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1、简易直流电子负载（C题）【本科组】摘要：本文论述了直流电子负载的设计思路和过程，设计制作了一种具有高 精度的直流电子负载。以C8051F020单片机作为核心系统，内置高性能、低功 耗的12位A/D和D/A转换电路，由D/AC产生控制电压，通过负载电路产生恒 流输出，同时进行的A/D采样，将采样到的电流反馈，实现输出电流的闭环控 制。显示模块选用lcd12864液晶显示器，可同时显示输出电压和输出电流值， 数据直观易读。在恒流工作模式下可实现100mA-1000mA的电流变换，电流分 辨率达到1mA，符合设计要求。此外，设计还增加了过阀电压警报提醒，负载 调整率自动测量，电流电压值输出曲线显示等
2、实用功能。关键字：C8051F020单片机；恒流；直流电子负载一、系统框图本系统由以下部分组成：核心控制电路C8051F-020单片机、功率控制电路、 电压、电流采样电路、运放电路、LCD12864显示电路和报警电路。系统总体结二、方案论证1核心系统方案设计方案一：采用C8051F020单片机作为核心控制单元，内部包含12位A/D、 D/A转换功能，精确度高。通过软件编程可以实现对电压、电流预设置、A/D采 样比较、D/A输出、LCD显示、过压控制、过流控制和过功率控制等多种功能， 并且外围电路简单,控制效果好。方案二：采用纯硬件方式控制设计电路，电压、电流预设置通过调节电位器 实现，电流、电
3、压取样反馈值送入比较电路，实现恒压、恒流和恒阻的功能，电 路相对比较复杂，且可实现的功能有限，在短时间内制作会比较粗糙，工作量较 大。通过比较，采用方案一可以很好地完成设计基本任务，同时可以实现多种扩 展功能，所以我们选择方案一。2.显示界面方案方案一：用LCD12864显示，LCD是点阵式的显示，可以有汉字、数字、波 形等多种方式显示，灵活性大，且同一界面可以同时显示电压、电流等多种参数。方案二：用LCD1602显示，可以显示简易的英文字符、数字但是不能显示汉 字，和波形等，因此显示不直观。经过以上方案比较，选择方案一。3.功率控制方案方案一：用N沟道增强型MOS管作为功率管。功率MOS管具
4、有正温度系数， 当结温升高时通态电阻增大，有自限流作用，所以功率MOSFET热稳定性好。方案二：双极型三极管作为功率管。三极管具有负温度系数，温度越高，导 通电压越小，电流越大，热稳定度比MOS管差。在功率控制电路中要求功率尽可 能大，其饱和压降一般大于IV。综上所述，我们采用方案一。三、硬件原理图1电流采样电路。采样得到负载两端的电压值，经同相放大器放大。放大后R _ 33KG _ 11 的电压输入单片机A/D模块。放大倍数R 3KG 。2电压采样电路。通运放降低电压，并且进行滤波使得电压降低以便单片机检测，如图3所示。图2电流采样电路3单片机D/A信号输出放大电路。R 3KO 1由一个反相
5、电路和反相放大电路。放大倍数否5 _ _ 。如图4所示。R 39 KO 13图4单片机D/A信号放大电路4四、系统软件设计与实现系统的软件设计采用C语言编写，在keiluVision3环境下编写。对89C51F020单片机进行编程实现各项功能。主程序流程图如图5。本系统可以对负载两端的电压、电流进行采样测量， 并且通过单片机设定电流，使得负载两端电流等于单片机预设电流，负载由直流 电源直接供电，并且调节直流电源的电压（超过10V）,负载电流不发生改变， 实现了恒流输出。在程序上，当单片机预设一个电流时，在通过4位半万用表测 量负载两端的实际电流，以20mA位分度建立数据表格，在通过查表来校验误
6、差 实现高精度的输出。A/D电流、电压采样显示也是通过此方法修正。图5主程序流程图五、测试结果及分析表一负载电压测量预设电 流（mA）电子负载电压（V） 显示值电子负载电压（V） 万用表测量值允许误差电压值+(0.02%+0.02%FS) mV实际误差 电压值mV112512.45212.4526.50.2224512.38312.3846.51.3330012.35812.3586.5-0.4447512.32412.3296.54.9556512.38012.3756.5-4.5664712.34612.3476.51.2772812.31712.3186.50.9888612.26512
7、.2696.54.4996012.24312.2466.43表二负载电流测量预设电 流（mA）电子负载电流（mA）显示值电子负载电流（mA） 万用表测量值允许电流误差值+ (0.02%+0.02%FS)mA实际电流 误差值mA1125124.71254.00.32245244.92454.00.133003003004.104475474.84754.10.25565565.35654.1-0.36647647.16474.1-0.17728727.87274.1-0.88886886.38854.2-1.39960960.79594.2-1.7表三 电子负载两端的电压变化10V时输出电流变化
8、率大小负载电流（mA ）单 片机预设值100200300400500650750850950负载电流（mA ）万 用表测量值100199.5300399.5499650749848.5949电压变化范围（变 化大小10V）变化前 电压4.0122.2133.3212.7612.7832.0922.6482.2223.914电压变化范围（变 化大小10V）变化后 电压15.35113.88614.17115.24313.3213.30413.2316.44215.031电压变化大小10V后电流（mA）100200300400500649749849948.5输出电流变化绝对 值（）0.00%0.
9、25%0.00%0.13%0.20%-0.15%0.00%0.06%-0.05%本表数据由VC9807A+四位半的万用表测得，供电的直流电源设备型号为 JC17310SF。根据表一测试数据表明，当预设电流改变时，单片机测得的负载两端电压和 万用表测得的电压数据，在设计的允许误差范围内。根据表二测试数据表明，当预设电流改变时，单片机测得的负载两端电流和 万用表测得的电流数据，在设计的允许误差范围内。根据表三测试数据表明，当预设电流设定时候，改变直流电源两端的输出电 压，即负载两端的电压，范围变化为10V，负载两端电流没有明显改变，输出的误差V1%，符合基本要求。根据测试结果可知，本直流电子负载完
10、成了基本部分和发挥部分的要求，实 现了稳定恒流输出。六、总结经过了三天三夜的努力坚持，我们小组基本实现了基本要求和发挥部分的的 功能，实现了高精度的简易直流电子负载的设计。当然时间比较倡促以及自身的 能力有限还存在着些许的不足。在这三天里我们从选题到查资料、硬件设计、电路焊接、写程序。我们小组 三人分工明确，各自认真负责的完成各自的任务，之间又相互配合，实现了一个 团队的高效运作。是保证了在这么短时间内做好符合要求的作品的重要前提。在这几天里不断的进行程序和硬件的调试，也有遇到瓶颈的时候，比如怎样 确保精度、硬件电路实际测量与理论计算不符等等现象，导致没有办法进行下去， 只好让自己安静安静在从头一步一步考虑，测试，这样的工作一遍又一遍反复， 但是我们坚持下来了。虽然辛苦，但是我们很享受这每天都有突破的喜悦。参考文献【1】华成英，童诗白著模拟电子技术基础第四版高等教育出版社，2006 【2】张天凡著51单片机C语言开发详解电子工业出版社，2008【3】王东峰，王会良等著单片机C语言应用100例电子工业出版社，2009【4】李朝青著单片机原理及接口技术第三版，北京航空航天大学出版社2011
