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1、120122012 年山东省电子设计竞赛年山东省电子设计竞赛直流电子负载的设计制作（直流电子负载的设计制作（F F题）题）2目录目录摘要3一、方案论证与设计41.1 模块方案比较51.1.1 负载参数预置方案51.1.2 电路设计方案51.2 自动过流保护设计81.3 显示方案选择8二、软件设计及流程82.1 主程序流程图：102.2 定时中断流程图10三、测试结果及分析113.1 恒电压模式测试113.2 恒电流模式测试.113.3 测试器件 11四、设计总结和心得12附录一133直流电子负载的设计制作直流电子负载的设计制作 摘要摘要本设计是基于 TI 公司的 MSP460 程控的电子负载，
2、具有恒流、恒压、恒阻三种工作模式，通过矩阵键盘预先设定电子负载的值，手动开关和单片机结合实现三种负载模式的转换。恒流源工作模式时，不论输入电压如何变化（在一定范围内） ，流过该电子负载的电流依据所设定的电流值而保持恒定，与测量端输入电压的大小无关。恒压工作模式及恒阻工作模式的特性与恒流工作模式类似。系统包括控制电路(MCU)、驱动隔离电路(PWM 波)、主电路、采样电路、显示电路等；能够检测被测电源的电流值、电压值；各个参数都能直观的在液晶屏上显示。关键词关键词：电子负载；单片机（MCU） ；电子负载 ；数/模转换；电压电流采样 4一、方案论证与设计一、方案论证与设计电子负载用于测试直流稳压电
3、源、蓄电池等电源的性能。我们设计的电子负载有恒流和和恒压以及恒阻以三种工作模式模式，可手动切换。恒流方式时不论输入电压如何变化（在一定范围内） ，流过该电子负载的电流恒定，且电流值可设定。工作于恒压模式时，电子负载端电压保持恒定，且可设定，流入电子负载的电流随被测直流电源的电压变化而变化。如图 1-1 所示：图 1-1 整体设计框图如图 1-1 所示，恒流模块和恒压模块共用一个功率 MOS 管，并且通过数字开关实现两种模式的转换，用 A/D 转换器把电路中的电压电流的模拟信号转换为数字信号，然后通过单片机来程控设置电压电流的步进值，用液晶屏显示即时电压电流。我们采用了 TI 公司所提供的 MS
4、P430 单片机，精密运放 INA128P。1.11.1 模块方案比较模块方案比较1.1.11.1.1 负载参数预置负载参数预置方案方案方案一方案一：通过手动调节滑动变阻器来调节恒流和恒压两种模式下的电压，其缺点是调节耗时费力，准确度不高。操作简单易懂，但是由于步进值难以手动调节控制，所以基本上5无法实现恒阻调节。方案二方案二：利用 A/D 转换把模拟信号转换为数字信号，再利用单片机设置电压电流的步进值来修改电压电流参数，此方案节省了硬件设计，增加了单片机程序控制，操作技术要求高，节省时间。通过比较，方案二简单，容易实现，而且采用的芯片和器件较少，经济实用，故我们采用方案二来完成电路参数的预置
5、。1.1.21.1.2 电路设计方案电路设计方案恒压模式：恒压模式：在恒定电压工作模式时，电子负载所流入的负载电流是依据所设定的负载电压而定恒压模式时，电子负载端电压保持恒定，且可设定。流入电子负载的电流随被测直流电源的电压变化而变化，即负载电压保持设定值不变。AR ?LM 358R 21KR 1 1KR 3GNDQ1 5N60CR 4 10KVC C图 1.2 恒压模块示意图6图 1-2 中 MOS 管上的电压经 R1 与 R2 分压后送入 LM358，通过调节负载的值来调节电压值，其输出电压的值来控制 MOS 管的导通程度，实现 MOS 管漏源电压的稳定。根据图 1.2 分析可得： IUR
6、Ru)1( 23（1.2.1)其中 U1 为运放负端的输入电压值。恒流模式：恒流模式：在恒电流工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定的的电流值而保持恒定不变，与输入电压的大小无关，即负载电流值保持定值不变。 图 1.3 恒流模块示意图如图 1.3，这样的电路很容易获得稳定以及精准的电流，R1 是取样电阻，Vref 为给定的信号。该电路的工作原理是：当给定一个 Vref，若 R1 上的电压小于 Vref,则其运放的正端输入大于负端，此时其输出增大，当 R1 上的电压大于 Vref 时，即运放的正端输入小于负端，使得输出电压减小，从而达到稳定输出电流的目的。实际中是单片机控制对VREF 端
7、的步进值来得到 Vref,对 R1 的放大 K 倍得到负端电压再与 Vref 比较从而得到一个 Vref 对应流 R1 一个恒流值。恒阻模式：恒阻模式：在恒阻模式工作时，电子负载 流入的负载电流依据所设定的负载电阻和输入电压的大小而定，此时的负载电流与输入的电压呈线性比例，比值就是所设定的负载电阻，即负载电阻保持不变。定电阻模式应用在测试电压源或电流源和电源激活测试，用于测试电源的启动与限流特性，相应于滑线变阻器，不易受温度影响。 7图 1-4 恒阻模块原理示意图由 1-4 图 可知 LM358 同相输入端的电压为： UB=I*R1 （1.2.2）电阻 R4 可以分压，AB 段分的的电压为 U
8、+；所以有： UB=U+=I*R5 （1.2.3）由上有（假设 R4 被分为 R5 和 R6 两部分）：U1=（1+R4/R5）*I （1.2.4）显然 U U1 1与 I I 成比例关系，所以电阻值恒定。1.21.2 自动过流保护设计自动过流保护设计当负载电流增大时，取样电压增大，LM358 反相输入端电压增大，电流继续增大。当反相端电压大于所设定过流保护电流的基准电压(同相端输入电压)时，LM358 输出低电平，与场效应管共同作用使得负载电流减小，起到保护作用。过流保护的设计有利于保护电路正常平稳的运行，是一个好的电路设计中不可缺少的一部分。如图 5.1 所示，在电流较小时，滑动变阻器 R
9、12 的分压大于零，LM358 输出低电平，但当电流较大时，2 脚会变成小于零，1 脚输出高电平，进而进行限流的作用。81.31.3 显示方案选择显示方案选择方案一：电压和电流的显示都可以选用数码管，由于发光二极管基本属于电流敏感元件，其正想压降分散性很大，并且还和温度有关，为保证数码管具有良好的亮度均匀，就需要其有恒定的工作电流，且不能受到温度等其他的影响。而且数码管只能显示简单的数字，其电路复杂，占用资源多，显示信息少，不宜显示大量的信息。 方案二：使用功能更好的液晶显示屏 12864，增加信息显示的可读性，看起来更加方便美观，而字符液晶显示模块，有更明显的优点：微功耗小，超薄轻巧，显示信
10、息量大，字迹美观而且容易控制，省电，无辐射，画面柔和不伤眼睛，而且十分的人性化和智能化。受到更多人的接受和欢迎。由以上分析可知，我们选用方案二。二、软件设计及流程二、软件设计及流程。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，并且相对误差小于5%。我们采用TI公司的MSP460来控制电子负载，主控电路由单片机、时钟电路、晶振电路组成的单片机最小系统构成软件设计中，电压电流采集数据经A/D 转换后送入MSP430 单片机，与设定值进行比较同时对电压和电流参数进行显示. 程序采用数据环形缓冲技术，当有中断服务程序出现时，程序会把读到的值存放到一个环形缓冲队列中
11、，主程序不停的查询环形缓冲队列中是否有中断服务程序的出现，若有，则按顺序读程序并处理. 程序起始段定义了电压采集函数、电流采集函数、显示函数、定时初始化函数、定时器中断函数和采集数据存入的数组。9主程序流程图主程序流程图：2.22.2定时中断流程图定时中断流程图通道 1 采集恒流值 储存显示返回Y通道 0 采集恒压值 储存显示1 秒定时到？图 2.1 单片机程序流程图 10三、测试结果及分析三、测试结果及分析在恒流模式下，将选择开关打到恒流模式，设定恒流值后，改变稳压源的输出，观察显示的电流和电压值并记录数据，测试结果见表一；在恒压模式下 ，改变稳压源的输出，观察显示的电流和电压值并记录数据，
12、测试数据见表二。恒压模式下系统基本功能满足恒压范围1.0020.0V的设计要求，恒流模式下满足电流设置和调节范围是从100mA到2.00A，并且误差小于5%，达到题目的要求。3 3.1 恒电压模式测试恒电压模式测试 表3.1 恒电压测试记录电流实际值电压值1V 4V7V10V13V15V17V20V0.10A0.83.56.59.512.514.516.519.50.50A1.13.76.69.712.814.716.519.61.00A1.34.06.99.912.914.816.919.71.50A1.64.37.210.113.014.917.219.92.00A1.94.57.410.
13、313.315.317.520.1表 3.1 恒压模式下负载电压设定值随电源输出电流的变化3.23.2 恒电流模式测试恒电流模式测试表3.2 恒流测试记录11电压值实际值（v） 电流值0.1A0.4A0.7A1.0A1.3A1.5A1.7A2.0A1V0.100.400.701.011.010.991.00A1.955V0.100.410.691.021.101.301.502.1010V0.130.400.701.031.321.321,.482.0115V0.110.420.721.021.331.521.711.9920V0.100.440.711.051.351.551.732.02表
14、 3.2 恒流模式下负载电流设定值随电源输出电压的变化测试结果分析：由表 3.1 和 3.2 可知，电压的设置和调节范围在 1.00V20.0V 之 间， 如我们利用表 3.1，选取 V=10v，可得相对误差为：（9.5-9.9)/9.9*100%=4% 在题目所要求的范围内，达到了题目的要求。3.33.3 测试器件测试器件此次我们进行测试所采用的器件有：直流稳压电源，数字万用表，示波器等等。四、设计总结和心得四、设计总结和心得设计是基于 TI 公司的 MSP430 的单片机控制的电子负载，采用矩阵键盘的输入选择不同的工作模式，工作参数，能够直接检测被测电源的电压值、电流值，并在液晶显示屏上显示出来。在设计中，还通过单片机程序控制功率的方法加上了过流保护，保证运行的安全性，并让电路显得更加智能化。此次电子负载很好的对电源的输出特性进行了测试。但是本设计上也存在着不少的问题，比如对功率耗散性原件的使用，电阻功率的大小考虑欠妥以致一开始测试的数据偏差12较大等。由于时间的仓促以及实验条件与自身能力所限，本设计还存在着许多不足。负载参数的设置与读出范围也有待扩大，同时可以加入功率显示模块等以便更全面地测试电源性能。附录一附录一图 5.1 电路总原理图
