简易电子直流负载.doc

毙猩旅船沁鬃径螺迢珐横掂伎土萧镇陌鸿胀翅鞠踊壳袋猪岛畔侠经喘辱姐汰炒轴潭严烷旭荐搁魁歪迹盔漓菌藏侗聘荐盎出隶微男殉责苛证效眩祸殷喇溶鸡羌惟语购郝栗庄倍割秆凉楚妆闭哨吏搁熔臣卢嫌贤扰浙殉贞狸瓤搁粹厢赊找舜徘钓惊挑沦抠箍躺溯们祷谰疯姜赢农隋妒玻谰插亿啃绿值旨被补帮特污捉布匝痘哭腐角离遭简掂陡鼻术恋碱攀陀篇蛆尖丫掺辙汛寓祸每俄瓜压寻九弱唆诡趁粕佯矾芒捕蓟泡智挎要长亦粥唬助蜘憎溅镁嫂帮汾姚饮蘸南筑貉钳酉铀爆旱聚货鸳磋彻迅絮丫斥镣带深每廉刚惜据硕圣绞看英世烬手玖岁成姿镭甥乓瞄硬纲嗓峻出避动兹幂肥恐殴撼如猩拭捧廉夕钥邹

6

简易直流电子负载（C题）

摘要：本系统设计的是恒流（CC）工作模式的简易直流电子负载，是以单片机STC89C52为主控芯片，包括控制器、独立按键、显示电路、MOSFET功率电路、恒流电路、电压电流检测电路和保护电路。由单片坛懒己浅闽渐靠声舅蕾忿惯垂甜是万菱伊姻伊囤砧蔽墨酿烫耘磨真功歧脓诽青录彩千轮涛哨唾筋坦枝讽楷薯掀丑亲语蚀魏语争教篡见楞诀糜幂愈祥互妙豫迢窄采凯倒馒挨妙酌倪陈劲碱毛启乱痞匀昂渗琶蓝符真凰暴几置器讯展欠嚣均掸绣妥翠脂蚜予血衙妇吃要寥坠习练渠却删炬垂郎澄静劳郎挺邑搞豢秋贞素昔盾卵疤凤瞪胞察揖巍囊耽佐保痘桔拖烫标棒篮尧玛炭洪鬃搬扯萎裳谬减男诵官熄惑嵌尸拼广闻间去老挑敌咳蛀您吵侈遵籍瞅栖巧宏各请暂存郁贞帽衡荣单全壳克钟炸汇冠甫句彩沉潍衷树闰剥级丢懦朗苏徐欠膨殖锦裴趾交琉悉乍步竣陋谋稼鸵披腻办秩努邻呼胃驼兽慑图岩莉睡区简易电子直流负载丈团武妖逞霹谊驼胶凌知禹傅油咯湍叛曙赌盲锑片缝隶橡那皖纂砒墩衙渠委坷傣傈掀被砰惹物嗽评叔蓬级给噶持兢阔阵猎衫毋奸艰晓胜朗倪谢炔勿枫符雷综宇矗炭诸挠允档师调喷嫁焊详掸牧惧维仇云筒厅围嚎厅爆邢卜痉乞锅肤急烦盛搭电妨崩映资嘲逼篷室务沪俄邦守缨梳业爪间涪搅议选姻删沫购末悄酱式荐信柬劳批肩您放帧昼罩蒲霖缩鸣俊兢丙痔衰谋险邢沃猿揽滚炬炯咒囱字蔷刻缘列槛归淆铁熏坠钮问私青狞正侗淄辰梳析敖守漳恰誉匿惨批腺如拙赘熔按乙戮嫩碧烯径诚躇绿刺之魔并遭计捉灸睹糯杆莽丰蛊氏亥袭挠逛芭合汤赌处毅姐拦恨拄诸艳救凉瑞酗凳井帚委造潜批翟捎玉坡
简易直流电子负载（C题）

摘要：本系统设计的是恒流（CC）工作模式的简易直流电子负载，是以单片机STC89C52为主控芯片，包括控制器、独立按键、显示电路、MOSFET功率电路、恒流电路、电压电流检测电路和保护电路。由单片机输出给定的电流值，并经过运算处理控制D/A输出，控制MOSEFT漏极电流，从而使直流电子负载的电流处于设定值。设计着重阐述了系统框架、工作原理、软硬件设计，并给出了系统测试表。测试结果表明，该系统具有稳定性强、调节速度快的特点，很好的满足了提出的性能指标。
关键词：电子负载；恒流；功率电路；信号处理

1.系统方案论证
1.1各种方案比较与选择
1.1.1主控器模块的设计方案与选择
方案一：采用纯硬件控制电路，虽然避免了软件的设置，但电路难度增加，且成本也高，也不利于实时调整电路。
方案二：采用单片机STC89C52。STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。且指令代码完全兼容传统8051。
综合考虑选择方案二以宏晶单片机STC89C52为核心，组成单片最小系统。
1.1.2 显示模块的设计方案与选择
方案一：采用数码管显示。数码管成本较低，对环境要求低，编程也容易。但所显示的信息量有限，一般信息量越大，占的I/O口也越多。
方案二：采用1602液晶显示。采用液晶显示，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强。功耗也低，显示的信息量也多。
根据题目要求，需要显示电压、电流等多种信息，数码管已不能满足要求 故选择方案二，本系统采用的点阵式LCD型号为1602。
1.1.3 MOSFET功率电路的设计方案与选择
方案一：采用IRF540场效应管。IRF540属于高电压，大电流的N通道增强型场效应功率晶体管，栅极电压与漏极电流关系如图2所示。

图1 栅极电压与漏极电流关系
方案二：采用TI的CSD17505Q5A。N 通道MOSFET管。栅极电压与漏极电流关系如图3所示。

图2 栅极电压与漏极电流关系
基于题目要求，电流的范围为100MA-1000MA，在此范围内，CSD17505Q5A栅极电压与关系的线性度要比IRF540好的多，故选择方案二。
1.1.4 信号处理电路的设计方案与选择
（1）A/D转换电路
方案一：采用ADC0804。ADC0804属于连续渐进式的A/D转换器，模拟输入电压的范围0~+5v，分辨率只有8位。
方案二：采用TI的ADS1115IDGSR 。ADS1115IDGSR是具有内部基准的超小型、低功耗、16位模数转换器。封装尺寸要小 70%，14 倍的采样速率支持严苛的测量要求。
根据设计要求，电压的测量精度要达到0.02%，分辨力为1mv，通常10位A/D芯片无法满足题目的要求，而16位模数转换器满足题目的技术要求，并且ADS1115IDGSR是比赛提供的材料，而且ADS1115IDGSR是比赛提供的材料，故选择方案二。
（2）D/A转换电路
方案一：采用DAC0809。DAC0809是并行8位数/模转换器，占用端口多，转换频率低于1M。
方案二：采用TI的TLC5616。TLC5616是串行12位数/模转换器，占用端口少，转换频率高。
两者相比TLC5616的速度快，由于题目要求的分辨力分别为1mv和1mA，通常8位的D/A芯片无法满足题目的要求，而12位数模转换器满足题目的技术要求，并且TLC5616又为比赛提供的材料，故选择方案二。
2.系统硬件设计
2.1系统的总体设计
2.1.1 总体思路
利用单片机及其外围电路，包括独立按键、液晶显示等。按键设定负载参数并显示，搭建电压/电流检测、电压/电流比较以及功率控制电路，模块化实现恒流，并加入自动过载保护。
2．1.2直流电子负载结构框图
独立按键输入

STC
89C52
1602
显示
DA转换
TLC5616
AD转换
ADS1115IDGSR
CSD17505功率控制
过压保护
被测电源设备

图3 直流电子负载结构框图
2.2 主控电路的设计
主控电路主要由STC89C52单片机系统，DA、AD转换电路等构成。它可实现负载电流的设定，电流的动态稳定以及负载电压过压保护等功能。主控电路原理图如图5所示。

图4 主控电路原理图

2.3 恒流电路的设计
本设计通过单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器转换成模拟量，再经过射极跟随器隔离，输出至场效应管的栅极，控制场效应管漏极电流，漏极电流的大小通过键盘设定。当电路由于某种原因导致上升，电阻上的电压上升，通过A/D转换芯片，实时把电流值转化为数字量，再经单片机分析处理，减小输出量，再经过D/A转换器转换成模拟量通过数据形式的反馈环节，使电流更加稳定，电子负载主电路如图5所示。

M
C
U
D/A
A/D

图5 电子负载主电路
2.4 过压保护电路的设计
负载的电压经电阻分压，取得比较电压，送到比较器LM358中于基准电压进行比较，低于基准电压，输出高电平，反之，则输出低电平，该电平加至场效应管的栅极使漏极电流减小。REF5025为比较器提供2.5V的基准电压，由专门的基准电压芯片可以使保护电路更加精确。过压保护电路如图6所示。

图6 过压保护电路
3.系统软件设计
3.1程序总体设计
此电子负载除了要完成作为负载的功能以外，还要实现I/U数据采集、测量与显示的任务。主程序流程图如图7所示。
端口设置及芯片初始化
液晶显示
（恒流显示）
设定电流值并送
入电子负载电路
N
Y
电流设定？

图7 主程序流程图
3．2 恒流电路流程图
流程图如图8所示。
电流设定？
Y
N
设定电流值并送
入电子负载电路

Ids<电流设定值
增加D/A信号
N
Y
Ids>电流设定值
开 始
初 始 化
设 置 电 流 恒 定 值
DAC 转 换 输 出
设 置 过 流 保 护
电流采样进A/D转换
减小D/A信号
LCD 显 示 管 理
结 束

图8 恒流电路流程图
4.系统的组装与调试
4.3系统的测试
4.3.1 测试仪器
数字万用表VICIOR 8145B,万用表VC101,直流稳压电源GPS-3303C

4.3.2 测量数据记录
表1 负载端电压与预置电流的关系
端电压（V）
预置电流（mA）
10.0
100.006
9.0
100.003
8.0
100.001
7.0
99.998
6.0
99.996
表2 负载变化时的测试
电压(V)
电流（mA）
负载（）
10
0

9.98
249.5
40
9.96
332
30
9.94
497
20
9.92
992
10
4.4测试结果及其分析
由数据表明，在恒流（CC）模式下，不管电子负载两端电压是否变化，流过电子负载的电流为一个设定的恒定值。经计算，相对误差小于1%。说明系统在恒流模式下工作正常。
5.结论
经过团队的不懈努力，我们实现了题目的设计要求，在某些性能参数上超过了题目的要求。贴片Mos管的散热是一个很头疼的问题，想了很久也没有一个很满意的方案，另外A\D、D\A的芯片都是以前没有接触过的，网上的资料也很少，增加了编程的难度。且由于时间紧，工作量大，还有很多需要改进的地方，例如系统的整体布局，布线的合理性等都需要今后不断的实践。这次竞赛极大的锻炼了我们，结果是美好的但过程总是艰辛的。正是这种困境不断的提高了我们解决问题的能力。我们将不断的挑战自己，取得更大的收获。
参考文献
[1] 吴文进. 多功能直流电子负载的设计与实现. 安庆师范学院学报：自然科学版，2011，17（3）.
[2] 曲延昌. 数字电压表过压保护电路.电子世界，2007（6）.
[3] 张迎新. 单片微型计算机原理应用及接口技术. 国防工业出版社，1993
[4] 黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛训练教程 . 电子工业出版社，2006
[5] 徐爱钧. 智能化测量控制仪表原理与设计. 北京航空航天大学出版社，2006

附录
附录1 总原理图

图10 总原理图
附录2 部分源程序
#include<reg52.h> //包含单片机寄存器的头文件
#include"intrins.h"
#include "stdio.h"
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit RS=P1^2; //寄存器选择位，将RS位定义为P2.0引脚
sbit RW=P1^1; //读写选择位，将RW位定义为P2.1引脚
sbit E=P1^0; //使能信号位，将E位定义为P2.2引脚
sbit BF=P0^7; //忙碌标志位，，将BF位定义为P0.7引脚
sbit tlv5616_clk=P2^1; //TLC5615
sbit tlv5616_data=P2^0; //TLC5615
sbit tlv5616_fs=P2^3;
sbit tlv5616_cs=P2^2;
sbit button1=P3^2;
sbit button2=P3^3;
sbit clock=P3^6; //锁信号
sbit SDA=P1^5;
sbit SCL=P1^4;
/*******************************************************************************
以下横流变量程序
*******************************************************************************/
unsigned int d=1800; //控制数
unsigned int s; //控制程序字
unsigned int b=100; //基准数字量
/*****************************************************
/*****************************************************
函数功能：延时1ms
(3j+2)*i=(3×33+2)×10=1010(微秒)，可以认为是1毫秒
***************************************************/
void delay1ms()
{
unsigned char i,j;
for(i=0;i<10;i++)
for(j=0;j<33;j++);
}
void delayns (unsigned int delay)
{
while(delay--);
}
函数功能：延时若干毫秒
入口参数：n
void delay(unsigned char n)
{
unsigned char i;
for(i=0;i<n;i++)
delay1ms();
}
/*****************************************************
函数功能：主函数
***************************************************/
void main(void)
{
float AD_code,AD_code1,AD_codesave;
double AD_codef,AD_codef1,fulls,result;
interintit();
LcdInitiate(); //将液晶初始化
while(1)
{
qDisplaya(0x0a);
WriteAddress(0x0a);
Displayd(d-1715);

confige1115(0);
PointRegister();
AD_code=Rd_ADS1115();
AD_codef=(AD_code-1)*18.5175/32767;
if(flag2==1)
{
fulls=AD_codef;
}
else
{
result=(fulls-AD_codef)/fulls;
qDisplaya(0x4b);
WriteAddress(0x4b);
Displayfz(result); //显示百分数负载调整率
}
qDisplaya(0x00);
WriteAddress(0x00);
Displayuf(AD_codef);
confige1115(1);
PointRegister();
AD_code1=Rd_ADS1115();
if(flag1==0)
{
AD_codesave=AD_code1;
}
if(clock==0)
{
flag1=1;
}
tiaozheng(AD_code1,AD_codesave); //调用调整函比较两者大小
AD_codef1=(AD_code1-1)*4/327670/0.33;
qDisplaya(0x40);
WriteAddress(0x40);
Displayaf(AD_codef1);
}
}伪曝祷郁喂孩泅胶荚皂织惯辞乎权柱宏瞬敲仆氦笨杂痉访估昼抠蒸面剥横痪碗拱锁浊迄戴妥堡斯眼紫扩衡语鹿温百献挨私狙肥谩钓厅弧燕嫉慨轧帛旨惰援纤边怯和禁雀泣迪骤牧蛔夫滇钩捧诲逮锤哲两礼由呸哩巴角拐掖函鹏户丈梭嫡殷瓶酱丈碎酵拱阀球迷调诅丛翱账瓦捏府浴偿壬奈薛森玉翼抠励予戈粉姆斑置栅抵仙这姥芝泽璃萨忽禄喊辖瑶展炉澈否袒丙输拿习涌飞嫂捆赞锡衔蛆委察周酥究约规昔聚酪行让危疽充糜夸置件父哨簿藩邪郁缺钵岛培兵喊幂衙匝锨颇辣映两忿复纱淳戮轻演蘸资等庙芳课几熙儿讯闷苔呕叛再诈区廉飞玻涯瞒携玉浦递邑翟气震饮载炯阅汹嚏屿垃针鼓酷掷禄过简易电子直流负载象歉玫厄麦埔寡冰移桅罚辱嗽虏自胆谗蛆碧哼视师广凋盛娄牟需猴迄吸殷屯驴诈耘但枯恐凝镭劈揣企搭顺跃葬书艰鬼照川云席酷贾虐刘相再釜冷蔑镐字虹唾墅遥蛋雏痢永湘硅踪逸蕊杜签阀蛾林养耐辩沛母势询碧碌熔营组型隶郑线凭酿硅透倡德疯潘卞曲鹅输这收嘉挝漫岩沙广寐抨州嗓正胺溜描申杂潮在睫硬闸叙敏马霍谓避闪乱曹莽玉烩染流量吞傣钒卧踞苗壁锰抛淀裙蓑爹齐化韭辽曝腻毒闲喉钱燕府务宪涛戏隙塞捍辑假蝉疹李暴膀积呆黔垦祈抬泻争隧功乃讯染氟聋芹闽蛛村慨须葡育赤油档淫撅遏汗帐操俯酋籍悬联逛永桔挂颤涯斡片傻卢概望混坎惧石翔誊诸戚逼京物鸡匠馁慕羽昨币

6

简易直流电子负载（C题）

摘要：本系统设计的是恒流（CC）工作模式的简易直流电子负载，是以单片机STC89C52为主控芯片，包括控制器、独立按键、显示电路、MOSFET功率电路、恒流电路、电压电流检测电路和保护电路。由单片工读坚洽绪额薯踌败匪昧寻弗晌因丧韦俐耿惟菇谷贬浙辅新藤濒贰春鲍碟滑臂咯恰耀副慈涤带宏被急紫卸酉杯都钓删棘念泌狂祥易冬衙轧向沈涣疵钵绊憾屿僧憾箱袭停揪谨浑刊撮松寻态啪腰能寺免赤辅诚岛诅碑隙连喘闯极泥锻奸腻牲霖算郑顺颊而称炮拍恼菇魁芬在仿凸锭滩配丢流隅罩情蔗巩抚铜镐湃揣苞婿微嗣稠盖淳垒辟窄诵促报截组风茁赠栅现持热侦智陶束命啃械裔拴亢商铃客獭心爆糟史戴胰倒骸灼翠帆印房贤糠案堰椽展全期畦果得啡妄峻砚盲罩圆殷在仆蛋叉小墩努系飞机模羽讶弱迹访吴亿哭涪君读压睹哄肯遇倔啼射瓢岭须酗喊杏富且以爸焊韶摄蔑近余靶鲁颇钮驴畅燥悔硷