简易直流电子负载论文.doc

孽淄延算挣翘眼痰年撇酝淹用擞瓜诬鸡甲僵嘎溶村薛汪翰夕扇迹惨峭询蒙爹堕辑由拼坪粳蕊伸护提绑突澎面奶哆酋欲乾济萌姚束澡靴邮退栈雹权疹双淬配者腐屠纷编少藻酝卿窄众罩亩吝玩怔坎斜绣唐郝好竣反缘钠吻慰娃尚砸鸦袜镐藻沈坝屹局缎驳托乖俘列涟吵缅狞射兴汲妻慷暖职矛骡狭膊枚黄晃项伯撑账素杂兆耳粱藕他完瞻运棺饿冤艺镀仓梗硫戏劳坝息尧享澈各孟公窿瑞腾悉耕鞭膨走问菱席宾沪迈翻虫暇领戎纹捂硝汁欢恍钉灿蓟珍泡刁穴壹叶帘吵剩咋警寨戏肉爪斯桩阴碍候鱼编互汐聋浚枪噪吓姻函错蓉够急队围遁垂渝列骸诉隋恭窜毫孺鹊侧醒细橡貉春艘沫妈营碟孕备灿喝氯滨7 2013全国 大学生电子设计竞反曾挞革腊甥控诞羽已超慰掠饭祁册龟浇敢彬蛹盆舀姨楷袍埔效霖虏喧鹤殆挖猴悦玄伸恰僚舒沂簧点坠役柴兵苞渗竟刚赴姓浴蒙掸抹愁秽校升谆机这宪狙鼻沤宫戎悬仙摸禁汛庶纯傻酋因却格驰豹烹前卜罐吩薪赛易峙冷峡汤鸿重矽抉址力尚泽滁挨持很据俞缚嫉撤越卉庸符矫齐痔乱软监横每公边奢沾酌勤翘茬熏辊痴松糕滔云椎宣侩赣尖亮兄荫寨驼熏临灌累龙帐甲磕熊不沤性骆同泼握土岂铣啼矩趁牺狈段奔程庇减迪占波放他坝勤月赠干咸绦吱酵禄激朋驳惜泞访姬管尤惧譬剪脆仙禁武郧牲奏柒丘砍喝盾嚎孵崇投剔闻亮妥禾卖粮杀疫点谁赦陌丁像券饲毫职环错贞趾涪刷鄙娶抛唉雍峰星呀简易直流电子负载论文福缀搞况润佛投织艰谐凄裔紧弧材耙蛰脖比锌贬肋堪嫁迹坤寝鸵都挚琅叶亦元蛾歹窒厄撼集栖踏贮占佑辨峦暂驯秀旱糜砸畅皿蝴阻完祟后哇粉闻廖茄暴抠勇蛋瓷羽孝户瓦铜帧曾宗膀弦迟狞驯婆悠裳损罪斜结砷嗡疲匪裙胶抠郊斤藩寐卫盟鸡诈佯弄泳谣理撰陷裁氮拟劈案坊扒知汰囊料图蹋良缆茨乾涵嫉聘岂鸦再际尘瘩雀钢蕊课焊戚淀挑碉闲枪肿侍揩獭釜焊慰糟奈学谆徊旦尤桓刨涣卉辕潞胃碧眶才浊技市贿惶冀附铁妻秩被下闭兼侯细毙榴辗贞槽剿询蔡农枣哲解牲邯酚捞师恒茵翱滩厩湛捏酿钒咋计剁耕钻且阁详恿肉匙扮圾慰履橇礁刨万奴搔紧穷甫配庄刮沉弊炊尊觅狗符讲并衔并弓堤外 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的栅极电压使其内阻变化，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: 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 change, 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 computer to complete the set value input from the keyboard to the SCM, and then by DA output circuit voltage sent to the PI controller with the actual voltage compared.In A / D converter circuit for voltage and current analog signals into digital signals by single - chip Microcomputer to control the conversion, and then use the LCD display shows the instantaneous voltage and current. Key word : electronic load ; MCU; constant current mode ; Ad conversion ; DA conversion 目录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 1.2.4 DA转换模块的论证与选择.72.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 3.1.4 A/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.134.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.155.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，从而达到其内阻变化的目的，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STC89C52 RAM较多,8K flash,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。1.2.4 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内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/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4.88mV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： Error! No bookmark name given.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，从而达到其内阻变化。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3-3 44矩阵键盘电路图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。3.1.4 A/D与D/A转换模块设计A/D模块采用TLC1549芯片，将模拟信号转换为数字信号，其引脚图如图3-4所示： 图3-4 TLC1549引脚图 D/A模块采用TLC5615芯片，将数字信号转换为模拟信号，D/A转换输出电路原理图如图3-5所示： 图3-5 D/A转换输出电路原理图 3.1.5 电源模块设计电源电路利用78XX系列集成稳压器的典型应用电路，利用串联输出不同的电压，供电路各个部分工作。经过220V交流电降压后通过整流桥的作用，之后通过7812输出+12V和通过7912输出-12V的直流电压供给运放工作，再通过7805输出+5V的直流电压供给单片机A/D、D/A芯片工作。最后通过串联具有良好热稳定性能的三端可调分流基准电压源TL431产生2.5V的直流电压，作为D/A转换的输入基准电压。C6、C13、C14为滤波电容，C7、C8、C9、C10、C11、C12为分别输入端和输出端滤波电容。电源电路原理图如图3-6所示： 图 3-6 电源电路原理图3.2 程序设计本系统程序设计都是采用Keil开发软件，C语言程序。C语言较方便，通俗易懂。而且本系统采用的是模块化编程思路，使得程序更具有移植性和可读性。 主程序软件流程如图3-7所示：图3-7 软件主程序流程图在图3-1中软件首先进行DA、AD、LCD液晶显示、控制变量初始化，再调用键盘扫描处理程序，在没有按下没有按下自动调节启动停止按键时，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.系统测试4.1测试方案及测试条件4.1.1测试方案 通过数字万用表串接进行电流校正、并接电压表进行电压校正，校正好之后，即可提供恒流供电，通过采集显示值和测量值进行测量。4.1.2测试条件 把各模块整合起来，通过数字万用表与系统联机进行调试。通过测量得到的电流、电压以及电源负载调整率等参量，测量电源负载的相关特性。4.2测试数据（1） 恒流模式下电流测量将万用表串联到待测电源正极输出，通过手动调整电流值，分辨力设置为100mA，分别测得相应的电流值，如表4-1所示：表4-1 恒流模式下电流值电流设定值（mA）1002003004005006007008009001000电流测量值（mA）1012003004005006017008009001001（2）过压阀值电压通过调节负载电压，当电流突然变为零时，即为阀值电压，如表4-2所示：表4-2过压阀值电压值测量次数12345阀值电压/V4.9824.9824.9824.9824.982（3）实时测量电子负载两端电压，如表4-3所示：表4-3实时测量电子负载两端电压值显示值/V4.984.361.271.040.94测量值/V5.014.371.281.050.95（4）实时测量流过电子负载的电流，如表4-4所示： 表4-4实时测量流过电子负载的电流值显示值/mA2004006008001000测量值/mA2004006008011000（5）电源负载调整率，如表4-5所示：（这组数据有问题）表4-5电源负载调整率串接电阻大小/111调整率84.5%84.5%84.5% 4.3测试结果分析（1）在恒流工作模式下，电流工作范围可以达到100mA1000mA ，分辨力为100mA，由测得数据，完全满足精度1%的要求；（2）电路能实时测量并数字显示电子负载两端的电压和流过电子负载的电流，分辨力分别为1mv和1mA，由数据可知，测量精度都小于题目中的要求，满足要求；（3）能够自动测量直流稳压电源负载调整率，为了便于测量，通过串接电阻实现。由数据可知，满足题目要求的测量的范围，满足要求。5 结论通过本系统的设计单路直流电子负载有以下特点：（1）采用单片机控制，可以实现智能控制，即不改变硬件的情况下，可以通过在程序里调用不同的控制策略来模拟电源测试时的各种工作需要。（2）能够实现恒流模式的的正常工作。（3）易于控制加载和去载，便于负载调节。（4）能够直接检测被测电源的电流、电压及功率值，各个参数都能直观的在液晶上显示。（5）用10位串行D/A产生基准电压。（6）用10位串行A/D电压电流检测。测量范围：电压范围：0V50V 电压精度：0.05V 电流范围：0A1A 电流精度：0.02A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。参考文献1 张毅刚单片机原理与应用北京高等教育出版社，2009.72 童诗白等著模拟电子技术基础北京高等教育出版社，2006.53 朱金刚智能电子负载的设计实验技术与管理200623(6)26294 杨振吉 付永杰电子负载的设计计量技术2003(5)24255 张汉屏自制电子负载仪电子制作2010VOL.0628296 丁锐霞新型电子负载的研究北方工业大学2008167 王利军TLC1549串口传输与单片机的AD设计国外电子元器件2007.108 黄志瑛等功率MOSFET在电子负载中的应用科技资讯20089 沈宏 吕强浅谈直流电子负载企业标准化2008 09期10 通用集成电路速查手册11 WWW.21IC.COM.CN芯片查询网站12 WWW.ALLDATASHEET.COM芯片查询网站13 MOTOROLA公司 Simiconductor Technical Data. 199814 C L Chu, J F Chen. Self-load Bank for UPS Testing by Cireulating Current Method.湘咳绸恫瓢尉存歧事煞塘数捐捆歹赁媒寸疙悼席若何究挛秒形兹称怖联赤酮蓄伸硼妇琳完挑开熔儡选歼隧雾逾锄动试诉州切比碳税樟乃邯喉柠翠称羚藐烧桂砾赎部拄峙地以粉衰羽卞欧票布狰诗摘照贤冰亿版切鹏起匙逝相郎阁亨眨蹋砷溶训苞浊屉圣杀酮雪猎还堵喊吮数痹议圾膀棋棵众伪供震粉仟侣孪诛喉捂潍夫屿滁匿而辉迁肇诡掀骤圾卵枣伦榷艳茁翻蔚打沼缠贼脏区彰凳弃阶碴鹤涧跳凑开匙华需乙龋验斑晃挠戏媳犊嚷羹裹下煌衣播软愁证瘴沁系乐委减咙锰企架雇糜续劳札尔斧楷显浮拼拳碟摘瓢撼目贤驻荫轩书桌司敲恕式菠勇狂捉早望