电子设计竞赛报告.doc

2012年“TI”杯浙江省大学生电子设计竞赛简易直流电子负载（C题）【本科组】2012年8月8日9摘 要 直流电子负载与传统的模拟电阻性负载相比具有节能、体积小、效率高等优点，在电源，通讯，汽车，蓄电池等领域得到了较好的地应用，并已成为当前研究的热点。直流电子负载由数字控制、检测与驱动电路和显示模块等。数字控制MOS管或晶体管的导通量，实现对电源参数的稳定控制。 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。为了便于控制的实现和功能的扩展，采用了freescale单片机作为核心控制器，设计了控制电路、检测电路，键盘电路、显示电路，通过比较法和模糊控制技术及软硬件的配合，实现了整个电路的设计。关键字： 直流电子负载 单片机 AD采样 DA采样目 录1系统方案31.1 单片机模块的论证与选择31.2 AD模块的论证与选择31.3 控制系统的论证与选择32电路与程序设计42.1系统总体框图42.1.1系统总体框图42.2电路原理图42.2.1 单片机及外围电路电路原理图42.2.2 硬件闭环控制电路原理图62.2.3 电压电流采样电路的原理图63.2程序的设计73.2.1程序功能描述与设计思路73.2.2程序流程图84测试方案与测试结果94.1测试方案94.2 测试条件与仪器94.3 测试结果及分析94.3.1测试结果(数据)104.3.2测试分析与结论10简易直流电子负载（C题）【本科组】1系统方案本系统主要由单片机模块、AD采样模块、控制系统组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1 单片机模块的论证与选择方案一：选择STC89C52作为主控芯片，STC89C52周期比较慢，使系统反应比较慢。方案二：选择MSP430G2553作为主控芯片，这款单片机的虽然周期是比STC89C52快，但是为了实现能用液晶12864显示，电路中的电压和电流，使用端口不够。方案三：选择freescale的S12XS128作为主控芯片，这块芯片不但总线频率能超频到80MHZ，这是一个非常快的反应速度，再加上有100多个引脚，完全可以满足系统控制的要求。综合以上三种方案，选择方案三。1.2 AD模块的论证与选择方案一：使用单片机内部12位AD采集电压 单片机的内部12位AD，由于题目要求的精度比较高，12为的分辨率比较低。方案二：使用外接16位AD采集电压ADS1115 首先ADS1115芯片，完全可以达到题目中要求的精度，然后ADS1115是4通道AD转换，有就是受一块芯片可以完全采集电压和电流。综合以上两种方案，选择方案二。1.3 控制系统的论证与选择方案一：利用可调电阻的电压，控制恒流的输出 使用可调电阻上面所分到的电压作为基准电压，也就是硬件上实现了一个闭环控制，从而达到回路中电流的恒定，但是利用可调电阻，分得的电压很难达到一个自己想要的恒定电流。方案二：利用单片机控制外接DAC7512芯片模块，输出的电压作为基准电压，控制恒流输出 利用单片机来控制12位的DAC7512，可以是电压输出更加的稳定，也可以用过按键来调节电压的输出，并可以精确的计算出电压的值。是你调节起来更加的方便，和快捷经过我们的考虑最终选择的通过DAC7512芯片来实现对基准电压进行控制，来实现恒流的目的。2电路与程序设计2.1系统总体框图2.1.1系统总体框图系统总体框图 单片机是使用reescale的S12XS128芯片，ADC转化芯片是使用了16位ADS1115，DAC转换芯片是使用了DAC7812芯片，显示是用了液晶128642.2电路原理图2.2.1 单片机及外围电路电路原理图 单片机及其外围电路，主要包括了S12XS128最小系统板、ADC模块、DAC模块、电源模块按键模块以及液晶显示模块等。 电源模块：为了使DA和输出的稳定性，再加上我们所选用的和的芯片的参考电压为芯片的供电电压，所以给AD和DA芯片供电必须得稳定，最终决定使用了LM1117芯片稳压到3.3V给AD和DA芯片供电。 单片机及外围电路电路的PCB2.2.2 硬件闭环控制电路原理图硬件闭环控制：通过J1脚上给定的电压，通过比较器，当给定电压大于R8采样电阻两端电压时，MOS管进行导通，电流上升，随后是R8采样电阻上的电压增大，那采样电阻的电压大于给定电压是，MOS管关断，电流下降，降到给定的电压以下是，MOS又导通，从而形成了闭环控制。这样可以使采样电阻上电压稳定，根据欧姆定律，计算出流过回路的电流。电流=电压/电阻，从而达到恒流的目的。2.2.3 电压电流采样电路的原理图 电压采集：将要采集的电压，首先通过电压跟随器进行隔离，然后在通过放大电路放到两倍给AD进行采集，根据AD读回去的数据，通过参考电压进行计算，得到电压值。 电流采集：将采样电阻的电压，首先通过电压跟随器进行隔离，再RC滤波，然后在通过放大电路放到21倍给AD进行采集，根据AD读回去的数据，通过参考电压进行计算，得到采样电阻两端电压值，将电压值除以采样电阻的阻值，得到电流值。 电压电流采样电路的PCB3.2程序的设计3.2.1程序功能描述与设计思路1、程序功能描述 可以实现恒流100MA跳变 可以实现恒流10MA跳变可以实现恒流1MA跳变自动电压测量自动电流测量负载调整率自动计算根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示1）键盘实现功能：模式的切换，电流设定值的增减2）显示部分：显示电压值，显示电流值，显示电流设定值，显示负载调整率2、程序设计思路 首先初始化I/O、DA、AD、按键，然后分别对DAC7512输出基准电压，用ADS11155进行电流采集，读取按键的值并送入单片机，最后用12864液晶显示电压值，显示电流值，显示电流设定值，显示负载调整率3.2.2程序流程图1、主程序流程图4测试方案与测试结果4.1测试方案1、硬件测试 首先分模块搭建硬件电路并分别测试成功，然后将分立的模块搭建在一起测试整体功能。经测试，我们的电源模块、功耗模块、单片机控制模块以及信号检测放大模块均工作正常。2、软件仿真测试 软件测试我们选择在搭好的硬件上直接测试，结果正常。3、硬件软件联调 软件测试我们选择在搭好的硬件上直接测试，结果正常。4.2 测试条件与仪器输出0-30v和3A电源带宽40M数字示波器4位半数字万用表 4.3 测试结果及分析 经过测试，系统各部分均工作正常。电流设置可以做到步进100MA，10MA以及1MA的步进值。在输出电流100MA700MA时，误差可以控制在1%以内。在大电流工作时，误差小于2%。同时系统具有过压保护功能和开路工作模式，具有测试电源负载变化率功能。4.3.1测试结果(数据)4.3.2测试分析与结论根据上述测试数据，系统电流在01A内可调，设置步进有100MA、10MA，在横流工作模式下具有开路设置，当电子负载两端变化10V时输出电流基本不变，具有过压保护功能。具有测量并实时显示电子负载两端电压，流过电子负载的电流的功能。具有自动测量负载调整率的功能由此可以得出以下结论：1、恒流工作模式的电流设置范围为100MA1000MA,设置分辨率为10MA，工作在开路模式，电流为0MA。2、在恒流工作模式下，当电子负载两端变化10v，输出电流变化的绝对值小于变化前电流值的1%。3、能比较精确的显示电压以及电流值。综上所述，本设计达到设计要求。