(再改)直流电子负载课程设计.doc

合 肥 学 院 综 合 课 程 设 计 报 告 题 目： 多功能直流电子负载的设计与实现 系 别： 电子信息与电气工程系 专 业： 电子信息工程 班 级： _12电子（专升本）_ 学 号： 1205061024 1205061037 1205061005 姓 名： _陈王荣 李理论 刘利权 导 师：_ 史 俊 成 绩：_ 2013年 12 月 10 日多功能直流电子负载设计报告中 文 摘 要电子负载是一种通过控制内功率MOSFET或晶体管的导通量，靠功率管的耗散功率消耗电能从而准确检测出负载电压，精确调整负载电流的设备。本设计以STC12C5A单片机为主控芯片，配合D/A转换、电压比较器、场效应功率管、液晶显示器等器件构成，并通过相应的软件代码配以适当的手动调节来实现三种模式的转换控制；在定电流模式下，不管输入电压是否改变，电子负载消耗一个恒定的电流。在定电压模式下，电子负载将消耗足够的电流来使输入电压维持在设定的电压上。在定电阻模式下，电子负载被等效为一个恒定的电阻，电子负载会随着输入电压的改变来线性改变电流。关键词：电子负载；单片机；D/A转换；CC模式；CV模式；CR模式目 录：一、系统设计要求及题目分析41.1 任务41.2 要求41.2.1基本要求41.2.2.发挥部分41.3 题目分析4二、系统方案论证与选择52.1 系统的基本方案52.2 系统的最终方案7三、系统的硬件设计与实现73.1 系统硬件的基本组成部分73.2主要单元电路的设计93.2.1 电源供电电路93.2.2 数模转换电路93.2.3 恒流模式电路113.2.4 恒压模式电路123.2.5 恒阻模式电路12四、系统软件设计144.1 程序流程图14五、系统性能测试155.1三种模式性能测试155.1.1 恒流模式性能测试155.1.2 恒压模式性能测试17六、总结19七、参考文献20八、附录208.1电路原理图208.2部分程序代码258.3主要元器件清单：（表格形式）358.4实物图36 38一、系统设计要求及题目分析1.1 任务电子负载用于测试直流稳压电源、蓄电池等电源的性能。设计并制作一台电子负载，有恒流和恒压两种方式，可手动切换。恒流方式时要求不论输入电压如何变化（在一定的范围内），流过该电子负载的电流恒定，且电流值可设定。工作于恒压方式时，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。1.2 要求1.2.1基本要求a.负载工作模式：恒压（CV）、恒流（CC）两种模式可选择b.电压设置及读出范围：1.00V-30.0Vc.电流设置及读出范围：100mA-3.00Ad.显示分辨率及误差：至少具有三位数，相对误差小于5%1.2.2.发挥部分a.增加恒阻模式（CR）模式b.扩大负载参数的设置及读出范围c.具有自动过载保护设计1.3 题目分析通常情况下，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存储或消耗掉。负载的种类繁多，根据其在电路中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。本设计中，我们要做的是一个电子负载，它是利用电子元件吸收电能并将其消耗的一种负载。电子元件一般分为结构型场效应管、功率场效应管、绝缘栅型场效应管等功率半导体器件，在这里我们采用了绝缘栅型N沟道增强型场效应管，它易于控制且比较稳定，同时可以与电压模块、电流模块构成反馈，使系统相对稳定。二、系统方案论证与选择根据题目要求，本设计的系统可以划分为如下六个主要部分：电源部分、单片机控制部分、D/A转换部分、反馈调节部分、输出显示部分、输入调节设定部分。按键输入显示输出单片机D/A转换电流比较电压比较电流设置电压设置功率控制电压监测电流监测反馈反馈图1电子负载系统模拟框图2.1 系统的基本方案在本设计中，为了尽可能提高实验成品各方面的性能指标，于是对每一个小模块都分别进行了几种不同的设计方案论证，并选取最优方案。2.1.1 单片机部分的选取方案一：选用PIC、或AVR等作为控制核心；这些单片机资源丰富，可以实现复杂的逻辑功能，功能强大，完全可以实现对本系统的控制。但对于本题目而言，其优势资源无法得以体现，且成本稍高。方案二：采用片STC公司的STC12C5A60系列单片机，该系列单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。本设计中，最终选择方案二，采用STC12C5A60系列单片机。2.1.2 电源模块的论证与选择系统需要多个电源，单片机STC12C5A60、数模转换器TLC5615、电压基准源REF5020等均需要5V的电压为之供电；散热器、电压比较器LM393AN等均需要12V的电压为之供电；运放OP07需要双电源5V供电。方案一：采用升压型稳压电路。用两片MC34063芯片分别将3V的电池电压进行直流斩波调压，得到5V和12V的稳压输出。只需要使用两节电池，既节省了电池，又减小了系统体积重量，但该电路供电电流小，供电时间短，无法使相对庞大的系统稳定运行。方案二：采用三端集成稳压LM7805、LM7905、LM7812芯片分别得到输出5V、-5V、12V的稳压电源。该类稳压片具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能，并且利用该方法方便简单易于操作。本设计中，最终选择方案二，采用LM7805、LM7905、LM7812芯片稳压供电。2.1.3 D/A转换模块的选取方案一：采用DAC0832作为转换器。它是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数模转换器，它价格低廉，功耗较小，接口简单，功能齐全，转换控制容易，但速度较缓慢，并且在该题中好多接口用不到，使用它有点大材小用。方案二：采用TLC5615芯片作为D/A转换器。它是具有串行接口的数模转换器，其输出为电压型，可以直接送到比较器中，并且其最大输出电压是基准电压值的两倍。自带有上电复位功能，即把DAC寄存器复位至全零。它只需要通过3根串行总线就可以完成10位数据的串行输入，易于和单片机接口,与DAC0832相比，价格也较便宜。本设计中，最终选择方案二，采用TLC5615芯片作为D/A转换器。2.1.4 显示部分的选取方案一：采用LED数码管显示。使用多个数码管动态显示，由于显示的内容较多，过多的增加数码管的个数显然不可行，进行轮流显示控制复杂，加上数码管需要较多连线，使得电路复杂，功耗比较大。方案二:采用LCD12864液晶显示。可以显示英文及数字，利用单片机STC12C5A60来驱动液晶显示模块，设计简单，超薄轻巧,显示信息量大,字迹美观，界面舒适，耗电小，而且容易控制。本设计中，最终选择方案二，采用LCD12864作为显示输出器。2.1.5 功率控制方案的选取方案一：可选用双极型三极管来实现功率控制,它是电流控制型器件。在该题中，若用双极型三极管需要外接电阻将电流转换为电压，再将其电压值接到电压比较器LM393的输出端，电路较为复杂。方案二：可选用IRF3205场效应管，来实现功率控制，它是电压控制型器件，可以直接接到电压比较器LM393的输出端，并且它受温度影响较小，噪声也较小，相对而言，比较简单。本设计中，最终选择方案二，采用IRF3205场效应管来实现功率控制。2.2 系统的最终方案经过仔细分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下：（1）电源模块：采用LM7805、LM7905、LM7812电源稳压芯片（2）控制模块：采用STC12C5A60系列单片机。（3）D/A转换模块：采用TLC5615芯片。（4）显示部分模块：采用LCD12864液晶显示。（5）功率控制模块：采用IRF3205场效应管。三、系统的硬件设计与实现3.1 系统硬件的基本组成部分本设计采用了STC12C5A60系列单片机作为系统的控制中心，四个场效应管IRF3205并联作为电子负载的核心部分，可实现以下功能：恒流和恒压两种模式，可手动切换恒阻模式。工作于恒流模式时，不论输入电压如何变化（在一定的范围内），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，另外流入电子负载的电流随被测直流电源的电压变化而变化，还可以实现定阻模式。处于定阻模式下的电子负载上的电流与输入电压成线性关系。单片机通过控制D/A模块将数字信号转换为模拟信号，然后与电子负载间构成反馈，使该电子负载的电压与电流达到相对稳定状态，最后通过按键可以实现电压与电流的切换，在LCD12864液晶显示屏上显示各参数的值。LCD12864设定值单片机数模转换电压比较器功率控制散热器稳压5V 12V 供电电路图2 系统硬件基本组成框图3.2主要单元电路的设计3.2.1 电源供电电路图3电源供电电路电源电路如图所示，由于给电子负载散热的散热器所需电压是12V，单片机STC12C5A60、数模转换器TLC5615、电压基准源REF5020等均需要5V的电压为之供电，电压比较器LM393AN需+12V为之供电，电压跟随器OP07CN需5V，故这里选用了两个L7805、一个L7905、和一个7812作为供电电源。它内部含有限流保护、过热保护和过压保护电路，采用了噪声小、温度漂移小的基准电压源，工作稳定可靠。3.2.2 数模转换电路在本设计中，要求设定电压、电流值，因此在方案中就有了数模转化电路将设定值送到电压比较器中，设计中采用的使TLC5615 D/A转换器配合REF5020基准电压输出芯片图4数模转换电路如图所示，TLC5615芯片的1、2、3脚分别接在单片机的P06、P07、P27脚上，基准电压输出芯片REF5020输出2.048V的基准电压送到TLC5615数模转换器的6脚中，再由外部设定电压值送到单片机中进而控制TLC5615数模转换器输出设定值再送到电压比较器中然后通过控制场效应管IRFP450进行功率控制。3.2.3 恒流模式电路+-在定电流模式下，不管输入电压是否改变，电子负载消耗一个恒定的电流。图5恒流模式电路如图所示，DAI为从数模转换器中输出的电流值，If为功率控制电路的反馈电流值，If的值同时也会输入到单片机中进行监测，并在 LCD12864液晶显示屏上显示出来：当IfDAI时，电压比较器LM393输出低电平，指示灯熄灭，并且场效应管IRF3205截止，使得R10上的电流下降，反馈取样电流If减小；当IfDAU时，电压比较器LM393输出高电平，指示灯点亮，并且场效应管IRF3205导通，使得R14上的电压下降，反馈取样电压Uf减小；当UfDAU时，电压比较器 LM393输出低电平，指示灯熄灭，并且场效应管IRF3205截止，使得R14上的电压升高，最终维持在一恒定的值。通过改变DAU的输入，可以使负载R10上的电压改变，并恒定；例如，设定DAU处电压为10mV，则R10上的电压就为0.1V，不管外加信号Ui如何变化，加载在负载上的电压恒定为0.1V不变，只有当设定值改变时，才会引起负载两端的电压改变；若改变DAU处设定电压为20mV，则R10上的电压就为0.2V，若改变DAU处设定电压为30mV，则R10上的电压就为0.3V。 3.2.5 恒阻模式电路在定电阻模式下，电子负载被等效为一个恒定的电阻，电子负载会随着输入电压的改变来线性改变电流。 图7恒阻模式电路如图所示，Uin为外加信号，调节滑动变阻器R17设定阈值电压，当Uin改变时，负载R50上的电流也会随之线性变化；因为 U+ = U-U+=Uin*R17下/（R16+R17）U-=Iin*R50所以 Uin /Iin = R50 *（R16+R17）/ R17下 可以看到输入电压与输入电流呈现线性变化，并可通过滑动变阻器R17手动设置电阻值。例如，Uin =3sin10t, R17下=20K,则Iin=3sin10t；Uin =3sin10t, R17下=10K,则Iin=6sin10t；固定滑动变阻器R17后，对应某一时刻而言，电压的变化，引起了电流的变化，且其比值固定不变。四、系统软件设计4.1 程序流程图 开始初始化扫描按键信息等待YND/A转换显示输出数值采样、计算、转换终止继续测试NY图8程序流程图五、系统性能测试5.1三种模式性能测试5.1.1 恒流模式性能测试表1恒流模式数据记录表检测值(A)设定值（A)测量值(A）设定误差0.090.10.104-3.8%0.110.1150.12-4.2%0.190.2040.1983.0%0.270.2970.298-0.3%0.380.4010.3863.9%0.50.5050.4971.6%0.570.5920.5772.6%0.670.6840.6751.3%0.770.7750.7730.3%0.860.8660.87-0.5%0.960.9850.9652.1%1.061.0791.0621.6%1.151.1731.1581.3%1.351.3611.3451.2%1.441.4551.441.0%1.541.5481.5350.8%1.641.6421.6310.7%1.731.7361.7250.6%1.831.831.820.5%1.931.9241.9150.5%2.022.0182.010.4%2.122.1122.1040.4%2.222.2062.1990.3%2.312.32.290.4%2.412.3932.3870.3%2.512.4872.4810.2%2.62.5812.5760.2%2.72.6752.670.2%2.82.7692.7640.2%2.892.8632.860.1%2.992.9572.9540.1%3.093.0513.0480.1%将上图中的设定值、测量值数据整理成折线图如下：图9恒流模式数据测量折线图由图中的拟合曲线可以看出，设定值与测量值基本相同。将上图中的设定误差数据整理成折线图如下：图10恒流模式 设定误差数据整理成折线图经过计算，恒流模式下的设定误差平均值为 -0.26% ，完全满足设计要求。5.1.2 恒压模式性能测试表2恒压模式的测量数据记录表格检测值(V)设定值（V)测量值(V）设定误差1.4421.481.4631.2%1.7511.81.7860.8%2.0322.122.1060.7%2.3792.442.4260.6%2.6762.762.7450.5%3.0233.083.0640.5%3.373.43.3840.5%3.6673.723.7060.4%4.0144.044.0250.4%4.3274.364.3470.3%4.6224.684.6670.3%4.96654.9880.2%5.315.325.3070.2%5.6055.645.6280.2%5.955.965.950.2%6.2946.286.2730.1%6.5896.66.5970.0%6.9336.926.920.0%7.2777.247.2420.0%7.6227.567.5630.0%7.9177.887.8830.0%8.2618.28.207-0.1%8.5568.528.525-0.1%8.98.848.848-0.1%9.1539.169.17-0.1%9.4459.489.491-0.1%9.7869.89.814-0.1%10.1210.1210.135-0.1%11.111.0811.096-0.1%12.0712.0412.06-0.2%13.041313.028-0.2%13.9713.9613.992-0.2%14.9414.9214.958-0.3%16.061616.044-0.3%17.1717.1317.17-0.2%18.0818.0918.133-0.2%19.0919.0919.134-0.2%20.0620.0520.1-0.2%21.0321.0121.064-0.3%21.9921.9722.023-0.2%23.0122.9322.983-0.2%23.9823.8923.943-0.2%24.0723.9724.048-0.3%24.9924.9324.999-0.3%26.126.0126.074-0.2%27.0226.9727.026-0.2%28.0328.0128.071-0.2%29.0428.9729.058-0.3%30.130.0130.087-0.3%将上图中的设定值、测量值数据整理成折线图如下：图11恒压模式数据测量折线图由图中的拟合曲线可以看出，设定值与测量值基本相同。将上图中的设定误差数据整理成折线图如下：图12恒压模式 设定误差数据整理成折线图经过计算，恒压模式下的设定误差平均值为 0.03% ，完全满足设计要求。六、总结本设计是基于STC12C5A单片机控制的电子负载，有三种工作模式恒压（CV）、恒流（CC）、恒阻（CR）能够直接对被测电子设备进行输出特性的测试。通过单片机程控使各个参数都能直观的在显示屏上显示。在设计中我们对所有电阻都采用精度较高的金属膜电阻，同时对反馈信号也加以处理，再其后加上电压跟随器送到单片机转换处理最后输出显示，这样可以降低被测电子设备的内阻，尽可能的提高系统精度。在我们焊接好电路板，在调试的过程中出现了一些问题，刚开始完成时，买到的LED液晶显示器通电后，只能看见屏幕亮而无法显示字幕。查找原因发现可能是买的显示器不合适，后来在实验室找的一块旧的代替，问题才解决。在这之后，因为调试时的操作不当，致使集成稳压管7805和7905全部烧掉了，最后不得不重新买一些，再次焊接上去。就这样反反复复的调试，浪费了不少的时间。通过此次的课程设计，给了我们很大的启发：一方面，发现自己专业知识方面的欠缺，即使很熟悉的知识点，但在实际使用时还不够灵活,缺乏经验，动手能力也有待提高；另一方面也真实的感受到了团队合作的重要性，想把一个东西搞出来，凭借一个人的能力是很困难的。遇到了问题，大家可以讨论解决，你不会的地方队友可能会，这样就加快了速度，节省了时间，也能互相学习。 七、参考文献1 万福君，潘松峰.单片微机原理系统设计及应用M.合肥：中国科学技术大学出版社，2001.2 马棡，刘圆圆，瞿文龙.一种双向DC/DC变换器的稳态特性分析J.电力电子技术，2007,41（5）：15-18.3 裴云庆，杨旭，王兆安.开关稳压电源的设计和应用M.北京：机械工业出版社，2010.4 沙占友.开关电源优化设计M.北京：中国电力出版社，2002.5 杜少武，陈中.一种新颖的软开关双向DC/DC变换器J.电力电子技术，2007,41（7）：21-23.八、附录8.1电路原理图图13 全局原理图图14电源供电电路图15数模转换电路图16恒流模式电路图17恒压模式电路图18恒阻模式电路图18负载电路82部分程序代码延时void delay1(unsigned int ms)/12.000MHzunsigned int j,k;k=ms*10;for(;k!=0;k-)for(j=0;j168;j+); void delay(unsigned int ms)/12.000MHzunsigned int j,k;k=ms*15;for(;k!=0;k-)for(j=0;j0;us-);12864显示/*/* */*检查LCD忙状态 */*lcd_busy为1时，忙，等待。lcd- busy为0时,闲，可写指令与数据。 */* */*/bit lcd_busy() bit result; LCD_RS = 0; LCD_RW = 1; LCD_EN = 1; delayNOP(); result = (bit)(P2&0x80); LCD_EN = 0; return(result); /*/* */*写指令数据到LCD */*RS=L，RW=L，E=高脉冲，D0-D7=指令码。 */* */*/void lcd_wcmd(uchar cmd) while(lcd_busy(); LCD_RS = 0; LCD_RW = 0; LCD_EN = 0; delay_us(3); P2 = cmd; delayNOP(); LCD_EN = 1; delayNOP(); LCD_EN = 0; /*/* */*写显示数据到LCD */*RS=H，RW=L，E=高脉冲，D0-D7=数据。 */* */*/void lcd_wdat(uchar dat) while(lcd_busy(); LCD_RS = 1; LCD_RW = 0; LCD_EN = 0; P2 = dat; delayNOP(); LCD_EN = 1; delayNOP(); LCD_EN = 0; /*/* */* LCD初始化设定 */* */*/void lcd_init() LCD_PSB = 1; /并口方式 LCD_RST = 0; /液晶复位 delay(5); LCD_RST = 1; delay(5); lcd_wcmd(0x34); /扩充指令操作 delay(5); lcd_wcmd(0x30); /基本指令操作 delay(5); lcd_wcmd(0x0C); /显示开，关光标 delay(5); lcd_wcmd(0x01); /清除LCD的显示内容 delay(5);/*/* */* 设定显示位置 */* */*/void lcd_pos(uchar X,uchar Y) uchar pos; if (X=1) X=0x80; else if (X=2) X=0x90; else if (X=3) X=0x88; else if (X=4) X=0x98; pos = X+Y ; lcd_wcmd(pos); /显示地址/* * 清屏函数 * */void clr_screen() lcd_wcmd(0x34); /扩充指令操作 delay(5); lcd_wcmd(0x30); /基本指令操作 delay(5); lcd_wcmd(0x01); /清屏 delay(5); 主函数uchar code menu_1=U: V I: A;uchar code menu_2=恒压: V 步;uchar code menu_3= 恒流: A 进;uchar code menu_4= 恒阻: ;uchar code menu=0123456789.m -:;void lcd_menu()/开机显示uchar i;lcd_pos(1,0);for(i=0;i16;i+) lcd_wdat(menu_1i); delay(1);lcd_pos(2,0);for(i=0;i16;i+) lcd_wdat(menu_2i); delay(1);lcd_pos(3,0);for(i=0;i16;i+) lcd_wdat(menu_3i); delay(1);lcd_pos(4,0);for(i=0;i=10000)S/=10;out0=menuS%10000/1000;out1=menuS%1000/100;out2=menu10; out3=menuS%100/10;out4=menuS%10; elseout0=menuS%10000/1000;out1=menu10;out2=menuS%1000/100; out3=menuS%100/10;out4=menuS%10; for(i=0;i5;i+) lcd_wdat(outi); delay(1);void lcd_Iin(uint S) /显示输出电流uchar i,out4;out0=menuS%1000/100;out1=menu10;out2=menuS%100/10;out3=menuS%10;lcd_pos(1,5);lcd_wdat(menu14);delay_us(4);for(i=0;i4;i+) lcd_wdat(outi); delay(1);void lcd_Uset(uint S) /显示设置电压uchar i,out5;out0=menuS%10000/1000;out1=menuS%1000/100;out2=menu10;out3=menuS%100/10;out4=menuS%10; /*out0=menuS%10000/1000;out1=menu10;out2=menuS%1000/100;out3=menuS%100/10;out4=menuS%10; */lcd_pos(2,3);lcd_wdat(menu