方式

在恒定电流方式中,不管输入的电压怎么变化大小,电子负载也是以其设定的额定值来吸收电流的。

如果设定的电流为150mA，被测的电压是在2V～15V之间变化的话，当你调节被测电压的值时，此时负载值是可以变的，但是负载上的电流值也应改是维持在150mA不变。

恒定电流方式可以用在测试电压源的负载调整率。

负载调整率是电源可以在负载变化的情况下还可以稳定的输出电压的一种能力。

是电源输出电压偏差率的百分比。

（2）恒定电阻方式

在恒定电阻这种方式中，吸收与电压形成线性正比的电流，负载就如电阻一般。

但是这种方式只适用在电流源启动，测试电压源和限流特性。

在恒定电阻方式中,当输入电压在2～115V变化时,若负载设定为0.5kΩ,电流变化则为20～200mA。

电子负载将吸收与输入电压成线性的负载电流。

（3）恒定电压方式

定电压模式能被使用于测试电源的限流特性。

在恒定电压方式下电子负载将吸收足够的电流来控制电压使其达到设计的值。

另外,负载也可以模拟电池的端电压,所以也可以使用在测试电池充电器中。

在本直流电子负载设计中PI调节器的基准电压由单片机D/A转换输出。

实现了在恒流恒压模式在下一定范围内的正常工作，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。

2.3总体方案设计论证

根据系统要求，得出以下三种方案：

方案一：

如图2.1所示，利用传统的电子负载设计方式，通过比较器P2的比较结果后反馈控制MOSFET的栅极电压从而达到控制作用。

图2.1传统的电子负载设计

方案二：

如图2.2所示，是用了单片机作为核心处理器，设计了电压电流检测电路、A/D转换模块、显示模块、键盘输入模块和PWM控制模块。

MOS管电路为电子负载主电路，键盘、LCD和串口通讯实现人机交互。

获得实际所需的工作电流和电压利用单片机输出一定占空比的PWM控制信号，控制功率电路MOS管的导通和关断的时间。

电路中通过A/D采集到单片机，与预置值相比较，检测电路为电压和电流负反馈回路，作为单片机进一步调节PWM占空比的依据。

图2.2方案二系统模块框图

方案三：

如图2.3所示的为该方案的电子负载设计系统模块框图。

采用了STC89C52单片机作为核心处理器，设计了电流电压采样模块、A/D转换模块、键盘输入模块、LCD液晶显示模块、D/A转换模块和PI调节等，通过软硬件想回协调配合，实现整个设计。

再又通过PI调节器、负反馈控制环路和运放这些电路核心，控制MOSFET的栅极电压，达到的目的是使其内阻变化。

MOS管在这里既是电流的控制器件同时也是被测电源的负载，通过PI调节器控制MOS管的导通量，从而实现该电子负载的电流恒定。

图2.3方案三系统模块框图

这三个方案经过仔细研究比较后，得出：

方案一主要是靠硬件实现，设计成本高。

并且采用的是用运放来比较控制MOS管，只有通和断这两种情况，操作起来比较麻烦不好调节。

方案二控制MOS管的导通和关断时间是通过单片机输出一定占空比的PWM控制信号来控制的，从而获得实际所需的工作电压和电流。

这养的话也是控制起来比较麻烦而且误差很大。

方案三通过PI调节器、负反馈控制环路和运放，采用通过软硬件的相互协调配合，实现了整个设计。

相比较后方案三比方案一方案二都要好，所以本设计采用的是方案三。

2.4系统具体设计方案

本直流电子负载系统由软硬件相互结合而成。

在本次设计中充分考虑到设计速度、可靠性和开发成本等原因，有效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，在进行设计的时候，充分考虑了硬件和软件的特点，较高效地分配了其资源和协调其功能。

电子负载系统的硬件部分包括以下内容：

1.核心处理器单片机的选择与I/O的分配（采用的是STC89C52单片机）

2.键盘输入模块（采用的是4*4矩阵键盘输入）

3.液晶显示模块（采用的是Nokia5110液晶显示）

4.A/D转换电压电流采样模块（采用的是TLC1549系列转换器）

5.D/A转换模块（采用的是TLC5615D/A转换器）

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

本设计的直流电子负载，主要是实现恒定电流和恒定电压的工作模式，如图2.3所示为方案三系统模块框图。

大概框架是先从键盘输入模块输入设定值，然后传输给单片机处理后经过D/A转换器转换后反馈给电流电压检测模块，然后再通过A/D转换器转换后传出给单片机处理后利用LCD液晶显示显示出来。

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D/A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。

A/D转换器把电流电压检测模块采集到的模拟信号转换成数字信号，再通过单片机来控制转化，最后用液晶显示显示出当时的电压和电流值。

3电子负载系统硬件设计

3.1核心处理器设计

核心处理器是进行简单的数字信号处理并且负责控制和协调其他各个模块工作。

在本设计直流电子负载系统中，核心处理器是系统的控制中心，它工作效率的高低直接影响系统的系统运行的稳定性和工作效率。

本设计过程中采用单片机作为主控制器。

3.1.1方案设计论证

AT89C51是ATMEL公司生产的,51单片机应用较为广泛，而且价格便宜但是实现起来较为复杂。

单运行程序就很不方便。

STC89C52与AT89C51基本性能相同，但STC89C52RMB较多,8Kflash,串口可以直接运行程序，可以和Keil直连。

在本设计中采用了KEIL软件来实现其软件部分的设计，所以本设计选择采用STC89C52单片机作为核心处理器。

图3.1液晶显示模块与STC89C52单片机连接电路

表3.1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

P3.2—P3.7

A/D采样输入

P1.0—P1.3

D/A转换输出

XTAL1--XTAL2

时钟输入

P2.0—P2.4

液晶显示模块

RESET

单片机复位信号

如图3.1所示单片机总控制电路：

单片机在系统中实现电流A/D采样、实际工作电压；设定值通过D/A转换输出基准电压；键盘输入；LCD显示等。

表3.1为系统单片机的I/O口分配连接情况表。

3.1.2STC89C52单片机简介

STC89C52单片机学习板功能强大，具有报警，跑马灯、串行通信、段码液晶和字符液晶显示、电机控制、A/D转换、D/A转换、温度采集、数字信号合成（AD9851）、实时时钟电路、4—20mA输出、PWM输出、红外检测控制等功能，供学习者学习开发使用。

89C52-III单片机采用的芯片都是常用芯片，使学习者对常用电子产品进一步学习理解。

3.2键盘输入模块设计

3.2.1方案设计论证

非矩阵式键盘使用起来比较方便，结构比较简单，适合较少开关量的输入。

在按键数比较多时,I/O口浪费较大,每个按键需要占用一根I/O口线，电路结构就显得比较繁杂。

而且这种键盘是用于操作速度较高或者按键较少的场合。

然而矩阵式键盘则适合于功能复杂、数据较多或输入命令较多的情况下的系统。

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，其适用于按键数比较多的场合,由行线和列线组合而成,按键位于行列的交叉点上，节省I/O口，因此矩阵式键盘的应用非常广泛。

在本系统的设计中要先从键盘中输入给定的设定值，在通过D/A转换器转换输出即时值。

所以本设计需要有0到9的数字键、小数点等等按键，按键比较多，所以本键盘输入模块设计采用的是4*4矩阵键盘。

电子负载系统中按键需要实现的功能有:

1.0-9数字键：

在本设计中使用专门的0到9数字输入键，依次按下数字键后，系统逐个扫描，按位输入的数据提取出来，转换成十进制数据。

2.小数点键：

在本次设计中因为要输入小数，所输入的值会有需要带小数点的。

第一次按键扫描后，按下小数点键，会跟数字键一样被显示器显示出来。

3.启动停止按键（C键）:

此按键是把系统的功能划分成设置、调节两张功能，当按下该按键后，系统就会变为执行A/D采集、负载调节、实际数据LCD显示等功能；如果没有按下该键则默认是功能设定，系统执行按键查询、预置设定输入数据和液晶显示灯功能。

4.确定按键（Enter键）:

在按完你需要的预设数据后再按下该按键，系统就会停止其他按键功能，然后会把输入的设定值送往单片机，然后转换成十进制数据，再通过LCD显示器显示出来。

5.复位清零键:

当输入有误时，按下该键后使其复位清空屏幕。

3.2.2单片机4*4矩阵键盘设计方案

1.设计原理

如图3.3所示用单片机的并行口P0连接到4*4矩阵键盘，用单片机的P0.0-P0.3各个管脚用作信号输入线，用单片机的P0.4-P0.7各个管脚作输出线，在LCD数码管上显示每个按键的序号（0到9）、小数点和启动停止按键（C键）、确定按键（Enter）、复位清零键。

2.键盘中对应按键的序号排列如图3.2所示

图3.2键盘序列号排列

3.4*4矩阵键盘电路图

图3.34*4矩阵键盘电路图

如图3.3所示竖向P0.0至P0.3接STC89C52单片机AD0至AD3口，横向P0.4至P0.7接STC89C52单片机AD4至AD7口。

本设计按键使用的是依次每行扫描进行识别，系统会进行每行的逐个扫描，首先每行会输出低电平，然后依次扫描每一列是否产生低电平，要是扫描到列数有低电平产生的话，系统就会认为有按键按下了，然后让每行数按顺序输出低电平，剩下的行数就输出高电平，然后再扫描每一列是否有低电平输出的情况，如果有低电平输出的行列交叉处，那该交叉处就是按键按下的地方。

3.3显示模块的设计

3.3.1方案设计论证

数码管具有接线简单、成本较低、编程较为容易、配置简单又灵活、对外界环境要求比较低、更易于维护等特点。

数码管是可以显示电流和电压的，但数码管只能显示些数字等，显示的信息比较少，又比较占用系统I/O资源，显示的信息较少，但其电路又比较较繁杂。

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）。

液晶显示具有体积小巧、功率耗能较低、质量又比较轻、平面直角的显示及影响稳定、分辨率较高、画面效果较好、抗干扰能力又比较强、没有辐射危害等等优势。

LCD显示可以显示数字和字符，也能显示曲线、图形和汉字，且还可以在屏幕上显示动画等功能。

在本次设计中要求能够显示电流电压，所以使用的是Nokia5110液晶显示器，这种显示器不仅可以显示数字也可以显示电流电压等汉字和电压电流单位，外观也比较美观，所显示的信息一目了然，而且LCD液晶显示具有体积小巧、质量较轻、功率耗能低、没有辐射危害等，与单片机连接较简单。

考虑到本次设计的要求再经过仔细比较后选择了Nokia5110液晶显示。

使用Nokia5110液晶显示的四大理由：

1.性价比高，可以显示15个汉字、30个字符，价格便宜；

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3.3V，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3.4单片机与LCD通信

如图3.1所示是STC89C52单片机与LCD液晶显示模块连接电路。

LCD液晶显示1管脚至5管脚接STC89C52单片机A8至A12口，6、7口接VCC，8口接GND；如图3.4为单片机与LCD的通信过程。

3.3.2Nokia5110液晶显示模块说明

图3.5Nokia5110液晶显示说明

3.4A/D转换电流电压采样电路模块设计

3.4.1方案设计论证

ADC0809：

是一个8位的逐次逼近型8模拟输入的A/D转换器，单片CMOS型装置。

它的作用可以选择8个模拟输入和分享A/D转换器根据地址译码信号。

但占用的端口，开关频率低于100万。

TLC1549:

10位A/D转换器TLC1549系列转换器是模拟到数字转换器串行控制，连续的逐次逼近，它采用了一三态输出由三线接口和两个差分基准电压高阻抗输入。

TLC1549采用CMOS技术。

它具有自动采样，比例范围校正转换范围和抗噪声功能，并在全面总误差的设计是只有3.8MV转换电路，可广泛应用于模拟和数字。

通过比较，设备TLC1549系列是足够快，能耗低，精度高，性能良好的功率，界面简单，可靠性高，实用价值相对于前者更好。

相比之下，TLC1549更适合的设计，所以选择TLC1549系列变频器。

取样电路和测量链路检测是一项重要技术，为了在恒定电流