电设设计报告：直流电子负载F05

1 序号 F05 第四届电子设计竞赛设计报告第四届电子设计竞赛设计报告 参赛题目 直流电子负载 队长名称 甘俊杰 2011 年 6 月 1 日 2 题目名称 直流电子负载题目名称 直流电子负载 广东工业大学信息工程学院参赛队员 甘俊杰 张润文 陈新磊 摘要 摘要 随着电力电子技术的 计算机技术和自动控制技术的迅速发展 为电源检测技术带来了革命性的变化 由于铁道电气化供电 电气牵引 信号 控制 无线通信 计算机指挥调度中心及家庭日常生活等应用领域都在大量应 用各种各样的电源 因此人们对电子负载的需求越来越多 对其性能要求也越 来越高 而传统的电源检测技术面临着极大的挑战 为准确检测电源的可靠性 和带载能力 因此把电力电子技术和微机控制技术有机地结合起来 实现电源 的可靠检测 本系统主要以 AT89S52 单片机为控制核心 设计恒流方式的电子负载 包 括控制电路 MCU 主电路 采样电路 显示电路等 能够检测被测电源的电流 值 电压值 各个参数都能直观的在液晶上显示 关键词 关键词 电子负载 单片机 MCU 模数 A D Abstract With the power electronics technology computer technology and the rapid development of automatic control technology for power detection technology brings revolutionary change As the railway electrification power supply electric traction signal control wireless communication computer and family life control center applications such as a large number of applications in a variety of power supply so people need more and more electronic load on performance requirements are also increasing The traditional power detection is facing a great challenge For the accurate detection of power supply reliability and load capacity so the power electronics technology and computer control technology combined organically to achieve reliable detection of power supply System mainly AT89S52microcontroller to control the core design constant current mode of electronic load that is no matter how the change in voltage current through the electronic load current constant and the current value can be set Including the control circuit MCU the main circuit sampling circuit display circuit communication circuit the keyboard scanning circuit Key Words E LOAD SingleChip MCU Analog to Digital Convertor Digital to Analog Convertor 3 目录目录 1 前言 前言 4 2 总体方案设计 包括方案比较 方案论证 方案选择总体方案设计 包括方案比较 方案论证 方案选择 4 2 1 参数设计方案参数设计方案 5 2 2 恒流恒压设计方案恒流恒压设计方案 5 2 3 功率控制方案选择功率控制方案选择 7 2 4 显示方案选择显示方案选择 7 3 单元模块设计单元模块设计 8 3 1 LM7805 集成稳压器模块集成稳压器模块 8 3 2 A D 转换器接口转换器接口 ADC0809 模块模块 8 3 3 总体电路介绍总体电路介绍 9 3 4 典型器件介绍典型器件介绍 9 4 系统调试系统调试 13 4 1 软件系统调试软件系统调试 13 4 2 硬件系统调试硬件系统调试 14 5 系统功能系统功能 15 5 1 系统能实现的功能系统能实现的功能 15 5 2 系统指标参数测试系统指标参数测试 16 5 3 系统功能及指标参数分析系统功能及指标参数分析 16 6 设计总结设计总结 17 6 1 对设计的小结对设计的小结 17 6 2 设计收获体会 设计收获体会 17 6 3 对设计的进一步完善的建议 对设计的进一步完善的建议 17 7 参考文献参考文献 17 8 附录附录 18 8 1 主要元器件明细表主要元器件明细表 18 8 2 仪器设备清单仪器设备清单 18 8 3 电路图图纸电路图图纸 18 8 4 程序清单程序清单 21 4 1 前言 前言 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 电子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 2 总体方案设计 包括方案比较 方案论证 方案选择总体方案设计 包括方案比较 方案论证 方案选择 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 00V 20 0V 3 电流设置及读出范围 100mA 2 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 用液晶显示同时呈现即时电压电流 原理图如下所示 显 示 按键输入 单单 片片 机机 A D 转 换 PWM 控制 电流检测 电压检测 功率控制 2 12 1 参数设计方案参数设计方案 5 方案一方案一 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 22 2 恒流恒压设计方案恒流恒压设计方案 方案一 方案一 1 定电流模式 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 VREF 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 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 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 6 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 3 定电压模式 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 10V 方案二 方案二 7 基本电路为除虚线框 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功率控制方案选择功率控制方案选择 方案一方案一 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 经比较 故选方案二 进行实验设计 2 4显示方案选择显示方案选择 方案一方案一 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LCD1602 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 3 3 单元模块设计单元模块设计 8 3 13 1 LM7805LM7805 集成稳压器模块集成稳压器模块 LMLM 78057805 系列为三端稳压集成电路系列为三端稳压集成电路 TO 220 TO 220 封装 能提供多种固定的输出电压 应用范围封装 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 1A1A 虽然是固定稳压电 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 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 3 23 2 A DA D 转换器接口转换器接口 ADC0809ADC0809 模块模块 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 图 3 3 ADC0809 引脚图 2 ADC0809 与 AT89S51 接口设计如图所示 9 3 33 3 总体电路介绍总体电路介绍 直流电子负载最基本的工作模式是定电流模式和定电压模式 3 43 4 典型器件介绍典型器件介绍 10 3 41MOSFET 场效管 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 MOS 型场效应管的输出特性曲线 MOS 型场效应管的输出特性曲线如图所示 其内部结构如图所示 图 2 15 MOS 型场效管输出特性曲线 图 2 16 MOS 场效管内部结构 2 MOS 型场效应管的选型 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 决定选用场效管 IRFP540 MOSFET 场效管 IRFP540 参数 漏极 源极击穿电压 Vdss 250V 静态导通电阻 Rds on 0 14 漏源连续导通电流 Id 23A 3 4 23 4 2 集成运放集成运放 在本设计中 电流信号的检测放大部分 单片机控制功率信号输出部分 以及场效应 管驱动信号部分 均应用集成运放芯片进行信号的放大及处理 以下对应用到的运放功能 作进一步介绍 1集成运放基本反相放大电路应用 11 图 2 17 集成运放基本反相放大电路 图 2 17 为运放基本反相放大电路 图中 R1 为输入隔离电阻 Rf 为负反馈电阻 Rp 为平衡电阻 Rp R1 Rf Rw 为调零电位器 电路的闭环放大倍数为 Avf Rf R1 代入电阻数值 电路的 Avf 值为 100 负号表 示输出电压与输入电压相位相反 电路的输入电阻为 R1 若要保证电路放大倍数足够大 则 Rf 值势必要相应的增大 这将使电路的精度下降 漂移增大 所以基本反相放大器只适用于输入阻抗要求不高的场 合 基本反相放大电路的调整方法 先将输入端接地 细心调整 Rw 调零电位器 使输出电压为零 为减少输入基极电 流造成的误差 应使平衡电阻 Rp 等于 R1 和 Rf 的并联 在实际调整中 应根据实测结果对 Rf 值进行适当调整 以满足所需增益的要求 集成运放基本同相放大电路应用 图 2 18 运放基本同相放大电路 12 图 2 18 为运放基本同相放大电路 同相放大电路闭环放大倍数计算公式为 Avf 1 R3 R2 由公式可见 选用系列电阻时 闭环放大倍数不容易为整数 电路的调整方法和注意事项 将输入端接地 调整调零电位器 R4 使输出电压为零 同相放大器将引入等于输入信号的共模电压 这将对运放的输入共模电压范围提出较高的 要求 也就是说 同相放大器的输入信号不得超过运放的输入共模电压范围 在作为跟随器使用时 跟随精度与共模抑制比直接有关 13 4 系统调试系统调试 主控芯片为AT89S52 晶振为12M 由于处理器速度满足全部功能的实现 故用通俗明 了的C语言编写源程序 系统的软硬件安装 设计完成后 逐一调试 改变检测端的电压电流值 达到主控芯 片与ADC0809芯片的最佳配合 然后调试单片机检测的各个功能 AD转换 液晶显示 转换 精度等 本设计的重点在硬件的设计与调试 4 1 软件系统调试软件系统调试 软件调试是在 Keil uVision4 下进行 源程序编译及仿真调试采用分段或以子程序为 单位逐个进行 最后结合硬件实时调试 具体程序如下 主程序 开始 AD 采集与 转换 系统初始化 数据处理 向液晶写数据 显示 液晶显示子程序 14 液晶初始化 调用液晶显示程序 写数据 写地址 AD 采集与转换子程序 开始采集 选择 通道号 i i 3 ADC0809 初始化 延时 以等待完成转换 存储转换出的数字量 准备转换下一通道 4 2 硬件系统调试硬件系统调试 硬件调试时 可先检查万用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 3 5 5V 及一定的限流即可得到满意的效果 模拟电路模块的调试 主要考虑功率问题 模拟电路模块的调试 主要考虑功率问题 模拟电路模块的调试是硬件系统调试的重点 关键在于确定合适的元件 使电路各个 部分工作正常 且在整体工作时不会出现各级电路间的干扰 直流电子负载模拟电路元件 的确定上 首先需要考虑电路的功率问题 因为电子负载测量的是电源 如果负载电路中 15 功率过大 主要由电流过大引起 不仅会烧掉电路中的电阻和场效应管 而且也会超出被 测电源的额定功率 使被测电源的输出值不稳定 甚至跳零 因此在元件的选择上 应选 择不易烧掉的功率元件 然后再调节负载端的电阻阻值 使整个电路的电流处于一个合适 的范围 总体电路图 硬件设计需要考虑下列几点 1 系统的扩充与外围装置 应充分满足应用系统的要求 并留一些扩充槽 以便进行 二次开发 2 硬件结构应结合应用软件一并考虑 软件有执行的功能尽可能由软件来执行 以简 化硬件结构 但是必须注意 由软件执行硬件的功能 其响应时间比直接使用硬件要长 且占用 CPU 时间 3 可靠性及抗干扰设计及其重要的部分 包括器件选择 电路板布线 通道隔离等 4 单片机微处理器外接电路较多时 必须考虑其驱动能力 驱动能力不足时 系统工 作不可靠 解决办法是增加驱动能力 或减少 IC 功耗 16 5 没有使用到的端口引脚 尤其是 P0 口 应接到一个固定逻辑电位上 0 或 1 以 免受到外界静电干扰 导致 CPU 运行失常而产生 死机 6 IC 的 VCC 与 GND 之间一般接 0 01uF 0 1uF 的积层电容 以使电源电压波的波 纹及杂散信号有所旁路 不致影响该 IC 的正常运行 同时也可抵消电路的电感性 使整个 电路具有较佳的稳定性 5 系统功能系统功能 5 1系统能实现的功能系统能实现的功能 基本功能 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 00 V 20 0 V 3 电流设置及读出范围 100 mA 1 5A 4 显示分辨力及误差 具有三位半数显 相对误差小于 5 发挥功能 1 增加恒阻 CR 模式 5 2系统指标参数测试系统指标参数测试 通过外接可调电源分别调节恒流源和恒压源两种模式 并观察两种模式下液晶显示的 电压电流情况 并对显示的电压电流进行比较 恒压模式下系统指标参数表 恒压模式下系统指标参数表 模式液晶显示负载端 电压 设定值 液晶显示 负载端电流 输入电压 被测电源 2 00V0 22A5 62V 2 00V 0 74A15 62V 10 0V 0 05A11 13V 10 0V 0 60A21 13V 18 0V 0 02A19 00V 恒压 18 0V 0 20A22 00V 由上表可以看出 只要在设定端给定了一个稳压值 无论输入电压如何变化 负载端 电压总是恒等于给定的稳压值 流入电子负载的电流随被测直流电源的电压 输入电压 变化而变化 恒流模式下系统指标参数表 恒流模式下系统指标参数表 模式液晶显示负载端 电流 设定值 液晶显示 负载端电压 输入电压 被测电源 0 10A5 27V5 62V 0 10A15 06V15 62V 0 80A9 16V11 13V 0 80A18 95V21 13V 恒流 1 50A15 36V19 00V 17 1 50A18 29V22 00V 由上表可以看出 只要在设定端给定了一个恒流值 无论输入电压如何变化 负载端 电流总是恒等于给定的恒流值 流入电子负载的电压随被测直流电源的电压 输入电压 变化而变化 5 3系统功能及指标参数分析系统功能及指标参数分析 由以上两个参数表可得 恒压模式下系统基本满足恒压范围 1 00 V 20 0 V 的设计要 求 恒流模式下系统只能满足 0 1A 1 5A 的恒流范围 恒流范围不够大的原因是 流过 场效应管的电流需要控制在一定范围 否则会因电流过大而烧掉场效应管 解决的方法是 选用功率更大的绝缘型栅极晶体管 IGBT 代替场效应管 可惜由于市面上很难买到 IGBT 且由于时间仓促 本次设计选择采用场效应管 6 设计总结设计总结 6 1 对设计的小结对设计的小结 设计的基于AT89S52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 各个参数都能直观的在液晶上显示 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 整流器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 6 2设计收获体会 设计收获体会 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 再到现在的实物的软硬件调试 每一步都充满了未知与挑战 在一步 步完成设计的过程中 不仅使自己的知识结构得以综合 而且培养了创新与严谨的科学精 神 在完成作品的过程中 也由于经验不足犯了许多错误 比如 软件设计时程序没有正 确的备份 以至于交作品前第4天重新下载修改过的程序后LED屏不显示 找最后一次备 份的程序时却没有找到 后来只能是从第3天较原始的程序重新编写 定期备份程序 养成 良好的编程习惯至关重要 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 在很多低级的错漏和失误的地方 望通过进一步学习 能在不久的将来更上一层楼 6 3 对设计的进一步完善的建议 对设计的进一步完善的建议 1 选材方面 本设计应把功率问题放在第一位 负载端的功率控制型器件及电阻应 选用功率较大的 如功率控制型器件选用IGBT 18 2 操作性方面 在单片机控制部分 还可以做得更智能化 比如通过使用矩阵键盘 选择不同的工作模式 工作参数 且在液晶上显示出来 3 整体结构方面 设计前应考虑作品完成后的整体结构 布局上还可以更美观实用 4 工作性能方面 设计中还可以加上过流保护电路 保证电路工作的安全性 使不 同型号的集成运算放大器和功率控制型器件的配合达到最佳 从而使系统的快速性更好 7 参考文献参考文献 1 电子技术基础模拟部分 第五版 康华光主著 北京 高等教育出版社 2006年1月 2 电子技术基础数字部分 第五版 康华光主著 北京 高等教育出版社 2006年1月 3 单片机原理与接口技术 肖金球编著 北京 清华大学出版社 2004年12月 4 单片机原理及应用 实验指导书 汤秀春 吴黎明 邓耀华 王桂棠著 广 州 广东工业大学信息工程学院 2010年3月 5 传感器原理及应用 张洪润等编著 北京 清华大学出版社 2008年7月 8 附录附录 8 1主要元器件明细表主要元器件明细表 编号名称型号数量 1 51单片机 AT89S521 2 AD转换芯片 ADC08091 3 功率场效应管 IRF5403 4 运算放大器 NE55323 5 液晶屏 LCD16021 6 功率电阻0 6 1 10 各3 7 电阻1k 9k 100 k 4 8 电位器 90131 9 稳压管 LM78052 10 排阻 10K1 8 2仪器设备清单仪器设备清单 编号名称型号 备注数量 19 1 万用表科赛尔DT9205A 1 2 电烙铁内热式 1 3 吸锡器 1 4 焊锡焊锡量50 2卷 5 松香1盒 6 剪钳 1 7 镊子 1 8 DC12V电源 1 8 3电路图图纸电路图图纸 8 3 18 3 1 控制部分控制部分 20 8 3 28 3 2 模拟部分模拟部分 21 8 4程序清单程序清单 22 预处理 include reg52 h define uchar unsigned char define uint unsigned int sbit ST P3 3 sbit OE P3 5 sbit EOC P3 4 sbit CLK P3 6 sbit rs P3 1 sbit en P3 2 sbit ws P3 0 uchar m I uchar ADgetdata 3 用来存储 AD 4 个通道转换出的数字量 uint AD temp 3 uchar ZEN2 3 ZEN 3 XIAOSHU 3 XIAOSHU2 3 保存 AD 转换后数据的各个权重位 uchar code td 0 x00 0 x10 0 x20 A B C 分别接 P1 4 P1 5 P1 6 三个引脚 选通 IN0 1 2 延时函数 void delay ad uint a uint b for a 0 a for b 150 b 0 b CLK 定时器初始化 void InitDac0809 TMOD 0 x02 模式 2 TH0 254 TL0 254 TR0 1 开定时器 ET0 1 允许 定时器 EA 1 开总定时器 1602 液晶显示 23 void delay yejin uint z 延时函数 uint x y for x z x 0 x for y 110 y 0 y void write com uchar com 写地址 rs 0 en 0 P0 com delay yejin 5 en 1 delay yejin 5 en 0 void write date uchar date 写数据 rs 1 en 0 P0 date delay yejin 5 en 1 delay yejin 5 en 0 void init yejin 液晶初始化 ws 0 en 0 write com 0 x38 write com 0 x0c write com 0 x06 write com 0 x01 write com 0 x80 write date V write date 1 write date T0 中断服务程序 void Timer0 interrupt 1 24 CLK CLK AD 转换函数 void startadc uchar i m 0 重新定义了参量 m 全局变量 m 不可见 for i 0 i 3 i P1 td i 选择