直流電子負載

宜賓學院模擬電子競賽直流電子負載設計報告張濤吳康阮九霄2015/7/28摘要系統(tǒng)設計了一種以具有高精度的直流電子負載。其主要由單片機控制模塊、電子負載模塊、頻率切換模塊、采樣模塊、顯示模塊和電源模塊構成。它以TI公司16位單片機MSP430F149為控制核心，通過對DA的控制，達到對恒壓值或者恒流值在一定范圍內(nèi)的控制。之后通過內(nèi)含AD的采集模塊將實際端電壓、端電流值送回單片機控制模塊，并通過顯示模塊加以顯示，通過按鍵控制電壓步進。頻率切換模塊能夠在既定的頻率和占空比下，順利的接入和斷開負載。關鍵詞MSP430單片機12位AD/DA

恒流恒壓運算放大器目錄1. 總體設計方案 41.1. 方案論證及比較 41.2. 系統(tǒng)總體框圖 62. 單元電路設計 72.1 整流濾波模塊 72.2 電子負載模塊 72.3 繼電器保護模塊 82.4 頻率切換模塊 82.5 單片機控制及顯示模塊 93. 單片機軟件設計 103.1 軟件設計 103.2主程序的流程圖 114. 系統(tǒng)測試 124.1 測試儀器 124.2 測試電路如圖： 124.2測試方法： 124.3 測試結果分析 135. 設計總結 14總體設計方案方案論證及比較方案一：基于手動調(diào)節(jié)的直流電子負載

基于手動調(diào)節(jié)的直流電子負載的原理圖如下：圖1-1本方案由于電路設計的問題，對電子負載恒流恒壓的控制是依靠對電阻手動調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的。而單片機對電阻的調(diào)節(jié)的實現(xiàn)相對較為復雜，因此這里并沒有采用單片機為控制核心，只是將其應用于顯示模塊當中。該方案采用了諸多的精密器件（如精密金屬膜電阻）以獲得足夠高的精度，但卻采用了手動調(diào)節(jié)的方式，顯然是得不償失。而且高精度的器件的價格昂貴、數(shù)量稀少、不易采購。開環(huán)的控制方式不利于精度的調(diào)節(jié)和操作的簡化。電路中恒流恒壓部分相對獨立，技術含量較低且元器件的利用率較低。同時，系統(tǒng)的擴展性較差也是其弊端。方案二：基于單片機的恒壓恒流電路分離的電子負載基于單片機的恒壓恒流電路分離的電子負載原理圖如下：圖1-2本方案采用了單片機控制整個系統(tǒng)，操作變得簡單明了。但是電路中的恒壓恒流部分仍然相對獨立，技術含量較低。兩部分電路分別受單片機的控制。電路的輸出有兩個。這為測量帶來了不變。同時電路元件的利用率底下且電路本身規(guī)模龐大也是其弊端。方案三：基于單片機的數(shù)控直流電子負載

基于單片機的數(shù)控直流電子負載的原理圖如下圖所示。圖1-3此方案控制核心采用MSP430單片機。操作時只需通過程序就能實現(xiàn)恒壓恒流模式進行切換、恒壓恒流值的調(diào)節(jié)、端口電壓的采集及顯示、恒壓模式下電子負載的接入與斷開等核心功能。較好的解決了方案一因手動操作所引出的一系列弊端。方案中所采用的元器件型號比較常見且價格適中，在元件運用方面遠遠優(yōu)于上述方案。此方案采用12位A/D、D/A芯片，精度的理論值已經(jīng)優(yōu)于了題目要求。由于該方案的操作方法以及整體構架簡易明了，利于電子開關的接入和控制，因此較好的實現(xiàn)了發(fā)揮部分關于頻率方式的要求。電路中含有的運算放大器具有很大的電源電壓抑制化，可以大大減小輸出端的紋波電壓。單片機對12864顯示屏的精確控制使得顯示界面人性化。A/D對實際電壓電流的反饋有利于單片機智能的對輸出值進行修正，這是方案一所不具備的。同時，本方案也將恒壓電流與恒流電路有機的結合在了一起，電路簡潔，控制簡易?？偠灾?，智能化的可編程器件的充分使用使得整個系統(tǒng)可編程、可擴展，系統(tǒng)的靈活性大大增加?？傮w上遠遠優(yōu)于上述兩個方案。故選擇方案三。系統(tǒng)總體框圖圖1-4單元電路設計整流濾波模塊電路圖如下圖所示：圖2-1整流濾波電路該電路輸入為調(diào)壓器輸出交流電，最大為20V，經(jīng)過整流濾波講交流電轉(zhuǎn)換為直流電電子負載模塊電子負載模塊分為恒壓源和恒流源模塊。電路圖如下圖所示：圖2-2恒壓（左）、恒流（右）模塊恒流電路輸入為5到20V，恒定電流范圍為0.5—1A，單片機控制步進0.1V。恒壓電路輸入為5—20V,輸出電壓恒定，電流能力大于等于2A，單片機控制步進0.01A.繼電器保護模塊電路圖如下圖所示：圖2-3繼電器保護模塊繼電器實現(xiàn)的是過流保護功能，當電流超過2.5A時自動開啟保護頻率切換模塊電路如下圖所示：圖2-4頻率切換使頻率實現(xiàn)1KHZ的頻率切換單片機控制及顯示模塊單片機是數(shù)控電子負載的核心部件，它既協(xié)調(diào)整機工作，又是數(shù)據(jù)處理器。本系統(tǒng)采用MSP430F149單片機為核心，以16個按鍵鍵盤，12964液晶顯示屏構成友好界面。單片機通過A/D,D/A等器件對模擬信號進行信號的采集、處理和輸出，從而對輸出電流值進行控制校正，達到較高精度,并且對電壓、電流進行步進，并且精度較高。同時，單片機的接口全部進行擴展，使系統(tǒng)應用更加靈活。單片機軟件設計軟件設計

為了方便編寫和調(diào)試，我們采用了模塊化的編程方法，整個程序分為若干子程序：

（1）液晶顯示子程序:顯示當前模式（恒壓或恒流），設定輸出值及實際端電壓電流；（2）鍵盤處理子程序：模式切換，輸出值的設定及步進；（3）數(shù)據(jù)處理子程序：根據(jù)設定值換算出調(diào)整值，寫入D/A的值，根據(jù)A/D采樣的數(shù)據(jù)換算出實際端電壓電流值；（4）將調(diào)整值送入D/A；

進行A/D采樣；對設定電壓進行步進及其顯示。3.2主程序的流程圖

主程序流程圖如下：

系統(tǒng)測試測試儀器序號名稱、型號、規(guī)格數(shù)量備注1調(diào)壓器12直流穩(wěn)壓電源43雙蹤示波器14耦合變壓器15高精度數(shù)字萬用表1測試電路如圖：4.2測試方法：將直流電源連接電子負載，通過鍵盤設置恒壓、恒流模式,以及設置恒定值，穩(wěn)壓電源提供不同的端電壓，分別測量測試點處電壓、電流，記錄測量值和調(diào)整時間，計算測量值與預定值相對誤差并作出誤差分析。測試結果分析對電路恒壓模式的檢測：當檢測恒壓模式電路時，首先應該控制單片機使得恒定值為要求的最低值，即5V，每次步進0.1V，直到10V。此時，外部電源電壓要小。在測試恒壓的同時，要對數(shù)據(jù)進行記錄。記錄端口實際輸出值和A/D采樣返回并顯示在液晶上面的顯示值。數(shù)據(jù)如下表：測試條件萬用表電壓萬用表電流電子負載電壓電子負載電流5V0.1A4.99V0.99V5.03V0.101A5V1A5.01V1.002A5V1.00A10V0.1A9.99V0.101A10.01V0.098A10V1A9.99V1.001A10.00V1.005A15V0.1A15.02V0.099A15.01V0.095A15V1A15.01V1.001A15.00V0.992A對電路恒流模式的檢測：當檢測恒流模式電路時，首先應該控制單片機使得恒定值為要求最低值，即0.1A，并且每次按鍵步進0.1A,最終達到2A。測試恒壓的同時，要對數(shù)據(jù)進行記錄。每個取樣值中，記錄端口實際輸出值和A/D采樣返回并顯示在液晶上面的顯示值。數(shù)據(jù)如下表：測試條件萬用表電壓萬用表電流電子負載電壓電子負載電流0.1A5V4.94V0.105A4.94V0.098A0.1A15V14.83V0.105A15.05V0.098A0.5A5V4.96V0.499A4.93V0.498A0.5A15V14.98V0.501A15.07V0.498A1A5V5.01V1.002A5.03V1.002A1A15V15.01V1.000A15.19V1.002A經(jīng)測試，系統(tǒng)在恒壓、恒流模式下工作時，誤差、精度均符合要求，反應迅速，達到預期結果。設計總結我們在整個設計制作過程中，始終關注系統(tǒng)的性能指標和運行的穩(wěn)定性，本著穩(wěn)定性和精確性并重的原則，我們采取了諸多的有效措施，完成了設計題目所規(guī)定的部分指標和要求，達到基本的性能指標，而且對于有些指