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1、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：

2、电子负载；单片机； 恒流模式； A/D转换； D/A转换 Abstract: This design with the core of STC89C52 MCU , using Da output control circuit, ad voltage and current detection circuit, display, keyboard, circuits.Using negative feedback control loop amplifier, to control grid voltage of the MOS to its internal resistance chan

3、ge, resulting in constant current mode of operation.MOS both as a current control devices at the same time as the measured power load control part using stc89c52 single - chip puter to plete the set value input from the keyboard to the SCM, and then by DA output circuit voltage sent to the PI contro

4、ller with the actual voltage pared.In A / D converter circuit for voltage and current analog signals into digital signals by single - chip Microputer to control the conversion, and then use the LCD display shows the instantaneous voltage and current. Key word : electronic load ; MCU; constant curren

5、t mode ; Ad conversion ; DA conversion1.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. .61.2.1控制单元模块论证与选择. .61.2.2显示模块论证与选择.61.2.3键盘模块论证与选择.61.2.4 DA转换模块的论证与选择.72.系统理论分析与计算.72.1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.83.电路与程序设计.83.1电电路设计.83.1.1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 3.1.4 A/D与D/A转

6、换模块设计.11 3.1.5 电源模块设计.123.2程序设计.134.系统测试.13 4.1测试方案及测试条件.134.1.1测试方案.134.1.2测试条件.144.2测试数据.144.3测试结果分析.155.结论.15参考文献.161 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

7、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

8、：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STC89C52 RAM较多,8K flash,串口可以直接烧程序，可以和Keil直

9、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

10、、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

11、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。1.2.4 DA转换模块的论证与选择 方案一：DAC0832DAC0832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

12、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

13、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/2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

14、.88mV但是在实际测量中存在一定的偏差； （2）采样电阻为2，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3-1 STC89C52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

15、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

16、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3-3 4