2014.07.23(简易直流电子负载)

XX 年全国大学生电子设计竞赛 简易直流电子负载 简易直流电子负载 C C 题 题 XX 组组 XX 年年 X 月月 X 日日 摘 要 简易直流电子负载主要由恒流电路 电压电流控制电路 输出过压保护电 路 电源电路和单片机控制与显示系统五部分组成 直流电子负载是以 MOS 管电压转换电流原理为核心 以硬件反馈实现恒流为基础 以单片机控制为中 心的高精度作品 恒流部分的控制端采用运算放大器 LM324 接成闭环反馈控制 形式 并用大功率 MOS 管作为恒流电路调整管 用水泥电阻做采样电阻 具 有良好的调控线性和稳定性 稳压电源部分设置由多个单电源为各部分电路供 电 显示部分采用液晶显示器 能够直观 方便地显示设定电流和实测电流数 据 系统达到了恒流稳定性高的效果 实时显示电压电流 输出电流为 100mA 1000mA 步进为 10mA 直流负载热稳定性高 工作过程中基本不会 因发热而产生偏差 且可以持续很长时间 具有过压保护功能 成本低廉 可 靠性高 关键字 电子负载 恒流电路 电压电流检测电路 过压保护电路 目目 录录 1 设计方案的论证与选择 3 1 1 系统整体方案 3 1 2 各部分方案的论证及选择 4 2 电路原理分析与计算 5 2 1 恒流电路部分 5 2 2 控制电路部分 6 2 3 电源电路部分 7 2 4 过压保护部分 8 2 5 键盘与显示部分电路 9 4 测试方法与测试结果 10 4 1 测试方法 10 4 2 测试条件及仪器 10 4 3 测试结果及分析 11 4 3 1 测试结果 11 4 3 2 测试分析 12 5 设计总结 12 参考文献 13 附录 1 整体电路图 14 附录 2 源程序 15 附录 3 测试数据 15 附录 4 元件清单 16 简易直流电子负载 简易直流电子负载 C 题 题 XX 组组 1 1 设计方案的论证与选择设计方案的论证与选择 1 11 1 系统整体方案系统整体方案 本系统主要由单片机控制模块 电源模块 键盘与显示模块 恒流模块以及过压 保护模块组成 以恒流电路为核心 用键盘对单片机进行控制 再通过单片机内部 D A 输出控制 MOS 管等电路产生恒定电流 当直流稳压电源在一定范围内变化时 流 过本直流电子负载的电流保持恒定 同时该系统设计了过压保护电路 过压阈值为 18V 实现了对恒流电路的有效保护 电路中的功率部分采用了 MOSFET 场效应管 很好地实现了电流调整 电路采用简单的 7805 7812 和 7912 对控制电路供电 电路 相对较简单 不仅成本低 器件易购 而且稳压效果较好 总体来说 整个电路能够 良好的实现其设计功能 直流电子负载电路系统总体框图如图 1 1 所示 图 1 1 直流电子负载系统整体框图 1 21 2 各部分方案的论证及选择各部分方案的论证及选择 1 1 恒流控制部分 恒流控制部分 方案一 采用 UC3843 作为控制核心 本方案采用 TI 公司的 PWM 控制芯片 UC3843 来控制 MOS 管 IFRP460 的开关 从而将提供的 15V 电源电压转换成方波脉冲信号 脉冲频率由 外围电路中控制端电容电阻参数来确定 方案二 采用单片机编程生成脉冲信号 采用 TI 公司的 MSP430G2 单片机编程 通过取反语句 循环语句 并通过对时间的设定可以实现固定频率的方波脉冲的产生 方案三 采用 tl494 作为控制核心 2 2 电源电路部分 电源电路部分 方案一 采用三端固定式的集成稳压器 78XX 系列 此方案用集成稳压器制作电源 的电路相对较简单 不仅成本低 器件易购 而且三端稳压集成块的稳压效果较好 不足的地方是三端稳压集成块输出电流要求不能太大 但该电路中电流值较小 对其 作用并无影响 方案二 采用三端可调式的 LM317 集成稳压器 LM317 作为输出电压可变的集成三 端稳压块 输出电压在 1 25V 37V 范围内连续可调 能够提供超过 1 5A 的电流 线性 调整率为 0 01 负载调整率为 0 1 纹波抑制比为 80dB 是一种使用方便 应用广 泛的集成稳压块 其原理十分简单 达到的稳压精度很高 但电路比较复杂 方案三 利用串联型可调稳压电路提供电源 直流型稳压电源由电源变压器 整 流滤波电路以及稳压电路组成 低噪声 低纹波 有良好的负载调整率 能得到稳定 的直流电压 但是该电路的稳压部分需要的电子器件较多 体积很大 对器件的性能 要求较高 电路结构复杂 效率也很低 仅适用于小功率的场合 由于 STC12C5A60S2 单片机需要 4 5V 5 5V 电压供电 而三端固定式的集成稳压器 输出电压的电压偏差为 5 即在 4 75V 5 25V 之间 而恒流部分 电流检测部分和显 示部分等电路需要 5V 电压供电 综上述分析 对比后采用电路相对简单的方案一 3 3 输出过压保护部分 输出过压保护部分 方案一 通过单片机直接进行电压的检测 直接将待测电压经过 A D 模块处理后 传送给单片机进行检测 方案二 通过运放及相应的电阻组成电压比较器对电压进行相应的处理 将基准 电压加在运放的同相端 当运放输入端电压超过基准电压时 运放输出端控制继电器 自动断开 从而断开外接电源输入端 最终起到过压保护的功能 当运放输入端电压 小于基准电压时 此时外接电源正常接入电子负载 电路正常工作 经过分析 方案一要检测的电压很有可能要高于单片机的最大输入电压 严重时 可能把单片机烧毁 同时 在方案一中其待测的电路所产生的电流将影响测量电压的 结果 而方案二则不然 当电压过大时 可以利用电阻串联的形式构成分压电路 将 电压按一定比例减小 同时利用运算放大器的虚断特性 在很大程度上降低了被测电 路其电流对检测结果的影响 所以采用方案二 2 2 电路原理分析与计算电路原理分析与计算 2 12 1 恒流电路部分恒流电路部分 电路原理图如图 2 1 所示 恒流电路主要由负载电阻 R1 运放 LM324 以及功率 管 Q1 三部分组成 MOS 型晶体管的特点是特别适合于开关状态工作 具有导通电流的 能力 且当 MOS 管导通电压一定时 其通流的能力不变 即流过 MOS 管电流的大小为 固定值 因为它正向导通时的电阻极小 而且开关速度快 由于设计所需电流范围 100mA 1000mA 步进为 10mA 过压阈值为 18V 0 2V 电路中所需的 MOS 管的承受电 压必须大于 18V 通流能力必须大于 1A 而 IRF540MOS 管的漏源电压 VDSS 100V 漏极电 流 ID 28A 满足设计要求 根据闭环同相放大电路的深度负反馈概念 通过反馈电阻 Rf 和负载电阻 R1 构成负反馈电路 控制电压 Vin 通过运放 U1 输出的电压基本保持恒 定 再根据闭环同相放大电路的虚短概念 即 Vp Vn 运放的反相输入端电压将等于控 制电压 即控制 MOS 管之间的栅源电压为定值 从而使流过 Q1 和负载电阻 R1 的电流 的大小保持恒定 即控制恒流源输出电流 当最电流为 1000mA 时 Vo R3 R4 Imax 得到输入运放同相端的电压为 Vi Vo 1 R3 R4 2V 当电流为 100mA 时由上式可得 Vi 0 2V 其他在 100mA 1000mA 之间的电流可通过单片机控制是输入到运放同相端的电 压在 0 2 2V 之间即可达到目的 由于单片机 A D 采样输入电压最大值不超过 5V 而流过负载电阻的电流最大为 1000mA 根据 R U I 得 即 R 小于等于 5 由 P I2 R 得 当 R 5 时 P 5W 因此 R1 5 PR1 5W 均符合要求 鉴于以上考虑 由于条件限制 最终选用了 2 50W 的水泥电阻作为负载电阻 图 2 1 恒流电路原理图 2 22 2 控制电路部分控制电路部分 电路原理图如图 2 2 所示 控制电路部分由 STC12C5A60S2 单片机 DAC0832 数模转 换器 运算放大器 LM324 组成 STC12C5A60S2 单片机是数控电子负载的核心部件 通 过单片机内部 A D 对采样负载电阻端电压 端电流的数据进行采集 处理 通过液晶 显示屏显示数据 DAC0832 数模转换器 将检测到的电压电流模拟信号转化成数字信号 传送给单片机 完成实时的显示和其他控制 电流检测通过图 2 1 中检流电阻 R1 对负 载电流进行检测 将电流信号通过运放 LM324 转换成更加易于检测的电压信号 输出 1 2 U1 LM324 100K Rf Q1 IRF540 2 R1 GND VCC Vin 的电压与输入的控制信号反相 最后通过由运算放大器 LM324 组成的反相器将电压取 反 即与控制信号同相 且幅值不变 图 2 2 控制电路原理图 整流滤波部分电路原理图如图所示 由于接收线圈接收到的信号频率与发射线圈 发射的信号频率相同 仍然为频率较高的脉冲信号 所以需要对接收线圈接收到的脉 冲信号进行整流滤波处理 转变成直流电供给 2 只串联 LED 灯负载使用 电路先将接 收线圈接收到交流脉冲信号经由 4 只 FR207 快恢复二极管搭成的桥式整流电路 得到 脉冲直流电压 再经过 470uF 25V 的电解电容和 0 1uF 的瓷片电容进行滤波处理后最 终得到相对平滑的直流电压 用以供给负载 LED 灯使用 12 Y1 22pF C5 22pF C6 GND 100 F C7 10K R2 5V S1 SW PB A D P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST 9 P3 0 10 P3 1 11 P3 2 12 P3 3 13 P3 4 14 P3 5 15 P3 6 16 P3 7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 NA P4 4 29 ALE 30 EX LVD 31 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 VCC 40 U5 STC12C5A60S2 CS 1 WR1 2 AGND 3 DI3 4 DI2 5 DI1 6 DI0 7 VREF 8 RFB 9 DGND 10 IOUT1 11 IOUT2 12 DI7 13 DI6 14 DI5 15 DI4 16 XFER 17 WR2 18 LE 19 VCC 20 U6 DAC0832 5V 7 6 5 U7 LM324 1 8 9 10 U8 LM324 2 10K R3 10K R4 Vout 电路原理图如图 2 3 所示 由于该系统采用了 STC12C5A60S2 单片机 DAC0832 数 模转换器 LM324 运算放大器等电路部分 需要 5V 12V 的直流电压 因此本设计 额外设计了一个输出电压分别为 12V 5V 的稳压电源 电源电路主要分为变压器部 分 整流部分 滤波部分 以及 78XX 79XX 系列的三端固定式稳压部分 由于要为双 电源运放供电 因此要采用三抽头的变压器从而得到相位相反的两 15V 的交流电源输 入到下一级的整流桥 变压器的输出为 18V 再通过整流管将输出的交流电转换成为 脉动直流电 电路中的 C2 C1 C8 电解电容器就是将脉动直流中的交流成分滤除 从 而输出的电压随着交流输入端和负载输出端的变化而变化 因此 采用 78XX 系列集成 稳压器构成的稳压电路 经过稳压芯片稳压后 输出的基本为稳定直流 能够满足设 计电路的供电要求 通过 7812 输出电压为 12V 通过 7912 输出电压为 12V 通过 7805 输出电压为 5V 电路中 C10 C11 C13 的作用为消除输入端引线的电感效应 防止集成稳压器自己振荡 还可以抑制输入侧的高频脉冲干扰 一般选择 0 1 1uF 的 陶瓷电容器 输出端电容器 C14 C15 C12 为高频去耦电容器用于消除高频噪声 一 般选择 0 1 2 2uF 的陶瓷电容器 输出端电容器 C4 C3 C12 用于改善稳压电路输出 端的负载瞬态响应 根据负载的变化情况 一般选用 100 1000uF 的电解电容器 D9 D10 D11 是保护二极管 用来防止在输出端电压高于输入端电压时 电流逆向通 过稳压器而损坏器件 该电源内阻小 线性度好 电压稳定 噪音极低 输出波纹小 D1 1N4007 D2 1N4007 D3 1N4007 D4 1N4007 100uF C4 100uF C3 2200uF C2 2200uF C1 12V 12V AC AC 1 2 3 LM7812 U3 1 2 3 LM7912 U4 1uF C13 1uF C10 2 2uF C15 2 2uF C14 D14 D15 图 2 3 电源电路图 2 42 4 过压保护部分过压保护部分 为了达到要求 作品要具有过压保护功能 过压阈值电压为 18V 0 2V 因此 系 统过压保护电路采用 LM324 芯片实现 用 LM324 稳压管提供 2 5V 基准电压 将其加在 运放的同相端 当输入端电压超过 2 5V 时 输出端电路将自动断开 当输入端电压小 于 2 5V 时 此时输出端电路正常工作 根据电路中阻值可计算出运放的输入端电压一 般将达到 2 3V 保证电路正常工作 如图 2 5 所示 当输入电压高于 18V 时 过压保护电路可自动中断高输入电压 以保护电流源部分 由于输入电压最大可达到18V 不能直接进行采样检测 需要 先将输入电压进行衰减降压 再通过A D 通道进行采用检测 同时使用比较器来 控制高输入电压的中断 本设计利用1M4 和 150K 的电阻 R3 R4 串联对其进 行分压衰减 输入电压 Vi 最大值为 18V 故过压保护电路的比较器的基准电压 VREF为 Vi RR R VREF 21 2 代入数值即 V 150 150 1000 18V 2 35V 电路图如图 2 4 所示 1 2 3 7805 U9 2200uF C8 100uF C9 D6 1N4007 D5 1N4007 D8 1N4007 D7 1N4007 AC AC 5V 2 2uF C12 1uF C11 D17 图 2 4 过压保护电路图 2 52 5 键盘与显示部分电路键盘与显示部分电路 本系统设计的键盘部分为独立式键盘 就是各按键相互独立 每个按键各接一根 I O 口线 每根 I O 口线上的按键都不会影响其它的 I O 口线 当按键按下时 相当于 触发相应的信号 通过单片机控制来实现按键需实现对的功能 本系统通过电路进行 按键输入 电子负载系统中按键需要实现的功能有 预置数据按键 分为两个按键 上置按键和下置按键 当启动键启动后 默认值为 100mA 调节范围只限制在默认值 基础之上 可通过上 下置键来调节我们所需电流的大小 最小时为默认值 100mA 最大值可调节至 1000mA 键盘部分则将按键直接接在 I O 口上 编程简单 应用方便 且在没有键按下时根本没有任何功耗 本系统设计的显示部分采用液晶显示屏作为系统操作信息的输出窗口 液晶显示 屏 微功耗 尺寸小 超薄轻巧 显示信息量大 可以显示任意字符 图形 曲线等 同时字迹美观 视觉舒适 增加了显示的美观性与直观性 最重要的是提供了友好的 人机界面 而且容易控制 自带的显示驱动电路用串行口与单片机直接连接 将液晶 显示模块接口与单片机系统中的某个并行 I O 接口连接 计算机通过对该 I O 接口的操 作间接的实现对模块的控制 12 13 14 U10 LM324 1M R3 150K R4 10K R5 10K R6 Rp 100k 23 1 U11 TL431 12V GND 470 R7 Q2 s8050 12 GND U12 Relay SPDT VCC 4 4 测试方法与测试结果测试方法与测试结果 4 14 1 测试方法测试方法 将直流稳压电源连接电子负载 通过键盘设置恒流模式 以及设置恒定值 稳压 电源提供不同的端电压 首先测试系统工作电流的准确性 其次测试负载电流随负载电 压变化的稳定性 观察电流变化 调节负载设定不同工作电流 与实测电流和显示电 流进行比较 图 4 1 测试方法 显示器与单片机的连接说明 STC12C5A60S2 单片机 P1 端口的 0 引脚 1 引脚和 2 引脚分别 12864LCD 显示屏 的片选口 数据口和时钟口 3 引脚 4 引脚和 5 引脚分别 3 个按键 6 引脚和 7 引脚 分别接电压和电流的测试端 P2 端口的 0 引脚至 7 引脚接入 DA 转换芯片 4 24 2 测试条件及仪器测试条件及仪器 测试条件 温度 常温 25 电压 0V 12V 频率 1kHz 测试前需要进行检查多次 仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同 并 且检查无误 硬件电路保证无虚焊 测试仪器及设备如表 4 4 所示 表 4 4 测试使用的仪器设备 序号仪器型号数量精度 1 数字万用表 VICTOR 89B1 3 位半 2 直流稳压电源 QJ 3003S 1 3 位半 3 数字万用表 DY21051 3 位半 4 34 3 测试结果及分析测试结果及分析 4 3 14 3 1 测试结果测试结果 电流准确性测试结果如表 1 所示 恒流效果测试如表 2 所示 表 1 电流准确性测试 输入电压 V 设定电流 mA 显示电流 mA 实测电流显示电压 V 电流相对 误差 电压相对 误差 100 5006 1000 100 50015 1000 表 2 恒流效果测试 设定电流 mA输入电压 V显示电压 V实测电流 mA电压相对误 差 电流相对误 差 2 5100 15 2 5300 15 2 500 5 15 2 5 700 15 2 5 1000 15 4 3 24 3 2 测试分析测试分析 由表 1 表 2 测试结果可见 基本要求以及部分发挥部分达到所需指标 1 系统负载电流的准确性较高 电流设置范围为 100mA 100mA 分辨为 10mA 且 精度为 1 2 在恒流工作模式下 当电子负载两端电压变化 10V 时 输出电流变化的绝对值小 于变化前电流值的 1 3 具有过压保护功能 过压阈值电压为 18 1 2V 4 能实时测量并数字显示电子负载两端的电压 电压测量精度为 0 1 0 1 FS 分辨力为 1mV 5 能实时测量并数字显示流过电子负载的电流 电流测量精度为 0 1 0 1 FS 分辨力为 1mA 综上可见 系统负载电流的准确性较高 并且在电流较大时 相对误差会更小 当电流设定之后 输入电压的改变对负载电流影响十分微弱 可以完全忽略其影响 因此 本次直流电子负载可以实现 负载上的电流可以步进控制 且输入电压在控制 范围内变化时 电子负载上的电流不会发生变化 达到电子负载的精度和稳定度 根据上述测试数据 可知测试的数值与理论数据存在一定的误差其主要原因在于 到电阻精度不够 但是在误差允许范围内 该系统基本能够达到所需的要求 经分析 我们得出以下改进方案 1 可通过采用精度更高的电阻代替取样电阻提高该设计的精度 如选用金属膜电 阻 2 通过提高 A D D A 的精度 来提高整体电路的性能 5 5 设计总结设计总结 此电子负载能很好的代替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 整流器等电子设备进行输出特性 的测试 设计采用 LM324 运放作为最小系统的控制核心 实现了恒流作用 通过测试 系 统不但完成了基本要求 也基本达到发挥部分的要求 经过几天的努力实践 不断的 测试 不断的改进电路和程序 我们最终圆满完成了设计任务 在设计过程中 我们 不仅仅使自身水平得到了检验 更重要的是学到很多课本上没有的知识 使自己得到 了进