直流电子负载设计报告.doc

1、直流电子负载设计报告 摘要：本文论述了直流电子负载的设计思路和过程。本电子负载采用 AT89S51 单片机作为系统的控制芯片，可实现以下功能：电子负载有恒流和恒压两种模式，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。AD模块接受电路电压和电流模拟信号，转化为数字信号，经液晶模块同步显示电压和电流。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、基准电路等；能够检测被测电源的电流值、电压值；各个参数都能直观的

2、在数码管上显示。关键词：电子负载；单片机（MCU）；模数（A/D）.PWM.一，引言在电路中，负载是指用来吸收电源供应器输出的电能量的装置，它将电源供应器输出的电能量吸收并转化为其他形式的能量储存或消耗掉。如电炉子将电能转化为热能；电灯将电能转化为光能；蓄电池将电能转化为化学能；电机将电能转化为动能。这些都是负载的真实表现形式。负载的种类繁多，但根据其在电路中表现的特性可分为阻性负载、容性负载、感性负载和混合性负载。在实验室，我们通常采用电阻、电容、电感等或它们的串并联组合，作为负载模拟真实的负载情况。进行电源设备的性能实验。电子负载是利用电子元件吸收电能并将其消耗的一 种 负 载 。 电 子

3、 元 件 一 般 为 功 率 场 效 应 管（Power MOS）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等功率半导体器件。由于采用了功率半导体器件替代电阻等作为电能消耗的载体，使得负载的调节和控制易于实现，能达到很高的调节精度和稳定性。同时通过灵活多样的调节和控制方法，不仅可以模拟实际的负载情况，还可以模拟一些特殊的负载波形曲线，测试电源设备的动态和瞬态特性。这是电阻等负载形式所无法实现的。二，总体方案论证与设计 电子负载用于测试直流稳压电源、蓄电池等电源的性能。设计和制作一台电子负载，有恒流和和恒压两种模式，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

4、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。外接12V稳压电路。要求：（1） 负载工作模式：恒压（CV）、恒流（CC)两种模式可选择。（2） 电压设置及读出范围：1.00V20.0V。（3） 电流设置及读出范围：100mA3.00A。（4） 显示分辨能力及误差：至少具有3位数，相对误差小于5%。 恒流模块和恒压模块共用一个基准电压12v，并且通过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从而重置电压电流，用数码管液晶显示同时呈现即时电压电流。原理图如下所示。显 示按

5、键输入单片机A/D转换PWM控制电流检测电压检测功率控制2.1参数设计方案方案一：通过手动调节滑动变阻器来调节恒流源和恒压源两种模式下的电压，其缺点是调节耗时费力，准确度不高。但操作简单易懂。方案二：利用A/D转换把模拟信号转换为数字信号，在利用单片机程控来修改电压电流参数，此方案精确度高，操作技术要求很高，节省时间。2.2恒流恒压设计方案方案一：1 定电流模式（CC mode）方案一：在定电流工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定的电流值而保持恒定，与输入电压大小无关，即负载电流保持摄定值不变。这个图是一个最常用的恒流电路，这样的电路更容易获得稳定及精确的电流值，R3 为取样电阻,V

6、REF 是给定信号，电路工作原理是：当给定一个信号时 VREF，如果 R3 上的电压小于 VREF，也就是 OP07 的-IN 小于+IN，OP07 加输出大，使 MOS 加大导通使 R3 的电流加大。如果 R3 上的电压大于 VREF 时，-IN 大于+IN，OP07 减小输出，也就降了 R3 上的电流，这样电路最终维持在恒定的给值上，也就实现了恒流工作。如给定 VREF 为 10mV，R3 为 0.01 欧时电路恒流为 1A，改变 VREF 可改变恒流值，VREF 可用电位调节输入或用 DAC芯片由 MCU 控制输入，采用电位器可手动调节输出电流。如采用 DAC 输入可实现数控恒流电子负载

7、。恒阻功能，在有些数控电子负载中并不设计专用电路，而是在恒流电路的基础上通过 MCU 检测到的输入电压来计算电流，达到恒阻功能的目的，比如要恒定电阻为 10 欧时，MCU 检测到输入电压为 20V，那么会控制输出电流为 2A，但这种方法响应较慢，只适用于输入变化较慢，且要求不高的场合。专业的恒阻电子负载都是由硬件实现的。2 定电阻模式（CR mode）在定电阻工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定负载电阻和输入电压的大小而定，此时负载电流与输入电压呈正比例，比值即是所设定的负载电阻，即负载电阻保持设定值不变。恒阻功能，在有些数控电子负载中并不设计专用电路，而是在恒流电路的基础上通过 M

8、CU 检测到的输入电压来计算电流，达到恒阻功能的目的，比如要恒定电阻为 10 欧时，MCU 检测到输入电压为 20V，那么会控制输出电流为 2A，但这种方法响应较慢，只适用于输入变化较慢，且要求不高的场合。专业的恒阻电子负载都是由硬件实现的。3 定电压模式（CV mode）在定电压工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定的负载电压而定，此时负载电流将会增加直到负载电压等于设定值为止，即负载电压保持设定值不变。图中 MOS 管上的电压经 R3 与 R2 分压后送入运放 IN+与给定值进行比较，如图所示，当电位器在 10%时 IN-为 1V，那么 MOS 管上的电压应为2V。方案二：基本电路

9、为除虚线框 和两个万用表以外的部分，由恒压电路、恒流电路、过流保护电路、驱动电路组成。V =12V输入电压，经过限流电阻R1到三端可调分流基准源U1(TL431)的阴极K后，由参考端R得到输出基准电压VR为2.5V，经电阻R1到调整滑动变阻器R6，一路经电阻R2为U3A提供电压，另一路经电阻R7为U3C提供电压。与方案一的区别是用开关可以切换恒流源和恒压源，并且两种模式共用一个场效应管，方案二还多了一个过流保护模块，故我们选择方案二进行设计。 2.3功率控制方案选择：方案一：另一种功率控制方案是:恒压源和恒流源分开使用两个场效应管。方案二：一种功率控制方案是:恒压源和恒流源共用同一个场效应管。

10、经比较，故选方案二进行实验设计。2.4显示方案选择：方案一：电压和电流的显示可以用数码管，但数码管的只能显示简单的数字，其电路复杂，占用资源较多，显示信息少，不宜显示大量信息。 方案二：使用功能更好的液晶显示，增加显示信息的可读性，看起来更方便。而JM1602C字符点阵液晶模块 有明显的优点：微功耗，尺寸小，超薄轻巧，显示信息量大，字迹美观，视觉舒适，而且容易控制。经比较，故选用方案二进行设计。三 芯片介绍3.1 HCPL-7805HCPL 7805 系列为 3 端正稳压电路,TO-220 封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。内含过流、过热和过载保护电路。带散热片时，输出电流可达 1A

11、。虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。主要特点：输出电流可达 1A;输出电压有：5V;过热保护;短路保护;输出晶体管 SOA保护。图 3-1 HCPL7805图 3-2 电源原理图3.2 A/D转换器接口ADC0809性能特点ADC0809是一种8路模拟输入的8位逐次逼近式A/D转换器，为CMOS型单芯片器件。其内部除8位A/D转换电路外，还有一个8路模拟开关，其作用可根据地址译码信号来选择8路模拟输入而共用一个A/D转换器。转换结果通过三态输出锁存器输出，因此可以直接与系统数据总线相连。封装及管脚功能介绍ADC0809芯片为28引脚，双列直插式封装，其引脚排列图如图示

12、。图3-3 ADC0809引脚图ADC0809各引脚功能如下：IN0IN7 八路模拟量输入端。D0D7 为8位数字量输出端。START 为启动信号输人端，高电平有效。在该信号的上升沿清除ADC内的寄存器，在下降沿启动转换。ALE 为地址锁存控制信号，由低电平至高电平的正跳变将通道地址锁存至地址锁存器。通常把START和ALE连接在一起，通过程序输入一个正脉冲启动A/D转换。EOC 为转换结束信号，转换结束为高电平，可作中断请求信号。OE 为输出允许控制，当OE有效时，可把内部转换的数据送往数据总线。ADC0809与AT89S51接口设计如图所示。图3-4 AT89S51与ADC0809连接四总

13、体电路介绍： 直流电子负载的工作模式直流电子负载最基本的工作模式是定电流模式和定电阻模式。4.1硬件电路实现（1）恒压电路 如图4-1虚线框所示。当负载端输入电压增大时，U3A同相输入端电压增大。当同相输人端电压大于反相输入端电压(基准电压)时，U3A输出高电平，在场效应管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极G电压VG上产生压降，使得漏极D和源极S之间的电压VDS减小，从而达到恒压的目的。（2）.恒流电路 如图4-1虚线框所示。当负载电流增大时，R19、R22、R25、R28上的电压增大。即R18、R21、R24、R27上的取样电压增大，也即是U3C反相输入端电压增大，当U3C反相输入端电压大于同相输

14、入端电压时，U3C输出低电平，场效应管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极G电压VG减小，Q1、Q2、Q3、Q4的内阻RDS增大，负载电流减小，从而达到恒流的目的。（3）.过流保护电路如图4-1虚线框 所示。当负载电流增大时，R19、R22、R25、R28上的电压增大，即R18、R21、R24、R27上的取样电压增大，U3B反相输入端电压增大，但电流继续增大。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，U3B输出低电平，场效应管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极G电压VG减小，Q1、Q2、Q3、Q4的内阻RDS增大，负载电流减小，从而起到过流保护作用。4.2软件程序设计系统软件采用美国

15、Microchip公司的HI-TECHPIC C语言编程,人机界面友好,操作简单.程序软件采用模块化结构,分别由主控程序、显示程序、数据采集程序、缺相检测程序、电流电压检测程序及中断服务程序等程序模块组成,下载到单片机中的执行文件长度4 KB用单片机程控恒流源和恒压源两种模式下的电压、电流。并通过液晶显示出来。五电压电流采样 (如图所示)电流采样中，借助采样电阻首先将电流信号转换为电压信号，装换为电压信号后，再用HCPL788J隔离，它是带短路和过载检测功能的隔离运放芯片，电流过载后能在5us从内部向单片机发送中断信号，及时保护MOSFET。其输入范围为：-250mv250mv；对应输出为02

16、2；电子负载电流输入范围是100mA3A；选用0.1采样电阻。六，测试方案与测试结果通过外接可调电源分别调节恒流源和恒压源两种模式，并观察两种模式下数码管显示的电压电流情况。并对显示的电压电流进行比较。 模式 液晶显示电压 液晶显示电流 恒压 恒流6.1 硬件调试 1） 硬件调试时，可先检查印制板及焊接的质量是否符合要求，有无虚焊点及线路间有无短路、断路。然后用万用表检测，检查无误后，可通电检查 LED 液晶显示器亮度情况，一般情况下取电压为 35.5V 及一定的限流即可得到满意的效果。 6.2 软件调试 软件调试是在 Keil uVision2 下进行，源程序编译及仿真调试采用分段或以子程序

17、为单位逐个进行，最后结合硬件实时调试。 具体程序如下：/* writer:shopping.w */#include #define uint unsigned int#define uchar unsigned charuint temp;/*uchar code LEDData= 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;*/sbit OE = P33;/sbit EOC = P34;/sbit ST = P35;/sbit CLK = P36;/sbit rs=P27;/sbit E=P26;/sbit ADDA=P25;/sbi

18、t ADDB=P24;/sbit ADDC=P23;sbit OE = P10;sbit EOC = P11;sbit ST = P12;sbit CLK = P13;sbit rs=P27;sbit E=P26;sbit ADDA=P14;sbit ADDB=P15;sbit ADDC=P16;void delay(uint);void delay(uint z) uint x,y; for (x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-);write_com(uchar com) rs=0; /rw=0; P0=com; delay(5); E=1; delay(5); E=0;

19、write_data(uchar dat) rs=1; /rw=0; P0=dat; delay(5); E=1; delay(5); E=0;init() E=0; write_com(0x38); /write_com(0x0e);/显示光标 write_com(0x0c);/不显示关标 write_com(0x06); write_com(0x01); write_com(0x80+3); void Display_Resulti(uchar i) uchar ge,xs,shi; temp=(uint)i)*50)/255; temp=temp*13; shi=temp/100; ge

20、=temp%100/10; xs=temp%10; /ge=temp/10; /xs=temp%10; write_com(0x80+1); delay(5); write_data(c); delay(5); write_data(u); delay(5); write_data(r); delay(5); write_data(r); delay(5); write_data(e); delay(5); write_data(n); delay(5); write_data(t); delay(5); write_data(0x3a); delay(5); if(shi=0) write_

21、data(0x20); /电流显示 delay(5); else write_data(0X30+shi); / delay(5); /write_data(0xa4); /delay(5); write_data(0X30+ge); / delay(5); write_data(0x2e);/小数点 delay(5); write_data(0x30+xs); delay(5); void Display_Resultu(uchar u) uchar ge,xs,shi; temp=(uint)u)*50)/255; temp=temp*19; shi=temp/100; ge=temp%1

22、00/10; xs=temp%10; /ge=temp/10; /xs=temp%10; write_com(0x80+0x40+1); delay(5); write_data(v); delay(5); write_data(o); delay(5); write_data(l); delay(5); write_data(t); delay(5); write_data(a); delay(5); write_data(g); delay(5); write_data(e); delay(5); write_data(0x3a); delay(5); if(shi=0) write_da

23、ta(0x20); /电流显示 delay(5); else write_data(0X30+shi); /电流显示 delay(5); write_data(0X30+ge); /电流显示 delay(5); write_data(0x2e); delay(5); write_data(0x30+xs); delay(5); void main() init(); TMOD = 0x02;TH0 = 0x6f;TL0 = 0x00;IE = 0x82;TR0 = 1; while(1) ADDC=0; ADDB=1; ADDA=1; ST = 0;ST = 1;ST = 0;while(EO

24、C = 0);OE = 1;Display_Resulti(P3);OE = 0; delay(10); ADDC=1; ADDB=0; ADDA=0; ST = 0;ST = 1;ST = 0;while(EOC = 0);OE = 1;Display_Resultu(P3);OE = 0; void Timer0_INT() interrupt 1 CLK = !CLK;七，结论小结 设计的基于AT89C51单片机控制的电子负载，能够直接检测被测电源的电流值、电压值，以及在不同大小的负载下电源的输出功率值。通过单片机程控使各个参数都能直观的在数码管上显示。此电子负载能很好的替代传统的测试方法中一般采用的电阻、滑线变阻器、电阻箱等，更简单、更快捷、更可靠地对电源、变压器、蓄电池等电子设备进行输出特性的测试。但是，本设计还存在着很多不足，比如是功率消耗型器件，希望能在以后能改善这方面的缺陷。此次设计的电子负载，从最开始的资料搜集，到电路的设计；从最开始的元件选型，到电路板的焊接，再到现在的实物的整体调试每一步都印证着自己在完成电子设计任务上一个又一个的成功与失败，迷惑与奋发！遗憾时间的仓促，以及自身能力所限，此次设计存在很多有待改进的方方面面，更存在很多的错漏和失误的地方。还请各位学术上的前辈多多包涵见谅。