省电子竞赛 《直流电子负载 》课题 报告.docx

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省电子竞赛《直流电子负载》课题报告

直流电子负载

摘要：

系统设计了一种以具有高精度的直流电子负载。

其主要由单片机控制模块、电子负载模块、频率切换模块、采样模块、显示模块和电源模块构成。

它以STC公司8位单片机89C52为控制核心，通过对DA的控制，达到对恒压值或者恒流值在一定范围内的控制。

之后通过内含AD的采集模块将实际端电压、端电流值送回单片机控制模块，并通过显示模块加以显示，人机界面友好。

频率切换模块能够在既定的频率和占空比下，顺利的接入和断开负载。

Abstract:

Thesystemisahigh-precisionDCelectronicload.ThemainstructureincludetheMCUcontrolmodule,theelectronicloadmodule,frequencyswitchingmodule,samplingmodule,displaymoduleandpowermodule.TheSTC89C52whichis8-bitmicrocontrollerandmanufacturebySTCcompanyplaythekeyroletocontrolthecore.ItcanprovideatotalcontroltothevalueoftheconstantvoltageorconstantcurrentbycontrollingtheADchip.Atthesametime,theMCUcontrolmodulereceivethevalueofactualterminalvoltageandterminalcurrentthroughtheoperationofsamplingmodule.Andthen,thedatawillbedisplayedbydisplaymodulewhichowntheskilltoshowitfriendly.Besides,frequencyswitchingmodulecansuccessfullyaccessanddisconnecttheloadunderthecertainfrequencyanddutycycle.

关键字：

TC89C52单片机,12位AD/DA,电源,运算放大器

一、总体设计方案

1、方案论证及比较

方案一：

基于手动调节的直流电子负载

基于手动调节的直流电子负载的原理图如下：

本方案由于电路设计的问题，对电子负载恒流恒压的控制是依靠对电阻手动调节来实现的。

而单片机对电阻的调节的实现相对较为复杂，因此这里并没有采用单片机为控制核心，只是将其应用于显示模块当中。

该方案采用了诸多的精密器件（如精密金属膜电阻）以获得足够高的精度，但却采用了手动调节的方式，显然是得不偿失。

而且高精度的器件的价格昂贵、数量稀少、不易采购。

开环的控制方式不利于精度的调节和操作的简化。

电路中恒流恒压部分相对独立，技术含量较低且元器件的利用率较低。

同时，系统的扩展性较差也是其弊端。

方案二：

基于单片机的恒压恒流电路分离的电子负载

基于单片机的恒压恒流电路分离的电子负载原理图如下：

本方案采用了单片机控制整个系统，操作变得简单明了。

但是电路中的恒压恒流部分仍然相对独立，技术含量较低。

两部分电路分别受单片机的控制。

电路的输出有两个。

这为测量带来了不变。

同时电路元件的利用率底下且电路本身规模庞大也是其弊端。

方案三：

基于单片机的数控直流电子负载

基于单片机的数控直流电子负载的原理图如下图所示。

此方案控制核心采用STC89C52单片机。

操作时只需通过程序就能实现恒压恒流模式进行切换、恒压恒流值的调节、端口电压的采集及显示、恒压模式下电子负载的接入与断开等核心功能。

较好的解决了方案一因手动操作所引出的一系列弊端。

方案中所采用的元器件型号比较常见且价格适中，在元件运用方面远远优于上述方案。

此方案采用12位A/D、D/A芯片，精度的理论值已经优于了题目要求。

由于该方案的操作方法以及整体构架简易明了，利于电子开关的接入和控制，因此较好的实现了发挥部分关于频率方式的要求。

电路中含有的运算放大器具有很大的电源电压抑制化，可以大大减小输出端的纹波电压。

单片机对5110显示屏的精确控制使得显示界面人性化。

A/D对实际电压电流的反馈有利于单片机智能的对输出值进行修正，这是方案一所不具备的。

同时，本方案也将恒压电流与恒流电路有机的结合在了一起，电路简洁，控制简易。

总而言之，智能化的可编程器件的充分使用使得整个系统可编程、可扩展，系统的灵活性大大增加。

总体上远远优于上述两个方案。

2、方案选择及设计思路

经过以上方案论证，选择方案三。

整个系统由单片机控制模块、电子负载模块、频率切换模块、采样模块、显示模块和电源模块构成。

其基本的工作原理是：

通过键盘设置工作模式、恒定电压电流值，该值通过单片机送入D/A转换为模拟电压输出。

当工作模式设定为恒压模式时，模拟输出直接输入核心运算放大器的反向输入端，根据运放虚短原则，同向输入端的电压与反向相等。

之后经过电阻分压电路后，获得的放大5倍的电压即为稳压值。

当稳压点的电压不等于控制要求的电压值时，运放会根据实际情况增大或者减小输出电压，使场效应管的沟道变宽或变窄，以达到对电压的稳定。

当工作模式设定为恒流模式时，模拟输出先接入一个放大倍数为5倍的运放，运放的输出接入核心运算放大器的正向输入，同样根据运放的虚短原则，反向输入端等于正向，之后经过一系列变化加载到取样电阻上，从而得到设定的电流。

其电流稳定过程主要依靠取样电阻的电压的稳定，这个过程与恒压模式的稳定基本相同，这里不在赘述。

需要特别说明的是，恒流模式下的模拟输出电压所经历的一系列操作只由题目要求输出电流范围、取样电阻大小等条件决定的，在单元电路设计环节将详细说明。

为了达到题目设计要求，特别是发挥部分的要求，本方案选用了12位的A/D、D/A芯片,经过分析，其分辨率完全能够满足要求。

在采样电阻的选择上，充分考虑到了大电流对电阻的损坏，因此这里选用了康铜丝。

同样，连接在大电流回路中的场效应管也要考虑到其耗散功率。

场效应管所产生的大热量必然使得取样要求很高的康铜丝应该远离。

综上，方案三能够达到要求的技术指标且具备诸多优势，因此予以选用。

二、单元电路设计

1、自制电源的设计

由于该系统采用了单片机，AD、DA芯片，运算放大器，所以需要正负5V、正负18V的直流电压，该部分由变压器、整流器、滤波器以及三段固定正、负稳压器组成。

选用220V/18V的变压器。

为使单片机最小系统以及AD、DA正常、稳定地工作，采用稳定度高的78、79系列的三端固定式稳压器。

该系列稳压器有过流保护、过热保护功能，以防止过载而损坏。

由于要得到正负5V、正负18V的直流电压，因而选择了7818，7918，7805，7905四种型号的三端稳压器。

通过测试，自制电源产生的电压分别为+18.030V、-17.970V、+5.040V、-4.975V,而要求产生的电压分别是18V、5V，所以其误差分别为0.16%、0.16%、0.8%、0.5%。

可见自制电源精度很高，可满足电路对电压的要求。

2、电子负载模块的设计

电子负载模块的电路图如下图所示：

电子负载模块是本设计的重要环节，通过该环节将实现恒压恒流模式下的数据指标。

因此，设计了具有特色的电子负载模块。

该模块包括恒流恒压两个部分，在实际的电路中，通过单片机控制继电器来进行对模式的选择，达到了完全的数控。

而本图则采用单刀双置开关来加以说明，以使得识图更加容易。

电路的左端为D/A输出的模拟信号的输入端。

当处于电压模式时将直接加载与运算放大器U2，之后经过分压电路加载到输出端。

而当处于电流模式时，则将先输入到放大倍数为5倍的运放U1中，之后接入运放U2，U3，最后与采样电阻相连接，完成恒流。

根据设计要求，恒压模式下以0.01V为步进并显示设定电压，范围：

2-15V；电流能力≥5.0A。

电压误差≤±0.01V。

纹波有效值＜0.05V。

考虑到D/A的输出电压有限，因此必须采取一定的放大措施才能使得恒压范围在2-15V范围。

因此采用了分压电路的方式来增大电压，即运放同相端的电压（D/A输出的模拟电压）接在分压电路中，根据电阻比值关系，电压放大5倍并加载于恒压输出端。

因此，若要满足电压输出范围，测D/A的模拟输出应该控制在0.4-3V。

要求以0.01V步进，即2V接下来的恒压输出端电压为2.01V，D/A输出模拟电压应该为2.01/5=0.402V，即D/A的精度应该达到0.402-0.400=0.002V。

而12位D/A的理论精度为0.001V，理论上能够达到步进电压的要求。

电路中含有的运算放大器具有很大的电源电压抑制化，可以大大减小输出端的纹波电压。

恒流模式下要求可设定电流范围0.1~2A，步进0.01A，电流误差≤±0.01A。

D/A的模拟输出电压要由电流范围、采样电阻共同确定。

本电路的采样电阻阻值为0.05欧，因此采样电阻的电压范围为0.05*0.1~0.05*2，即0.005~0.01V，过小的电流是无法由D/A直接提供的，因此需要运放U3的帮助。

分析这个放大倍数为100倍的运放后，可得提供给U2的电压为0.5—10V，在考虑放大倍数为5倍的运放的作用后，即可得出D/A的输出模拟电压范围为0.1—2V。

之所以将输出模拟电压先放大5倍是因为放大后的信号更利于运放U2进行比较。

要求以0.。

01A电流步进，即0.1A后下一个恒流值为0.11A，采样电阻的电压为0.11*0.05=0.0055V，则运放U2的接入电压为0.55V，要求接入U1的电压为0.55/5=0.11V，即要求D/A精度至少可以达到0.11-0.1=0.01V，由于12位D/A的精度为0.001V，达到了题目的要求。

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，本设计选用了耗散功率较大的场效应管IRF540，能承受大电流的康铜丝，保证了器件的安全。

3、采样模块的设计

采样的目的是为了获得实际端电压、端电流的数据，用于返回单片机处理后进行显示。

因此，采样点的选取就成为了设计的重点。

根据分析，选取了串联电阻R7,R8间（设为A点）作为输出端电压的采样点，选取了采样电阻的端电压（设为B点）作为输出端电流的采样点。

因此，采样模块需要两片A/D芯片。

本设计选用了MCP3205作为A/D。

采样之后的数据需要进行处理之后才会得到所求得的数据。

对于A点来讲，采样电压需要经过串联分压的运算才会得到实际端电压，而对于B点来讲，采样电压需要除以采样电阻才能得到实际端电流。

。

4、频率切换模块

根据题目要求，电压模式下能以1KHz、50%占空比，切换负载的接入和断开。

由要求可知，选择由耗尽型场效应管IRF9540构成的电子开关来实现这一功能。

1KHz、50%占空比通过程序控制、并有单片机引脚输出。

开关J1用于控制频率切换模块的接入和断开。

当开关闭合使得模块接入时，1KHz、50%占空比的脉冲作用于IRF9540，使其沟道不断的导通截止，从而达到切换负载接入断开的目的。

而当开关断开时，由于IRF9540属于耗尽型场效应管，此时沟道仍将存在，即在开关断开时，电子开关相当于导通，这也是选择耗尽型管的原因。

此外，由于单片机提供峰值为5V的脉冲是不能满足要求的，需要对这个脉冲进行放大，因此放大倍数为三倍的运放U4由此而产生。

在连接时，将场效应管的右端接入电源，左端为稳压模式的稳压点。

5、单片机控制模块及显示模块

单片机控制模块及显示模块电路图如附图一所示

单片机是数控电子负载的核心部件，它既协调整机工作，又是数据处理器。

本系统采用STC89C52单片机为核心，以四个独立按键，NOKIA5110液晶显示屏构成友好界面。

单片机通过A/D,D/A等器件对模拟信号进行信号的采集、处理和输出，从而对输出电流值进行控制校正，达到较高精度。

同时，单片机的接口全部进行扩展，使系统应用更加灵活。

三、单片机软件设计

1、软件设计

为了方便编写和调试，我们采用了模块化的编程方法，整个程序分为若干子程序：

（1）液晶显示子程序:

显示当前模式（恒压或恒流），设定输出值及实际端电压电流。

（2）键盘处理子程序：

模式切换，输出值的设定及步进。

（3）数据处理子程序：

根据设定值换算出调整值，写入D/A的值，根据A/D采样的数据换算出实际端电压电流值。

（4）将调整值送入D/A。

（5）进行A/D采样。

2、主程序的流程图

主程序流程图如下：

四、系统测试

1、重要模块的软件仿真

本方案采用了Multisim11.0进行仿真，重要模块仿真如下：

（1）电子负载模块的仿真

电压模式的仿真：

由上面的分析可知，恒压状态下电子负载的输入控制电压（D/A的输出模拟量）为0.4—3V，恒压范围为2—15V，且两者是一一对应的关系。

经过实际模拟，已经达标，仅举此一例。

当输入电子负载的电压为3V，电源电压为20V时，开关J1、J2下拨，即工作在恒压模式下，稳压值稳定在设想的15V，如附图二所示。

由仿真结果可以看出，电压值达到了完全稳定，同时，电流能力已经到达了发挥部分要求的5A,因此方案可行。

电流模式的仿真：

由上面的分析可知，恒流状态下电子负载的输入控制电压（D/A的输出模拟量）为0.1—2V，，恒流范围为0.1—2A，且两者是一一对应的关系。

经过实际模拟，已经达标，仅举此一例。

当输入电子负载的电压为2V，电源电压为20V时，开关J1、J2上拨，即工作在恒流模式下，恒流值稳定在设想的2A，具体仿真如附图三。

经过模拟，恒流电路的设计方案已经满足了题目发挥部分的要求，因此方案可行。

（2）频率切换模块的仿真

在应用频率切换模块时，只需将该模块串接在电子负载的输出端口和电源之间，并通过模块的开关来控制是否开启该模块。

当开关断开时，该模块没有接入电路，此时耗散型场效应管沟道打开，相当于通路。

而当开关闭合时，放大的脉冲作用于管子上，使沟道不断开启闭合，从而达到了切入负载接入和断开的效果。

仿真时，设定外加电压为10V，则接入电子负载的输出端口的电压理论上应该为5V。

仿真电路如附图四

由上图仿真可知，实际电压值与理论还是有一些偏差，这是由于场效应管的内阻所致。

但是，由于电子负载的输出端口所加电压已经是脉动的电压，所以已经达到了“电压模式下能以1KHz、50%占空比，切换负载的接入和断开”的要求。

电子负载的输出端口电压波形如附图五：

2、实际电路的测试

（1）测试仪器

（2）测试方法

在电路各个模块完整的制作完成后，首先要做的是再次检查硬件电路是否有错误，如虚焊，连线错误等。

如果并无此方面的问题，则在不加测试电源的情况下，对各个模块的主要部件进行测试，如单片机对D/A的控制是否正常，运算放大器是否按照制定的放大倍数或要求进行工作，康铜丝的采样点电压接入运放后是否能够按照要求进行放大，采样模块的A/D是否能够正常的进行工作，显示模块是否能够正常显示等。

当通过上面的测试后，则可以接入电源。

但是在接入之前，切记要先用单片机设定好工作模式。

当电源在初次接入时，其电压值应该设定的很小，可以从2V开始进行调节，与此同时，还要考虑到串联限流电阻，为了确保电路的安全，初次接入时应先选取2欧进行测试。

在测试过程中，尽量保证电源电压与D/A输出模拟电压向接近，避免两者偏差过大。

当测试过程中出现异常情况时，切记先关闭电源开关。

对电路恒压模式的检测：

当检测恒压模式电路时，首先应该控制单机使得恒定值为要求的最低值，即2V，此时，外部电源电压要小。

在测试恒压的同时，要对数据进行记录。

记录的规则是：

从恒压要求的最低电压2V开始，每隔1V取一个测试点，已知取到最大电压15V。

这些可以称为基本取样点，之后，在每个基本取样点附近取3个电压值，如基本取样点2V的三个取样值为2.01V、2.02V、2.03V，以此类推。

每个取样值中，记录端口实际输出值和A/D采样返回并显示在液晶上面的显示值。

需要注意的是，电源电压的调节是建立在电流显示误差较小，即明确电流的情况下的。

不能随意的增大电源电压的值。

对电路恒压模式的检测：

当检测恒流模式电路时，首先应该控制单片机使得恒定值为要求最低值，即0.1A。

测试恒压的同时，要对数据进行记录。

记录的规则是：

从恒流要求的最低电流0.1A开始，每隔500mA取一个测试点，直到2A。

之后在每个测试点进行扩展，如0.1A的扩展，0.11A、0.12A、0.13A，以此类推。

每个取样值中，记录端口实际输出值和A/D采样返回并显示在液晶上面的显示值。

五、测试结果分析

由实际测试结果分析，本系统较好的完成了基本部分和发挥部分。

电流的输出范围为0.1A—2A，步进满足0.01A；电压输出范围为2—15V，步进满足0.01V。

因此本方案较好完成了题目的要求。

六、设计总结

我们在整个设计制作过程中，始终关注系统的性能指标和运行的稳定性，本着稳定性和精确性并重的原则，我们采取了诸多的有效措施，完成了设计题目所规定的部分指标和要求，达到基本的性能指标，而且对于有些指标我们的设计还有了一定的的提高，功能也有所扩展。

附图：

1、

2、

3、

4、