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东华理工大学毕业设计 论文 目 录 基于单片机的电子负载基于单片机的电子负载 毕业论文毕业论文 目目 录录 绪 论 1 第一章 电子负载系统设计方案 2 1 1 电子负载工作原理 2 1 2 系统设计要求 3 1 3系统总体设计方案论证 3 1 4系统具体设计方案 5 第二章 电子负载硬件系统设计 6 2 1 核心处理器的设计 6 2 2 显示模块的设计 7 2 3 键盘模块 8 2 4 D A 转换模块的选择 10 2 5 采样电路模块 11 2 5 1 电压采样电路 12 2 5 2 电流采样电路 12 2 5 3 输入的模拟量采样 13 2 6 电流取样 PI 控制器等组成的负反馈控制模块 14 2 7 PI 调节器 15 2 8 功率电路模块 17 2 8 1 电子模拟负载方式的选择 17 2 8 2 功率耗散 MOS 管的选型 17 2 9 电源电路的设计 19 第三章 电子负载软件系统设计 21 3 1 电压电流 A D 采样程序设计 22 3 2 液晶显示子程序 22 3 3 D A 转化程序 23 3 4 键盘识别处理程序设计 24 东华理工大学毕业论文 论文 目 录 第四章 系统调试 25 4 1 硬件调试 25 4 2软件调试 26 4 3 软硬件综合调试 26 第五章 结论 27 致 谢 28 参考文献 29 附录一 整体电路原理图 30 附录二 电子负载设计程序 31 东华理工大学毕业设计 论文 第一章 电子负载系统设计方案 第一章 电子负载系统设计方案 1 1 电子负载工作原理 电子负载用于测试直流稳压电源 蓄电池等电源的性能 电子负载的原理是控 制内功率 MOSFET 或晶体管的导通量 占空比 靠功率管的耗散功率消耗电能的设 备 它能够准确检测出负载电压 精确调整负载电流 同时可以实现模拟负载短路 模 拟负载是感性阻性和容性 容性负载电流上升时间 它的基本工作方式有恒压 恒流 恒阻 恒功率这几种 1 恒定电流方式 在定电流模式中 在额定使用环境下 不论输入电压大小如何变化 电子负载将 根据设定值来吸收电流 若被测电压在5 10V变化 设定电流为100mA 则当调节被测电压值时 负载上 的电流值应维持在100mA不变 而此时负载值是可变的 定电流模式能用于测试电压 源及AD DC电源的负载调整率 负载调整率是电源在负载变动情况下能够提供稳定 的输出电压的能力 是电源输出电压偏差率的百分比 2 恒定电阻方式 此种状态下 负载如纯电阻 吸收与电压成线性正比的电流 此方式适用于测 试电压源 电流源的启动与限流特性 在定电阻模式中 电子负载将吸收与输入电压成线性的负载电流 若负载设定 为1 k 当输入电压在1 10 V 变化时 电流变化则为10 100 mA 3 恒定电压方式 在定电压方式下电子负载将吸收足够的电流来控制电压达到设计值 定电压模 式能被使用于测试电源的限流特性 另外 负载可以模拟电池的端电压 故也可以 使用于测试电池充电器 4 恒定功率方式 在定功率工作模式时 电子负载所流入的负载电流依据所设定的功率大小而定 东华理工大学毕业论文 论文 第一章 电子负载系统设计方案 此时负载电流与输入电压的乘积等于负载功率设定值 即负载功率保持设定值不变 本电子负载机实现了在恒流模式下一定范围内的正常工作 PI 调节器的基准电 压由单片机 D A 转换输出 用 A D 转换器与单片机连接把电路中电压电流的模拟信 号转换为数字信号 然后用液晶显示方式显示出即时的电压电流 1 2 系统设计要求 根据电子负载的原理 设计出实现恒流模式下的电子负载 能够检测被测电压 型电源的电流 电压及功率并由液晶显示 在额定使用环境下 恒流方式为不论输入 电压如何变化 在一定范围内 电子负载将根据设定值来吸收电流 流过该电子负 载的电流恒定 设计出最大功率为 100W 电流 O 一 20A 电压 O 一 50V 的直流电子负载 1 3系统总体设计方案论证 根据系统的设计要求 得出以下三种方案 方案一 如图 1 1 所示 运用传统的电子负载设计方式 通过比较器的比较结 果及反馈来控制 MOSFET 的栅极电压 从而达到其内阻变化的目的 方案二 如图 1 2 所示 采用了单片机作为核心控制器 设计了 AD 电压电流检 测电路 键盘电路 液晶显示电路和驱动电路 ATmegal6 单片机为核心处理器 键 盘 串口通讯和 LCD 实现人机交互 MOS 管电路为电子负载主电路 单片机输出一 定占空比的 PWM 控制信号 控制功率电路 MOS 管的导通和关断时间 来获得实际所 需的工作电流 电压 电路中的检测电路为电压 电流负反馈回路 通过 A D 采集 到单片机 与预置值进行比较 作为单片机进一步调节 PWM 占空比的依据 东华理工大学毕业论文 论文 第一章 电子负载系统设计方案 图 1 1 传统的电子负载设计 显 示 按键输入 At me g A D 转 换 PWM 控制 电流检测 电压检测 功率控制 图 1 2 方案二系统设计模块 方案三 为便于控制的实现和功能的扩展 如图 1 3 所示为新型电子负载设计 系统模块框图 采用了 STC89C52 单片机作为核心控制器 设计了 DA 输出控制电路 AD 电压电流检测电路 键盘电路 液晶显示电路和驱动电路 通过软 硬件的协调 配合 实现了整个设计 通过运放 PI 调节器及负反馈控制环路 是整个电路的核 心实质 来控制 MOSFET 的栅极电压 从而达到其内阻变化 MOS 管在这里既作为电 流的控制器件同时也作为被测电源的负载 通过 PI 调节器控制 MOS 管的导通量 从 而达到流过该电子负载的电流恒定 实现恒流工作模式 STC89C52 单 片 机 LCD显示 键 盘 D A转化PI调节器MOS管 被测 电源 电流检测A D转化 电压检测A D转化 Verf R R Uf R 图 1 3 方案三系统模块框图 东华理工大学毕业论文 论文 第一章 电子负载系统设计方案 经过比较 传统的设计方案主要靠硬件实现 成本较高 而且采用运放进行比 较控制 MOS 管只有通和断两种情况 不能实现逐渐改变 MOS 管导通角的变化 不易 控制 方案二通过单片机输出一定占空比的 PWM 控制信号 控制 MOS 管的导通和关 断时间 来获得实际所需的工作电流 电压 这对于占空比的细调节不易控制 误 差较大 方案三采用通过软 硬件的协调配合 实现了整个设计 通过运放 PI 调 节器及负反馈控制环路 能够较精确的控制 MOS 管的导通量 实现无静差的调节 故整个设计采用方案三 1 4 系统具体设计方案 电子负载系统由软 硬件共同组成 考虑到价格 工作速度 开发成本和可靠 性等因素 合理地分配了硬件和软件资源 对于某些既可用硬件实现 又可用软件 实现的功能 在进行设计时 充分考虑了硬件和软件的特点 高效地分配其资源 协调其功能 电子负载系统的硬件部分包括以下部分 1 单片机的选择与 I O 的分配 2 液晶显示模块 3 键盘模块 4 D A 转换模块 5 A D 转换电压电流采样模块 6 电流取样 PI 控制器等组成的负反馈控制模块 7 电源电路模块 电子负载系统的控制程序 包括以下部分 l 人一机联系程序 包括按键信息输入程序和液晶显示输出程序等 2 数据采集和处理程序 主要是 D A 转换程序 A D 转换程序 电压电流采样 程序 本制作的电子负载 主要实现其恒流工作模式 如图 1 3 所示为方案三系统模 块框图 电路的核心实质是一个电流取样 PI 控制器负反馈控制环路 MOS 管在这里 既作为电流的控制器件同时也作为被测电源的负载 PI 控制器控制 MOS 管的导通量 变化与截止 从而达到保持电流恒定的目的 控制部分采用 STC89C52 单片机来完成 设定值通过键盘输入送往单片机 再通过 DA 输出电路产生基准电压送往 PI 控制器 与实际电压相比较 基准电压与实际电压相比较的偏差控制 MOS 管的导通量变化与 截止 从而达到保持电流恒定的目的 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 通过单片机来控制转化 然后用液晶显示显示出即时的电压电 流 东华理工大学毕业论文 论文 第一章 电子负载系统设计方案 东华理工大学毕业设计 论文 第二章 电子负载硬件系统设计 6 第二章 电子负载硬件系统设计 2 1 核心处理器的设计 核心处理器负责控制与协调其他各个模块工作 并进行简单的数字信号处理 在整个电子负载系统中 主控器是系统的控制中心 其工作效率的高低关系到系统 效率的高低以及系统运行的稳定性 设计过程中用单片机作为主控制器 方案一 采用 ATMEL 公司的 AT89C51 51 单片机价格便宜 应用广泛 实现较 为复杂 但烧程序就不方便 方案二 STC89C51 与 AT89C51 基本性能相同 但 STC89C51 RMB 较多 8K flash 串 口可以直接烧程序 可以和 Keil 直连 本设计采用 Keil 软件实现其软件部分的设计 故选择方案二 EA VPP 31 XTAL1 19 XTAL2 18 RS T 9 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 2 IN T0 12 P3 3 IN T1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 A D0 P0 0 39 A D1 P0 1 38 A D2 P0 2 37 A D3 P0 3 36 A D4 P0 4 35 A D5 P0 5 34 A D6 P0 6 33 A D7 P0 7 32 A 8 P2 0 21 A 9 P2 1 22 A 10 P2 2 23 A 11 P2 3 24 A 12 P2 4 25 A 13 P2 5 26 A 14 P2 6 27 A 15 P2 7 28 PS EN 29 ALE PR OG 30 TX D P3 1 11 RX D P3 0 10 GN D 20 VC C 40 U1 S17 12 Y1 R9 10K R10 1K C1 10uF C3 30P C4 30P VC C RST RS T P2 5 VC C P0 3 P0 2 P0 1 P0 0 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 GN D VC C P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 P3 2 P3 3 P3 4 P3 5 P3 6 P3 7 P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 P2 4 1 2 3 4 5 6 7 8 JP2 VC C VC C GN D 参参 参参参参 图 2 1 STC89C52 单片机与液晶显示模块连接电路 表 2 1 单片机 I O 口分配 I O 口应用I O 口应用 P0 0 P0 74 4 矩阵键盘输入P2 2 P2 7 A D 采样输入 P1 0 P1 3 D A 转换输出 XTAL1 XTAL2 时钟输入 P1 0 P1 4 液晶显示模块 RESET 单片机复位信号 东华理工大学毕业论文 论文 第二章 电子负载硬件系统设计 单片机总控制电路如图 2 1 所示 STC89C52 单片机在系统中主要实现以下功能 设定值通过 D A 转换输出基准电压 实际工作电压 电流 A D 采样 LCD 显示 键 盘输入等 表 2 1 为电子负载系统中 STC89C52 的 I O 口分配连接情况 2 2 显示模块的设计 方案一 采用数码管显示 数码管具有接线简单 成本低廉 配置简单灵活 编程容易 对外界环境要求较低 易于维护等特点 电压和电流的显示可以用数码 管 但数码管显示的信息量有限 只能显示简单的数字 其电路复杂 占用的系统 I O 资源较多 显示信息少 不宜显示大量信息 方案二 考虑到本系统中显示的内容以及系统的实用性 采用液晶显示 LCD 液晶显示具有功耗低 体积小 质量轻 无辐射危害 平面直角显示以及影响稳定 不闪烁 画面效果好 分辨率高 抗干扰能力强等优点 点阵式 LCD 不仅可以显示 字符 数字 还可以显示各种图形 曲线及汉字 并且可以实现屏幕上下左右滚动 动画 闪烁 文本特征显示等功能 本次设计中要测量实际的电压电流值 采用的是 Nokia 5110 液晶显示模块可以 显示出电压电流等汉字 一面了然 外观比较好看 而且液晶显示功耗低 体积小 质量轻 无辐射危害 与单片机连接较简单 故经过比较选择方案二 Nokia 5110 液晶显示特点 1 性价比高 可以显示 15 个汉字 30 个字符 价格相对便宜 2 接口简单 仅四根 I O 线即可驱动 3 速度快 是 LCD12864 的 20 倍 是 LCD1602 的 40 倍 4 Nokia5110 工作电压 2 3V 正常显示时工作电流 200uA 以下 具有掉电模式 适合电池供电的便携式移动设备 LCD液晶显示STC89C52 SPI时钟生成器 MOSI MOSI 图 2 2 单片机与 LCD 通信 如图 2 1 所示为 STC89C52 单片机与液晶显示模块连接电路 如图 2 2 所示为单片 东华理工大学毕业论文 论文 第二章 电子负载硬件系统设计 机与 LCD 通信过程 液晶的主要工作原理 1 SPI 接口时序写数据 命令 Nokia5110 PCD8544 的通信协议是一个没有 MISO 只有 MOSI 的 SPI 协议 图 2 3 串行总线协议 传送 1 个字节 2 Nokia5110 的初始化 接通电源后 内部寄存器和 RAM 的内容是不确定的 这需要一个 RES 低电平 脉冲复位一下 图 2 4 Nokia 5110 复位时 3 显示英文字符 英文字符占用 6 8 个点阵 通过建立一个 ASCII 的数组 font6x8 6 来寻址 4 显示汉字 显示汉字可以采用两种点阵方式 一种是 12 12 点阵 一种是 16 16 点阵 2 3 键盘模块 方案一 非矩阵式键盘结构比较简单 使用方便 适合于较少开关量的输入场 合 每个按键需占用一根I O 口线 在按键数量较多时 I O 口浪费大 电路结构 显得复杂 并且此键盘是用于按键较少或操作速度较高的场合 方案二 矩阵式键盘则适合于输入命令或者数据较多 功能复杂的系统 采用 矩阵式键盘结构可以最大限度地使用单片机的引脚资源 矩阵式键盘适用于按键数 量较多的场合 由行线和列线组成 按键位于行列的交叉点上 节省I O 口 因此 东华理工大学毕业论文 论文 第二章 电子负载硬件系统设计 其应用十分广泛 在系统设计中需要通过键盘中输入设定值 通过D A转化输出实际值 所以需要 有0 9的数字键 小数点等等按键 按键较多 所以键盘模块采用方案二 S1S2S3S4 S5S6S7S8 S9S10S11S12 S13S14S15S16 R1 10K R2 10K R3 10K R4 10K R5 10K R6 10K R7 10K R8 10K VCC P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 图 2 5 4 4 矩阵键盘电路图 如图 2 5 所示 本系统通过矩阵电路进行按键输入 采用的是 4x4 矩阵键盘 电子负载系统中按键需要实现的功能有 l 0 9 数字键 本设计中采用专用的数字输入按键 每次按下数字键一次 送 往单片机 按位输入的数据提取出来 转换为十进制数据 2 小数点键 本设计中精度要求较高 输入的设定值会有需要带小数点 在第 一位按键扫描后 每次按下小数点键 在按下确认键后与数字键一样通过液晶显示 显示出来 3 自动调节启动停止按键 该按键把电子负载功能划分为设置和调节两部分 没 有按下该按键时 默认为功能设置 此时单片机只预置数据输入 按键查询 预置 数据 LCD 显示等功能 而当按下该按键 1 次后 单片机将转为执行负载调节 A D 采集 实际数据 LCD 显示等功能 4 预置数据确定按键 按下该按键后 将取消其他键的功能 并把按输入的数据 送往提取出来 送往单片机 之后转换为十进制数据 通过液晶显示显示出来 5 复位清零键 当输入有误时 按下该键可以清除显示屏 按键采用逐行扫描法进行识别 单片机逐行扫描各键 先让每行输出低电平 检测各列是否有低电平产生 如果检测到列有低电平输出 说明有键按下 接着让 每行分别依次输出低电平 其余行行输出高电平 在检测每一列的低电平情况 两 东华理工大学毕业论文 论文 第二章 电子负载硬件系统设计 次低电平的交叉处便是键按下的地方 2 4 D A 转换模块的选择 方案一 DAC0832 是 8 分辨率的 D A 转换集成芯片 这个 DA 芯片以其接口简单 转换控制容易等优点 在单片机应用系统中得到广泛的应用 D A 转换器由 8 位输 入锁存器 8 位 DAC 寄存器 8 位 D A 转换电路及转换控制电路构成 方案二 TLC5615 D A采用的是串行数模转换器 TLC5615是一个串行1O位DAC芯 片 性能比早期电流型输出的要好 只需要通过3根串行总线就可以完成1O位数据的 串行输入 易于和工业标准的微处理器或微控制器 单片机 接口 适用于电池供电 的测试仪表 是具有串行接口的数模转换器 本设计需要测出电压值 电流值 对设定值的精确度要求更高 所以采用 1O 位 DAC 芯片 分辨率较高 同时模拟数字转换器 TLC5615 采用接口简单的 使得硬 件电路大为简化 线路板面积缩小 成本降低 故选择方案二 如图 2 6 所示为 D A 转换输出电路原理图 D A 变换输出采用 TLC5615 与单片机 连接设定值通过键盘输入送往单片机 再通过 DA 输出电路产生基准电压送往 PI 控 制器与实际电压相比较 EA VPP 31 XTAL1 19 XTAL2 18 RST 9 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 AD0 P0 0 39 AD1 P0 1 38 AD2 P0 2 37 AD3 P0 3 36 AD4 P0 4 35 AD5 P0 5 34 AD6 P0 6 33 AD7 P0 7 32 A8 P2 0 21 A9 P2 1 22 A10 P2 2 23 A11 P2 3 24 A12 P2 4 25 A13 P2 5 26 A14 P2 6 27 A15 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 TXD P3 1 11 RXD P3 0 10 GND 20 VCC 40 U1 12 Y1 C3 30P C4 30P RST P2 5 VCC P0 3 P0 2 P0 1 P0 0 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 GND VCC P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 2 5V P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 P3 2 P3 3 P3 4 P3 5 P3 6 P3 7 P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 P2 4 4 6 1 3 27 8 5 U3 TLC5615 VRE F VCC GND P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 图 2 6 D A 转换输出电路原理图 在电路设计中 VREF 2Vrefin N 1024 其中 Verfin 为 TLC5615 的参考电 压 取 1 5V N 为输入设定值的二进制数 VREF 为到 PI 调节器与实际值相比较的基 准电压 如图 2 7 所示为 TLC5615 与反相器的连接图 见式 2 1 为 D A 变换输出 通过一个反相器送到 PI 调节器的基准电压与输入给定电压的关系 东华理工大学毕业论文 论文 第二章 电子负载硬件系统设计 VREF 5N 1024 2 1 N 为输入设定值的二进制数 如图 2 8 TLC5615 的时序图可以看出 当片选 CS 为低电平时 输入数据 DIN 由 时钟 SCLK 同步输入或输出 而且最高有效位在前 低有效位在后 输入时 SCLK 的 上升沿把串行输入数据 DIN 移入内部的 16 位移位寄存器 SCLK 的下降沿输出串行 数据 DOUT 片选 CS 的上升沿把数据传送至 DAC 寄存器 2 5V 4 6 1 3 27 8 5 U3 TLC5615 VREF VCC GND P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 R14 OP37 12V 12V R23 1K R24 1K VREF 图 2 7 TLC5615 与反相器连接图 图 2 8 TLC5615 时序图 2 5 采样电路模块 方案一采用 8 位 A D 转换器 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 但其占用端口多 转换频率低于 1M 方案二采用 10 位 A D 转换器 TLC1549 系列具有串行控制 连续逐次逼近型的模 数转换器 它采用两个差分基准电压高阻输入和一个三态输出构成三线接口 TLC1549 采用 CMOS 工艺 内部具有自动采样保持 可按比例量程校准转换范围 抗 噪声干扰功能 而且在设计时使在满刻度时总误差最大仅为 3 8 mV 因此可广泛应 用于模拟量和数字量的转换电路 两者相比 TLC1549 系列器件性能优良 速度快 功耗低 精度高 可靠性好 接口简便 实用价值高 同时与 10 位的 TLC5615 DA 输出基准电压精度相同 不会导 致电路精度降低 故选择方案二 采样电路是检测和测量环节的重要技术手段 为了让负载准确工作在恒流方式 下 设计中对被测电源的输出电压和 MOS 管的电流进行实时采样 采样 A D 选用 10 位精度的 TLC1549 精度较高 采样电路包括电压采样电路和电流采样电路 如图 2 9 所示为电压电流采样电 东华理工大学毕业论文 论文 第二章 电子负载硬件系统设计 路原理图 从功率电路采集实际工作电压和电流 反馈到单片机 再通过液晶显示 出来 实现自动循环的调节 2 5 1 电压采样电路 电压采样电路中 由于电子负载的输入电压范围比较宽 实际工作电压较高 采样前首先进行了分压设计 如图 2 9 所示采用 1 11 的分压 输出送往 A D 采样 TLC1549 添加一个电压跟随器 没有放大作用 输出电压与输入电压相同 提高了 输入阻抗 对电路进行缓冲 起到承上启下的作用 同时取到隔离作用 减小了电 磁干扰的影响 减小了强电流功率电路对控制电路的损害 如图 2 9 所示 被试电源两端的电压 U 与电压采样点电压 Ub 的关系为 Ub R19 R19 R18 U 10K 10K 100K U 1 11U 2 2 所以 U 11Ub 2 3 R19 10K Q2 IRFP460 4 6 1 3 27 8 5 U4 TLC1549 4 6 1 3 27 8 5 U5 TLC1549 R18 100K R R Ub Ua1 GND GND VCCVCC VCC P3 2 P3 3 P3 4 P3 5 P3 6 P3 7 R17 o 25 R11 R12 R14 R13 OP37 OP37 Uf C5 0 75uF Ua R15 1K R16 1K VREF 60K 40K 40K 12V OP37 R20 1K R21 1K 12V VCC Ub1 12V 12V 12V 12V 图 2 9 电压电流采样电路原理图 2 5 2 电流采样电路 电流采样电路中 首先借助采样电阻 R17 将电流信号转换为电压信号 输出送 往 A D 采样 TLC1549 添加一个电压跟随器 不取到放大作用 如图 2 9 所示 提高 电路带负载能力 取到缓冲 隔离作用 东华理工大学毕业论文 论文 第二章 电子负载硬件系统设计 如图 2 9 所示负载电流 I 与电流采样点电压 Ua 的关系为 I Ua R17 Ua 0 25 2 4 采样电阻 R17 的电阻为 0 25 欧姆 为锰铜采样电阻 阻值较小 但可以承受大 功率 采样电阻分流对整个电路影响较小 采样电阻 R17 电流 电压转换元件 I V converter 落在 R17 上的电压降通过 PI 调节器与基准电压 VERF 比较 控制 MOS 管的导通量变化与截止 从而达到保持电流恒定的目的 这种电阻适用于高功 率及高电流的电源供应器 电路板的电路侦测 具有稳定性佳 低温度系数 散热 性好的特性 2 5 3输入的模拟量采样 4 6 1 3 27 8 5 U5 TLC1549 Ua1 GND VCCVCC P3 2 P3 3 P3 4 图 2 10 tlc1549 引脚图 图 2 11 tlc1549 时序图 1 TLC1549 工作原理 TLC1549 具有 6 种串行接口时序模式 这些模式是由 I O CLOCK 周期和 CS 定 义 根据 TLC1549 的功能结构和工作时序 其工作过程可分为 3 个阶段 模拟量采 样 模拟量转换和数字量传输 如图 2 11 所示为 TLC1549 的时序图 2 输入模拟量采样 在第 3 个 I O CLOCK 下降沿 输入模拟量开始采样 采样持续 7 个 I O CLOCK 周期 采样值在第 10 个 I O CLOCK 下降沿锁存 东华理工大学毕业论文 论文 第二章 电子负载硬件系统设计 3 数字量得传输 当片选 CS 由低电平变为高时 I O CLOCK 禁止且 A D 转换结果的三态串行输 出 DATA OUT 处于高阻状态 当串行接口将 CS 拉至有效时 即 CS 由高变为低时 CS 复位内部时钟 控制并使能 DA TA OUT 和 I O CLOCK 允许 I O CLOCK 工作并使 DATA OUT 脱离高阻状态 串行接口把输入 输出时钟序列供给 I O CLOCK 并接收 上一次转换结果 首先移出上一次转换结果数字量对应的最高位 下一个 I O CLOCK 的下降沿驱动 DATA OUT 输出上一次转换结果数字量对应的次高位 第 9 个 I OCLOCK 的下降沿将按次序驱动 DATA OUT 输出上一次转换结果数字量的最低位 第 10 个 I OCLOCK 的下降沿 DATA OUT 输出一个低电平 以便串行接口传输超过 10 个时钟 I O CLOCK 从主机串行接口接收长度在 10 16 个时钟的输入序列 CS 的下降沿 上一次转换的 MSB 出现在 DATA OUT 端 10 位数字量通过 DATA OUT 发送 到主机串行接口 为了开始传输 最少需要 10 个时钟脉冲 如果 I OCLOCK 传送大 于 10 个时钟 那么在第 10 个时钟的下降沿 内部逻辑把 DATA OUT 拉至低电平以确 保其余位清零 在正常转换周期内 即规定的时间内 CS 端由高电平至低电平的跳变 可以终止该周期 器件返回初始状态 输出数据寄存器的内容保持为上一次转换结果 由于可能破坏输出数据 所以在接近转换完成时要小心防止 CS 拉至低电平 2 6 电流取样 PI 控制器等组成的负反馈控制模块 电子负载的核心实质是一个电流取样 PI 控制器组成的负反馈控制环路 也是电 子负载的功率控制电路 MOS 管在这里既作为电流的控制器件同时也作为被测电源 的负载 采样电阻 R17 电流 电压转换元件 I V converter 落在 R17 上的电压降 通过 PI 调节器与基准电压 VERF 比较 控制 MOS 管的导通量变化与截止 从而达 到保持电流恒定的目的 东华理工大学毕业论文 论文 第二章 电子负载硬件系统设计 R19 10K Q2 IRFP460 4 6 1 3 27 8 5 U4 TLC1549 4 6 1 3 27 8 5 U5 TLC1549 R18 100K R R Ub Ua1 GND GND VCCVCC VCC P3 2 P3 3 P3 4 P3 5 P3 6 P3 7 R17 o 25 R11 R12 R14 R13 OP37 OP37 Uf C5 0 75uF Ua R15 1K R16 1K VREF 60K 40K 40K 12V OP37 R20 1K R21 1K 12V VCC Ub1 12V 12V 12V 12V 图 2 12 电流取样 PI 控制器等组成的负反馈控制电路 如图 2 12 所示为电流取样 PI 控制器等组成的负反馈控制电路 这个电路中 设定值与实际值相比较 当 R17 上的电压降 Uf 即实际值大于设定值 VERF 时 通过 PI 调节器的调节 减小 MOS 管的导通角 减小 MOS 管的导通量 使 MOS 管的内阻增 大 流过电阻 R17 的电流减小 则电压降 Uf 慢慢减小并等于设定值 从而实现电子 负载的恒流工作模式 当 R17 上的电压降 Uf 即实际值小于设定值 VERF 时 通过 PI 调节器的调节 增大 MOS 管的导通角 增大 MOS 管的导通量 使 MOS 管的内阻减小 流过电阻 R17 的电流增大 则电压降 Uf 慢慢增大并等于设定值 从而实现电子负载 的恒流工作模式 这是一个 PI 调节器调节过程 2 7 PI 调节器 对于电子负载的设计需要较高的精确度 同时控制 MOS 管的导通量的变换也需 要一个不停的变化调节过程 而不是传统的采用运放比较器组成的反馈电路来实现 传统的仅靠比较器来比较设置值与实测值 比较后的输出作用于 MOS 管 这样组成 的反馈系统误差很大 精度低 只能控制 MOS 管的通或断 就只有全导通或全关闭 两种极值情况 很难准确的消除误差实现其恒流模式的控制 所以需要一个更加精 确的调节器来控制 MOS 管的导通量 使其导通角能够在可承受电压范围内 按照偏 差的大小 对实测值与给定值的偏差分别进行比例和积分运算 取其和构成连续信 号以控制调节导通角的增大或缩小达到设定值等于实际值 东华理工大学毕业论文 论文 第二章 电子负载硬件系统设计 R11 R12 R14 R13 OP37 Uf C5 0 75uF VREF 60K 40K 40K 12V 12V KpiUin Uin Uex Uexm t Uex 0 图 2 13 PI 调节器 2 14 PI 调节器的输出特性 如图 2 13 所示为 PI 调节器 PI 调节器的输出电压 Uex由比例和积分两个部分 组成 在零初始状态和阶跃输入信号作用下 其输出电压的时间特性如图 2 14 所 示 由图可以看出比例积分作用的物理意义 当突加输入电压 Uin时 由于开始瞬 间电容 C 相当于短路 反馈回路只有电阻 R1 使输出电压 Uex突跳到 KPIUin 此后 随着电容 C 被充电 开始体现积分作用 Uex不断线性增长 直到达到输出限幅值或 运算放大器饱和 这样 当单闭环调速系统采用比例积分调节器后 在突加输入偏 差信号 Un 的动态过程中 在输出端 Uct 立即呈现 Uct KPI Un 实现快速控制 发 挥了比例控制的长处 在稳态时 又和积分调节器一样 又能发挥积分控制的作用 Un 0 Uct 保持在一个恒定值上 实现稳态无静差 因此 比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点 又克服了各 自的缺点 扬长避短 互相补充 比例部分能够迅速响应控制作用 积分控制则最 终消除稳态偏差 作为控制器 比例积分调节器兼顾了快速响应和消除静差两方面 的要求 故 PI 调节器应用在电子负载的设计中 实现对 MOS 导通角的有效控制 具 有积分作用的调节器 只要被调量即电子负载电路中的实测值与设定值之间有偏差 其输出就会不停的变化 反复调节 消除稳态误差 实现无静差的调节 PI 调节器是一种线性控制器 它根据给定值r t 与实际输出值c t 构成控制偏 差 e t r t c t 2 5 将偏差的比例 P 和积分 I 通过线性组合构成控制量 对被控对象进行控制 其控制规律为 2 dt t e T 1 t e Ku t t 0 I p 东华理工大学毕业论文 论文 第二章 电子负载硬件系统设计 6 其中u t 为 PI 控制器的输出 e t 为 PI 调节器的输入 Kp 为比例系数 TI为积分 时间常数 1 比例环节即时成比例的反映控制系统的偏差信号e t 偏差一旦产生 控 制器立即产生控制作用 以减少偏差 通常随着 Kp 值的加大 闭环系统的超调量加 大 系统响应速度加快 但是当 Kp 增加到一定程度 系统会变得不稳定 2 积分环节主要用于消除静差 提高系统的无差度 积分作用的强弱取决于积 分常数 TI TI越大 积分作用越弱 反之越强 通常在 Kp 不变的情况下 TI越大 即积分作用越弱 闭环系统的超调量越小 系统的响应速度变慢 本次电子负载设计 为了较快且更加精确的消除误差 对于 PI 调节器 如图 2 14 所示的 PI 调节器 取 R11 R12 40K R13 60K C 0 75uF Kp R13 R11 1 5 2 6 TI RC 0 03S 2 6 所以本设计的 PI 调节器的 Kp 取 1 5 TI取 0 03S 2 8 功率电路模块 2 8 1 电子模拟负载方式的选择 方案一 晶体管式电子模拟负载 晶体管是通过一定的工艺 将两个 PN 结结合 在一起的器件 通过基极电流可以控制集电极电流 从而可以达到控制晶体管作为 一个可变负载的目的 大功率晶体管构成的功率恒流源充当负载 通过吸收电源提 供的大电流 从而模拟复杂的负载形式 即通过将恒压 恒流 恒阻误差信号经过 放大 再送入逻辑或控制电路 用选中的误差信号来调整晶体管的内阻 以达到模 拟变化负载的目的 由于晶体管属于电流控制性器件 在控制变化速度上较慢 因 此适合模拟一些电流恒定或是变化缓慢的实际负载 其次 晶体管还存在温度系数 为负的问题 所以在使用过程中还需要考虑温度补偿的问题 方案二 场效应管式电子模拟负载 场效应晶体管 MOSFET 工作在不饱和区时 漏极与源极之间的伏安特性可以看作是一个受栅一源电压控制的可变电阻 用 MOSFET 作可变电阻具有工作速度快 可靠性控制灵敏等优点 而且既无机械触点 也无运动部件 噪声低 寿命长 MOSFET 的通态电阻较大 且负载电流较小 所以 MOSFET 适合模拟一些变化速度较快 但电流不大的实际负载 综合电子负载的特性 故选择方案二场效应管式电子模拟负载 东华理工大学毕业论文 论文 第二章 电子负载硬件系统设计 2 8 2 功率耗散 MOS 管的选型 方案一 采用 MTY25N60E MOS 管 它常用于电力领域的应用 专为高电压 高速 开关芯片 可以应用于电力供应 电机控制 PWM 变流器等领域 方案二 采用 IRFP460 芯片 TIP122 芯片效率比方案低 总功耗相对较高 其 通用参数为 1 漏极 源极击穿电压 Vdss 500V 2 静态导通电阻 Rds on 0 25 3 漏源连续导通电流 Id 22A 4 功 率 Ptot 278W 5 极 性 NPN 鉴于 MOS 管的良好开关特性 在此次设计中 对被测电源功率的控制 也就是 对电流的控制 故选用方案二 场效应管是一种单极型晶体管 它只有一个 P N 结 在零偏压的状态下 它是 导通的 如果在其栅极 G 和源极 S 之间加上一个反向偏压 称栅极偏压 在反向 电场作用下 P N 变厚 称耗尽区 沟道变窄 漏极电流变小 当反向偏压达到一 定时 耗尽区将完全沟道 夹断 此时场效应管进入截止状态 MOS 型晶体管的特点是特别适合于开关状态工作 因为它正向导通时的电阻极 小 而且开关速度快 所以是一种理想的开关元件 1 栅极控制功率小 和双极型晶体管相比 MOS 管栅极是绝缘的 在高频工作 时虽然有栅极电流存在 但其值甚小 所以栅极的输入功率也很小 2 由于 MOS 管是电压控制器件 它不像双极型晶体管那样 在基区有可能积存 大量少数载流子 从而影响高速开关 所以同样功率的管子 MOS 型的开关速度要 比双极型管子快得多 3 MOS 管子的耐压比双极型管于低 常很少超过 1000V 双极型管子可以做到 1600V 以下 4 MOS 管子不像双极型管子那样存在明显的二次击穿现象 所以在中 低压情 况下 其工作的可靠性要高 些 过电压保护的设计也可以简单一些 如图 2 15 所 示为 N 沟道增强型 MOS 管的转移特性曲线 如图 2 16 所示为 N 沟道增强型 MOS 管 的输出特性曲线 东华理工大学毕业论文 论文 第二章 电子负载硬件系统设计 UGS th 2UGS th UGS IDO iD O UGS 2UGS th 可变电 阻区 IDO iD 预夹断轨迹 O 夹断区 恒流区 UD UGS UGS th UGS2 图 2 15 N 沟道增强型 MOS 管的转移特性曲线 图 2 16 N 沟道增强型 MOS 管的输出特性 Q2 IRFP460 d g s 图 2 17 N 沟道增强型 MOS 管 电子负载的恒流控制 它的功率控制电路主要包括场效应管 MOSFET 电流取 样 PI 控制器 运放等组成负反馈控制环路 这是整个系统设计的核心 也是电子负 载的核心部分 如图 2 17 所示为 N 沟道增强型 MOS 管 MOS 管不仅作为电流控制 器 而且作为被测电源的负载 IRFP460 为 N 沟道增强型 MOS 管 所以整个设计的 技术指标是根据 IRFP460MOS 管的参数进行选定的 由 IRFP460MOS 管的饱和漏源电 流 Id 22A 取整个电子负载设计的电流范围为 0 20A 根据锰铜采样电阻的阻值 0 25 欧姆 可算出功率的最大值为 100W 故整个设计的功率范围为 0 100W 考虑到有时 候被测电源电压较大 在漏极 源极击穿电压 Vdss 500V 的基础上 整个设计的电 压范围设为 0 50V 2 9 电源电路的设计 单片机电源设计包含 3 个方面的内容 一是电源功耗 二是电源电压 三是电源 管理 电源电压的设计主要针对系统需求的不同电压进行的电源分配 在电子负载 系统中 单片机的工作电压是 1 7 4 5V 运放和其它元器件也可以工作在 0 24V 电 压下 A D D A 转换芯片可以工作在 5V 电压下 本电路设计中利用 HCPL 78XX 东华理工大学毕业论文 论文 第二章 电子负载硬件系统设计 79XX 系列的 3 端正稳压电路和具有良好热稳定性能的三端可调分流基准电压源 TL431 实现整个电源电路的设计 利用 TL431 输出 2 5V 电压作为输入基准源供 TLC5615 进行 DA 转换 HCPL 78XX 系列为 3 端正稳压电路内含过流 过热和过载保护电路 带散热 片时 输出电流可达 1A 具有过热保护 短路保护 输出晶体管 SOA 保护 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 61 8 TL431 参参 参参参 参参 61 8 TL431 R22 250 2 5V 0 33uF C14 Input 图 2 18 TL431 符号 图 2 19 TL431 输出 2 5V 电压连接图 TL431 是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源 它的输出电压 用两个电阻就可以任意地设置到从 Vref 2 5V 到 36V 范围内的任何值 该器件的 典型动态阻抗为 0 2 在很多应用中可以用它代替齐纳二极管 例如 数字电压 表 运放电路 可调压电源 开关电源等等 如图 2 18 所示为 TL431 符号 图 2 19 为 TL431 输出 2 5V 电压连接图 将 Cathode 负极 与 Reference 参考端 连 接起来 会得到 VKA Vref 2 5V 2 5V 作为输入基准源供 TLC5615DA 进行转换 T1 1 2 3 4 D C7 0 33uF C9 0 1uF 7812 220V 7805 0 1uF C12 VCC 61 8 TL431 R22 250 2 5V 0 33uF C14 7912 C13 0 33uF C6 470uF C11 0 33uF C10 0 1uF 12V 12V C8 0 33uF 图 2 20 电源电路原理图 如图 2 20 所示为电源电路原理图 电源电路利用 78XX 系列集成稳压器的典型 应用电路 利用串联输出不同的电压 供电路各个部分工作 经过 220V 交流电降压 东华理工大学毕业论文 论文 第二章 电子负载硬件系统设计 后通过整流桥的作用 之后通过 7812 输出 12V 和通过 7912 输出 12V 的直流电压供 给运放工作 再通过 7805 输出 5V 的直流电压供给单片机 A D D A 芯片工作 最 后通过串联具有良好热稳定性能的三端可调分流基准电压源 TL431 产生 2 5V 的直流 电压 作为 D A 转换的输入基准电压 C6 C13 C14 为滤波电容 C7 C8 C9 C10 C11 C12 为分别输入端和输出端滤波电容 东华理工大学毕业设计 论文 第三章 电子负载软件系统设计 21 第三章 电子负载软件系统设计 本系统程序设计都是采用 Keil 开发软件 C 语言程序 C 语言较方便 通俗易 懂 而且本系统采用的是模块化编程思路 使得程序更具有移植性和可读性 Keil IDE Vision2 集成开发环境是 Keil Software 开发的基于 80C51 内核的 微型处理器软件开发平台 内嵌多种符合当前工业标准的开发工具 可以完成从工 程建立 管理 编译和链接 目标代码的生成 软件仿真 硬件仿真等完整的开发 流程 尤其 C 编译工具在产生代码的准确性和效率方面达到了较高的水平 而且可 以附加灵活的控制选项 在开发大型项目时非常理想 Keil 软件开发的流程 建立工程 为工程选择目标器件 设置工程的配置参数 打开 建立程序文件 编译和链接工程 纠正程序中的书写和语法错误并重新编译连接 对程序中某些纯软件的部分使用软件仿真验证 使用 TKS 硬件仿真器对应用程序进行硬件仿真 系统初始化 按键扫描处理程序 D A转换产生基准电压 电压电流采样A D转化 液晶显示程序 开始 结束 检测电源是否完成 Y N 初始化初始化A D转 换通通 启动A D转换 A D转化是否完成 数据处理 汉字数据显示子程序 电压电流采样 子程序入口 返回 Y N 图 3 1 软件主程序流程图 图 3 2 电压电流采样流程图 东华理工大学毕业论文 论文 第三章 电子负载软件系统设计 主程序软件流程如图 3 1 所示 在图 3 1 中软件首先进行 DA AD LCD 液晶显 示 控制变量初始化 再调用键盘扫描处理程序 在没有按下没有按下自动调节启 动停止按键时 默认为功能设置 此时单片机只预置数据输入 按键查询 预置数 据 LCD 显示等功能 而当按下该按键 1 次后 单片机将转为执行负载调节 A D 采 集 实际数据 LCD 显示等功能 3 1 电压电流 A D 采样程序设计 如图 3 2 所示为电压电流采样流程图 先复位时序成功后 启动 A D 转换口 再送十个时钟信号进行串行采样 当第十个时钟信号下降沿到来