電子大賽-直流電子負載(共16頁)

1、 1直流電子負載摘要(zhiyo)：該系統(tǒng)(xtng)是以制作(zhzu)一臺實現(xiàn)恒壓、恒流、恒阻模式的直流電子負載為目的。系統(tǒng)采用STM32F103為主控芯片，使用OP27作為驅(qū)動裝置，并配合AD81115和TLV5616實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。工作時，采集的模擬信號經(jīng)放大電路后送入轉(zhuǎn)換電路生成數(shù)字信號，再送入單片機進行PID算法處理，不斷調(diào)節(jié)，輸出值經(jīng)TLV5616 DA電路再轉(zhuǎn)化為模擬信號，最后通過放大電路驅(qū)動MOSFET管，經(jīng)液晶模塊同步顯示最后值。經(jīng)過實際調(diào)試，此設(shè)計能夠檢測被測電源的電流值、電壓值和電阻值，能夠?qū)崿F(xiàn)恒壓、恒流、恒阻模式且滿足誤差要求。關(guān)鍵詞：電子負載 恒壓 恒流 恒阻 STM

2、32 ADAbstract : In order to make a DC electronic load, the system can achieve the constant current, constant voltage and constant resistance model . The systems main control chip is the STM32F103, using the OP27 as driving device and the voltage are transformed through AD81115 and TLV5616. When it i

3、s working, the sampling voltage is transformed into the digital signal through the AD81115. The output signal is disposed and adjusted constantly by MCUs PID algorithm. The out-putting voltage is transformed into analog by the DA TLV5616. At the last, the MOSFET is drived by the amplifier circuit. T

4、he LCD module synchronously displays the voltage and current value. Through actual detection, this design can detect the measured power supply current value, voltage value and resistance and realize constant current, constant voltage and constant resistance model as well as can satisfy the error req

5、uirements. Key words: The Electronic load, Constant voltage, Constant current, Constant resistance, STM32 , AD 目錄(ml)一、 HYPERLINK l a 設(shè)計(shj)要求 1 HYPERLINK l b 二、總體方案設(shè)計(shj) 1 HYPERLINK l c 2.1總體方案概述 1 HYPERLINK l d 2.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 1 HYPERLINK l e 三、具體方案設(shè)計 2 HYPERLINK l f 3.1方案比較與論證 2 HYPERLINK l z 3.1.1電

6、源選擇方案 2 HYPERLINK l g 3.1.2MCU的選取 2 HYPERLINK l h 3.1.3顯示電路方案設(shè)計 2 HYPERLINK l i 3.1.4模式轉(zhuǎn)換方案 2 HYPERLINK l j 3.1.5輸入方案 2 HYPERLINK l l 3.2理論分析與計算 2 HYPERLINK l m 3.2.1恒流原理及設(shè)計 3 HYPERLINK l n 3.2.2恒壓原理及設(shè)計 3 HYPERLINK l o 3.2.3發(fā)揮部分的設(shè)計 4 HYPERLINK l p 3.3程序設(shè)計 4 HYPERLINK l q 3.3.1程序流程 4 HYPERLINK l r 3.

7、3.2程序清單 4 HYPERLINK l s 四、實驗驗證與測試結(jié)果 4 HYPERLINK l t 五、總結(jié) 6六、 HYPERLINK l ab 參考文獻 6 HYPERLINK l u 七、附件 7 HYPERLINK l v 附件一：恒流恒壓電路 7 HYPERLINK l x 附件二：總體原理圖及PCB 8 HYPERLINK l a1 附件三：程序 11 一、設(shè)計(shj)要求1任務(wù)(rn wu)電子負載用于測試直流穩(wěn)壓電源、蓄電池等電源的性能。設(shè)計并制作一臺電子負載，有恒流和恒壓兩種方式，可手動切換。恒流方式時要求不論輸入電壓如何變化(binhu)（在一定的范圍內(nèi)），流過該電子

8、負載的電流恒定，且電流值可設(shè)定。工作于恒壓方式時，電子負載端電壓保持恒定，且可設(shè)定，流入電子負載的電流隨被測直流電源的電壓變化而變化。2要求2.1基本要求（1）負載工作模式：恒壓（CV）、恒流（CC）兩種模式可選擇（2）電壓設(shè)置及調(diào)節(jié)范圍：，相對誤差小于5%，調(diào)節(jié)時間小于3S。（3）電流設(shè)置及調(diào)節(jié)范圍：100mA-2.00A，相對誤差小于5%，調(diào)節(jié)時間小于3S。2.2 發(fā)揮部分（1）增加恒阻模式（CR），測量精度5%；（2）擴大負載參數(shù)的設(shè)置及調(diào)節(jié)范圍，以及精度；（3）具有自動過載保護報警設(shè)計。過載值可設(shè)。二、總體方案設(shè)計2.1總體方案概述本系統(tǒng)采用STM32F103作為主控芯片，包括控制電路

9、、主電路、采樣電路、顯示電路等。恒流模式時不論輸入電壓如何變化（在一定范圍內(nèi)），流過該電子負載的電流恒定，且電流值可設(shè)定。恒壓模式和恒阻模式原理一樣。此設(shè)計主要設(shè)定預(yù)置電壓來達到恒流、恒壓效果，恒阻模式是在恒流模式下完成的。在程序中控制模式的切換，并由矩陣鍵盤輸入實現(xiàn)。當工作在恒壓模式時，采集電壓經(jīng)過電壓跟隨，緩沖電壓變化再送入單片機PID處理。單片機處理電壓值后再進過D/A模塊和OP27芯片放大來驅(qū)動MOS管。當工作在恒流模式時，此處不再需要跟隨器。采集到的電流值經(jīng)放大后送入STM32處理，輸出值再經(jīng)過D/A模塊來驅(qū)動MOS管。恒阻模式是在恒流模式下實現(xiàn)的。在恒流電路的基礎(chǔ)上通過MCU檢測到

10、的輸入電壓來計算電流，達到恒阻功能的目的。過載保護由單片機程序?qū)崿F(xiàn)。當電路中電流過大時，程序會把MOS管封鎖，使電流為零，從而達到過載保護作用。2.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖1 總體(zngt)結(jié)構(gòu)圖三、具體(jt)方案設(shè)計3.1方案比較(bjio)與論證 3.1.1電源選擇方案 方案一：開關(guān)電源。電壓電流調(diào)整率低，對外干擾大，不適合模擬電路。 方案二：線性電源。紋波小，調(diào)整效率好，對外干擾小,精度高，調(diào)節(jié)范圍廣。適合用于模擬電路，各類放大器等。因此選擇方案二。 3.1.2MCU的選取 方案一: 宏晶公司的STC89C52。STC89C52為8位單片機，價格低，程序易寫，但I/O口少,內(nèi)存小，且需接外部

11、AD，運算速度低，功耗高。故舍棄。方案二: ST公司的STM32f103。STM32為32位單片機，頻率高，速度快，功耗低，性價比高，內(nèi)部自帶12位AD，AD轉(zhuǎn)換精度高，故選此方案。 3.1.3顯示電路方案設(shè)計方案一: 數(shù)碼管顯示。程序控制相對簡單易于實現(xiàn)，但數(shù)碼管只能顯示數(shù)字且程序復(fù)雜，應(yīng)用不便。方案二: 液晶顯示。液晶可以顯示數(shù)字、字符和漢字，增加顯示信息的可讀性。顯示信息量大，字跡美觀，且容易控制。故選此方案。3.1.4模式轉(zhuǎn)換方案 方案一：選用開關(guān)手動改變，手動可完成但是與軟件不同步易造成誤操做。 方案二：選取繼電器直接用鍵盤控制模式轉(zhuǎn)換。故選擇方案二。 3.1.5輸入方案 方案(fn

12、g n)一：通過(tnggu)獨立鍵盤輸入數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的加減來確定數(shù)據(jù)。這樣按鍵數(shù)量減少，但是輸入數(shù)據(jù)很慢且很麻煩。方案(fng n)二：矩陣鍵盤輸入，功能齊全且直接輸入方便快捷。能夠較方便的選擇恒壓、恒流、恒阻模式。故選擇此方案。3.2理論分析與計算 系統(tǒng)總體原理圖和PCB圖見附件二。 3.2.1恒流原理及設(shè)計圖2恒流電路為取樣電路，VERF是給定信號，電路工作原理：當給定一個信號VERF時，如果上的電壓小于VREF,也就是OP07的-IN小于+IN，OP07加大輸出，使MOS加大導(dǎo)通使R3的電流加大。如果上的電壓大于VREF,也就是OP07的-IN大于+IN，OP07減小輸出，使MOS減

13、小導(dǎo)通使的電流減小。這樣不論輸入電路的電壓值如何改變，電流最終維持在恒定的給定值上，也就實現(xiàn)了恒流工作。本系統(tǒng)給定值是程序設(shè)定的。恒流原理圖見附件一。本系統(tǒng)由按鍵實現(xiàn)模式的選擇。當工作在恒流模式時，此處不再需要跟隨器。采集到的電流值經(jīng)放大后送入STM32處理，輸出值再經(jīng)過D/A模塊來驅(qū)動MOS管。3.2.2恒壓原理及設(shè)計圖3恒壓電路恒壓原理(yunl)：圖中MOS管上的電壓經(jīng)與分壓后送入運放+IN與給定(i dn)值進行比較。當電位器在10%時，-IN為,那么(n me)MOS管上的電壓應(yīng)為。本系統(tǒng)給定值是程序預(yù)置的。恒壓原理圖見附件一。由按鍵來切換各種模式，當工作在恒壓模式時，由于要采集電壓

14、送給單片機，所以應(yīng)加一個電壓跟隨，緩沖電壓變化。單片機PID處理，輸出電壓經(jīng)過D/A模塊和放大器來驅(qū)動MOS管。注意：附件中的恒壓原理圖及恒流原理圖分開來給出的，是為了能夠更好的理解本次設(shè)計的思路和各部分的功能。其后附件中又給出了整體的原理圖（一個MOS驅(qū)動）及PCB圖。3.2.3發(fā)揮部分的設(shè)計 在定電阻工作模式時，電子負載所流入的負載電流依據(jù)所設(shè)定負載電阻和輸入電壓的大小而定，此時負載電流與輸入電壓呈正比例，比值即是所設(shè)定的負載電阻，即負載電阻保持設(shè)定值不變。 恒阻模式是在恒流模式下實現(xiàn)的。在恒流電路的基礎(chǔ)上通過MCU檢測到的輸入電壓來計算電流，達到恒阻功能的目的。比如要恒定電阻為10歐時，

15、MCU檢測到輸入電壓為20V，那么會控制輸出電流為2A。這樣就實現(xiàn)恒阻模式。 過載保護是在程序中實現(xiàn)的。當電路中的電流過大時，程序會把MOS管封鎖，使電流為零，從而實現(xiàn)過載保護。3.3程序設(shè)計 程序流程圖如下圖4。圖4 程序(chngx)圖程序(chngx)放在附件三中。四、實驗(shyn)驗證與測試結(jié)果表一：恒流模式測試預(yù)置電流（mA）實測電流（A）相對誤差1000.1033%5000.5122.4%10001.0333.3%15001.5241.6%20002.0733.65%分析：由表一中可以看出，當系統(tǒng)工作在恒流模式時，實測電流與預(yù)置電流相差很小，其相對誤差小于5%，達到了任務(wù)要求。表

16、二：恒壓模式測試預(yù)置電壓(mV)實測電壓(V)相對誤差20001.9761.2%50005.0250.5%1000010.323.2%1500014.791.4%2000020.251.25%分析(fnx)：由表二中可以看出，當系統(tǒng)工作在恒壓模式時，實測電壓與預(yù)置電壓相差很小，其相對誤差(xin du w ch)5%，達到了任務(wù)要求。表三：恒阻模式(msh)測試預(yù)置電阻()實測電壓(V)實測電流(A)實測電阻（）相對誤差1010.47761.047610.0010.01%2010.63860.532719.9710.145%5010.75410.215549.9030.194%10010.79

17、300.108799.2920.701%15010.79400.0723149.20.533%分析：由表三中可以看出，當系統(tǒng)工作在恒阻模式時，先測出實測電壓與實測電流，可計算出實測電阻，與預(yù)置電阻相比，其相對誤差小于1%，達到了任務(wù)要求。但是當預(yù)置電阻高于150時，其誤差大于5%。仿真結(jié)果：當系統(tǒng)工作在恒流模式下的仿真結(jié)果，如下圖5。圖5 恒流模式仿真當系統(tǒng)工作在恒流模式時，若程序預(yù)定值為0.5A，由仿真圖中可以看出，系統(tǒng)電流從0A變化到0.5A大約經(jīng)過了0.7s，之后檢測值穩(wěn)定。在2.0s時改變了預(yù)定值為2A，則經(jīng)過了大約0.2s后，電流從0.5A變化到了2A，之后系統(tǒng)穩(wěn)定在2A。因此實現(xiàn)了

18、電流恒定。當系統(tǒng)工作在恒壓模式時的仿真結(jié)果，如下圖6。圖6恒壓模式仿真 當系統(tǒng)(xtng)工作在恒壓模式時，若電壓預(yù)定值為5V，經(jīng)過0.1s后電壓(diny)恒定在5V，在改變電壓(diny)預(yù)定值為20V，經(jīng)過后電壓恒定在20V。達到了電壓恒定效果。五、總結(jié)本次設(shè)計以STM32為控制核心的電子負載，可以實現(xiàn)恒流、恒壓和恒阻模式。不論輸入的電壓值如何改變（在一定范圍內(nèi)），輸出的電壓、電流不變，當電壓電流都不變時，其電阻也不變。通過單片機程控使各個參數(shù)都能直觀的在液晶上顯示，很好的完成了本次的任務(wù)即實現(xiàn)了恒流、恒壓、恒阻模式。此電子負載能很好的替代傳統(tǒng)的測試方法，更簡單更可靠。但是本設(shè)計還存在很

19、多不足，比如是功耗型。希望在以后的學(xué)習中能逐步改善。六、參考文獻【1】單片微機原理及應(yīng)用【M】.北京機械工業(yè)出版社.2005.【2】黃慶華，張永格.單片機開發(fā)技術(shù)和實訓(xùn)【M】. 【3】電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第四版）【M】.高等教育出版社.1996（2004重?。?【4】全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽訓(xùn)練教程【M】.電子工業(yè)出版社.2005-1.【5】數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)【M】高等教育出版社.1998-12.【6】儀器儀表學(xué)報【J】第33卷第六期.2012七、附件附件一圖一 恒流電路(dinl)圖二 恒壓電路(dinl)附件(fjin)二總體(zngt)原理圖PCB圖附件(fjin)三 程序(chngx)：/*模擬(mn)IIC： PB8-SCL PB9-SDA*/*鍵盤： PC0-PC7*/*液晶顯示：PA8、PA11、PA12-CS、SID、SCLK*/*USART1: PA9 PA10*/*SPI: PA0、PA1、PA2-DIN、SC、FS*/*時間： 2012-9-14*/#include stm32f10 x_lib.h#include maze.h/* 函數(shù)名稱 ： main(void)* 函數(shù)功能 ： 主函數(shù)* 輸 入： 無* 輸 出： 無* 返 回： 無*/s8 key_get;char MODE=10;char MODE_sto