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1、电电子系子系统课统课程程设计设计 设设 计计 报报 告告设设计计题题目目： 直直流流电电子子负负载载学学 院：院：电信学院专专 业：业：自动化学生姓名：学生姓名：。学学 号：号：任课教师：任课教师：国家电工电子实验教学中心电子系统课程设计设计报告1目 录1 设计任务要求.21.1 基础部分 .21.2 提高部分 .32 设计方案及论证.32.1 任务分析 .32.2 方案比较 .132.3 系统结构设计 .152.4 具体电路设计 .172.5 单片机软件算法流程 .203 制作及调试过程.223.1 制作与调试流程 .223.2 遇到的问题与解决方法 .234 系统测试.244.1 测试方法
2、 .254.2 测试数据 .274.3 数据分析和结论 .285 系统使用说明.285.1 系统外观及接口说明 .295.2 系统操作使用说明 .306 总结.316.1 本人所做工作 .316.2 收获与体会 .316.3 对本课程的意见与建议 .327 参考文献.32国家电工电子实验教学中心电子系统课程设计设计报告21 1 设计任务要求设计任务要求设计并制作一个输入电源电压变化范围+1VDC+5VDC 的直流电子负载。可设置 6 档恒流放电电流：0mA（关断），100mA，200mA，300mA，400mA，500mA，并设计有放点指示、欠压保护、定时关断、放电电流显示、放电电流微调功能。
3、设计并制作一个可配合该电子负载使用的扩流模块，插入扩流模块后电子负载的放电电流变为原先放电电流的 2 倍。系统功能如图 1-1 所示：图 1-1 电子负载系统功能1.11.1 基础部分基础部分（1）多档恒流放电功能要求：在输入电压 1VDC-5VDC 变化范围，用 3 个开关（单刀单掷或单刀双掷）设置 6 档恒流，电子负载按照设定值进行恒流放电（误差小于 10m）。（2）放电指示功能（ 5 分）要求：设置放电状态指示灯。放电停止时(放电电流小于 1mA )，放电指示灯灭；放电时，放电指示灯亮。（3）欠压保护功能（ 15 分）要求：设置欠压保护功能，当输入电低于 1.0V 时禁止放电（误差 时禁
4、止放电（误差 国家电工电子实验教学中心电子系统课程设计设计报告30.05V），并声光告警。（4）放电定时关断功能（ 20 分）要求：使用一个开关启动或关闭定时关断功能，使用 2 位数字显示放电关断倒计时的秒数。定时关断功能启动后倒计时显示 10 秒， 10 秒计时结束后放电功能关闭，关闭定时关断功能后重新开始放电，当欠压保护时，暂停计时，保留显示不变。计时误差应小于1 秒。1.21.2 提高部分提高部分（1）放电流微调功能（ 20 分）要求：在完成基础部分 1 的基础上增加放电流微调功能，微调步长为 10mA，微调范围为 -50mA+40mA（0mA 档微调范围为 040mA），使用两个按键控
5、制，按键 1 按下后放电流增加10mA ，按键 2 按下后放电电流减小 10mA 。要求放电流在 0190mA 范围内电流误差小于1mA ，在 200mA540mA 范围内电流误差小于 10mA 。（2）放电流显示功能（ 10 分）要求：测量放电流并用 3 位数字显示放电流，单位为 mA，电流测量精度 1mA ，电流测量误差小于 10mA 。（3）扩流模块（ 20 分）要求：设计并制作一个扩流模块，并在主模块上设计扩流模块插座。插入扩流模块后电子负载的总体放电电流变为原先放电电流的 2 倍，扩流模块与主模块的放电流应相同。分别测量主模块和扩流模块的放电流应，二者同电流设定值之间的误差小于 10
6、mA 。（4）其他有意义的功能（ 10 分）在完成全部提高分功能的基础上（提高部分得分不小于 45 分）增加其他有意义的功能，如恒功率放电模式、恒电阻放电模式、放电电压曲线记录功能等 。2 2 设计方案及论证设计方案及论证2.1 任务分析恒流模块方案恒流模块方案国家电工电子实验教学中心电子系统课程设计设计报告4恒流模块方案（1）：电阻恒流源原理图如图 2-1-1 所示：图 2-1-1 电阻恒流源原理图由运放的虚短特性：refsVV-VVR由运放的虚断特性：为 0，对没有影响，所以-IRSI理论结果如式 2-1 所示：（式 2-1）ssrefRVIR恒流模块方案（2）：MOS 管恒流源国家电工电
7、子实验教学中心电子系统课程设计设计报告5本实验中用到的是 IRF540，25条件下，IRF540 输出特性如图 2-1-3 所示：图 2-1-3 IRF540 输出特性曲线图可调整 mos 管工作点使之工作在恒流区。在恒流区时，有 2thGSGS1-Uui DODIMOS 管恒流源原理图如图 2-1-4 所示：图 2-1-4 MOS 管恒流源原理图MOS 管恒流源电路仿真图如图 2-1-5 所示：国家电工电子实验教学中心电子系统课程设计设计报告6图 2-1-4 MOS 管恒流源电路仿真图理论结果如式 2-2 所示：（式 2-2） sref inRVI 方案（3）晶体管恒流源国家电工电子实验教学
8、中心电子系统课程设计设计报告7图 2-1-6 三极管的输出特性曲线图 2-1-6 所示为三极管的输出特性曲线，当 Vce 大于 1V 时，集电极电流 Ie 基本上是由基极电流 Ib 决定的，而受 Vce 的影响很小（因 Ib 不同时的各输出特性曲线基本上是平行的），也即当三极管的 Ib 保持不变，Vce 在较大范围内变化时，Ic 基本上保持不变，三极管具有恒流源的特性。从另一个角度看，这时三极管在 Q 点处的直流电阻 R=Vce/Ic 可以取得较小且为常数，而交流电阻非常大。总之，三极管的 Ib 保持不变时具有恒流CCE IV r源特性称为恒流源，且这时该管的直流电阻较小而交流电阻非常大。晶体
9、管恒流源仿真电路图如图 2-1-7 所示：国家电工电子实验教学中心电子系统课程设计设计报告8图 2-1-7 晶体管恒流源仿真电路图理论结果如式 2-3 所示：)(BEBVV （式 2-3） e0R)-(bEBEbV RVVI5 5 档恒流放电及放电电流微调模块档恒流放电及放电电流微调模块实现 5 档电流控制需要产生多档参考电压，可以采用单片机检测多档开关状态，输出对应多档电压，单片机 PC5 PC6 PC7 分别检测多档开关的 1、2、3 档，其中 1 档对应100mA、2 档对应 200mA、3 档对应 300mA，1+3 档对应 400mA、2+3 档对应 500mA 档。PC10、PC1
10、1 接按键开关，执行放电电流微调功能。其中，多档开关及按键开关默认悬空即高电平，当开关动作时，开关低电平，单片机执行对应功能。原理如图 2-1-8 所示。国家电工电子实验教学中心电子系统课程设计设计报告9图 2-1-8 多档开关、按键开关与单片机连接示意图放电指示及计时显示控制模块放电指示及计时显示控制模块原理图如图 2-1-9 所示：图 2-1-9 放电指示及计时显示控制原理图窗口比较可以采用电压比较器国家电工电子实验教学中心电子系统课程设计设计报告10图 2-10 电压比较器原理图图 2-10 所示为一种最简单的反向电压比较器，UR 为参考电压，加在运放的同相输入端，输入电压 Ui 加在反
11、相输入端。当 Ui 小于 UR 时，运放输出高电平，稳压管 Dz 反向稳压工作，Uo=Uz。当Ui大于 UR 时，运放输出低电平，Dz 正向导通，Uo= -UD实际电路中可按图 2-1-11 进行焊接，采用同向电压比较器，即参考电压接运放负极输入端：图 2-1-11 电压比较器电路连接示意图由于单片机输入电压不能过高，所以电压比较器输出电压需分压后输出给单片机 PC1 口，当 mos 管 D 极输入电压大于 1V 时，电压比较器输出高电平，单片机正常工作，单路正常放电，当 mos 管 D 极输入电压低于 1V 时，电压比较器输出低电平，单片机执行中断程序，DAC 停止输出，放电停止。国家电工电
12、子实验教学中心电子系统课程设计设计报告11利用 7805 稳压电路输出 5V 电压后，将 5V 电压分压得到电压比较器所需要的 1V 参考电压实际电路中，可按图 2-1-12 进行焊接，其中分得的 1V 电压用于欠压保护参考电压，ASM11173.3 稳压电路得到的的 3.3V 电压用于给 STM32 单片机供电。图 2-1-12 5V 稳压模块及分压 1V、3.3V 电路原理图欠压保护模块：欠压保护模块：通过 ADC 实时检测输入端电压值，当输入电压低于 1V 时，STM32 单片机给蜂鸣器、红灯输出高电平，当输入电压大于 1V 时且放电时，给绿灯输出高电平。实际焊接可按图 2-1-13连接。国家电工电子实验教学中心电子系统课程设计设计报告12图 2-1-13 指示灯与警报器连接电路示意图扩流模块扩流模块电路原理与主恒流模块相同，扩流时相当于两个电路并联。定时关断模块定时关断模块单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准的，有条不紊地进行工作。因而时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路方式有
