直流电子负载的设计与制作毕业设计

编号：毕业设计阐明书题目：直流电子负载的设计与制作题目类型：理论研究试验研究工程设计√工程技术研究软件开发5月10日摘要伴随电力电子技术的、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平常生活等应用领域都在大量应用多种各样的电源，因此人们对电子负载的需求越来越多，对其性能规定也越来越高。而老式的电源检测技术面临着极大的挑战。为精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。本系统重要以AT89S51单片机为控制关键。设计直流方式的电子负载，即在定电流工作模式时，电子负载所流入的负载电流根据所设定的电流值而保持恒定，与输入电压大小无关,即电流值可设定。包括控制电路(MCU)、键盘输入、D/A转换电路、电子负载主电路、A/D转化电路、液晶显示电路、串行通信电路等；可以检测被测电源的电压值,电压值能直观的在液晶模块和通过串行通信在电脑上显示，设定的电流值可以在液晶模块上显示。关键词：电子负载；单片机（MCU）；数模（D/A）；模数（D/A）；串行通信；液晶显示AbstractAstherapiddevelopmentofthepowerelectronicstechnology,computertechnologyandautomaticcontroltechnology,ithasbroughtrevolutionarychangesforthepowerdetectiontechnology.BythereasonoftheRailwayelectrificationpowersupply,electrictraction,wirelesscommunication,computerdispatchCenterandfamilydailylifehavesignificantapplicationsinavarietyofpowersupply.Sotheapplicationsoftheelectronicloadhavebecomemoreandmoreimportantinpeopledailylife.Andrequirementsofelectronicloadperformancealsobecomehigherandhigher.sothatthetraditionalpowertesttechnologyfacesgreatchallenges.Inordertoaccuratedetectionofpowerreliabilityandloadcapacity,forthisreasonpeopleorganicallycombinethepowerelectronicsandmicrocomputercontroltechnology,achievereliabledetectionofthepowersupply.AT89S51microcontrolleristhemainlycontrolcoreofthissystem.DesignwayofelectronicloadsofDC.Whenthemodeisthatthecurrentisconstant.ElectronicloadcurrentvalueflowsintotheElectronicloadaccordingtosetandmaintainaconstant.Ithasnothingtodowiththeinputvoltagevalue，Namelycurrentcanbeset.IncludingMicroControlUnit(MCU),keyboardinput,digitaltoanalog(D/A)conversioncircuit,Electronicloadmaincircuit,analogtodigital(A/D)conversioncircuit,liquidcrystaldisplay(LCD)circuit,Serialinterfacecommunication.ThesystemcandetectthevoltageoftheBattery.ThevoltagevaluecanbeintuitivelydisplayedinLCDmoduleandthroughserialcommunicationonthecomputer.ThecurrentvaluecanbedisplayedontheLCDmodule.KeyWords:Electronicload,MicroControlUnit(MCU),KeyboardInput,DigitaltoAnalog(D/A),AnalogtoDigital(A/D)，SerialCommunication,LiquidCrystalDisplay目录引言 11 课题分析和方案的选择 11.1课题设计的规定与目的分析 11.2直流电子负载的设计方案与论证 21.3方案的比较与选择 42硬件设计 42.1总体方案设计 42.1.1基于AT89S51单片机的控制系统 42.1.2单片机中断电路 62.1.3复位电路 62.2基于DAC0832的数模转换模块 72.3基于NE5532的集成运算放大器模块 82.4电子负载主电路 92.4.1电子负载反馈电路 92.4.2功率MOS管电路 92.5数据采集系统设计 112.6串口通信电路 122.7液晶显示模块 142.8稳压电源电路 153软件设计 173.1软件设计分析 173.2软件的设计关键 173.3程序流程图 184系统调试 194.1系统模块调试分析 194.2数据记录 204.3误差分析与计算 215结论 23谢辞 25参照文献 26附录 27附录一系统原理图 27附录二系统PCB图 28附录三电路板 29引言在电子技术应用领域,常常要对开关电源、线性电源、UPS电源、变压器、整流器、电池、充电器等电子设备进行测试，怎样对其输出特性进行可靠、全面且比较简朴、快捷的测试，一直是仪表测试行业研究的问题。老式的测试措施中一般都采用电阻、滑线变阻器、电阻箱等充当测试负载，但这些负载不能满足我们对负载多方面的规定，如：恒定电流的负载；带输出接口的负载；随意调整的负载、恒功率的负载、动态负载；多输出端口的负载等。目前有一种新型多功能的电子负载，可据实际应用中对负载特性的规定进行设置，满足了我们对负载的多种规定，处理了开发研制测试中的困难。电子负载即电子负荷。但凡可以消耗能量的器件,可以广泛地称为负载。电子负载能消耗电能，使之转化成热能或其他形式的能量。静态的电子负载可以是电阻性(如功率电阻、滑线变阻器等)、电感性、电容性。但实际应用中，负载形式就较为复杂，如动态负载，消耗功率是时间函数，或电流、电压是动态的，也也许是恒定电流、恒定电阻、恒定电压，不一样峰值系数(交流状况下)，不一样功率因数或瞬时短路等。电子负载就是在实际应用中负载比较复杂的状况下而设计生产的测试设备。它能替代老式的负载，如电阻箱、滑线变阻器、电阻线、电感、电容等。尤其对吸取恒定电流或以恒定电压吸取电流，或电压电流都要在设定范围突变等老式措施不能处理的领域里，更显示出优越性能。课题分析和方案的选择对一种设计课题，首先要进行的是对课题规定进行理解并分析，然后就是根据规定提出合理的方案，最终是方案的设计、分析以及确定。1.1课题设计的规定与目的分析本课题规定对直流电子负载的原理和措施进行研究，理解恒流、恒压、恒阻电子负载的原理，学习和掌握经典的直流电子负载电路的设计原理和措施。在此基础上，以MCS-51系列单片机为关键微控制器，运用和改善既有的直流电子负载电路，并配合对应的外围电子电路，设计和制作一种能长期稳定工作、适合6V铅酸蓄电池放电使用的直流电子负载样机。课题的预期成果，是以单片机为控制关键，制作一种能长期稳定工作、适合6V铅酸蓄电池放电使用的直流电子负载，实现下列基本规定：1、直流电子负载电源输入电压为220V/50Hz。2、直流电子负载具有简朴的显示和键盘输入功能，便于输入放电的电流值。3、放电电流范围为1~5A，设置步进值为0.1A。4、实时监测并显示蓄电池端电压，提供将实时数据上传到PC机的功能。 根据设计系统所要完毕的目的，在分析整个系统构成的基础上，确定设计以单片机作为系统的关键控制器件，实现键盘输入、显示、电子负载电流的设定、串口通信的功能。1.2直流电子负载的设计方案与论证直流电子负载可以具有恒定电流、恒定电阻、恒定电压、动态负载及短路负载等工作方式。方案一：定电流模式（CCmode）在定电流工作模式时，电子负载所流入的负载电流根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。图1.1是电子负载与被测电源的连接图和外特性图。在定电流模式中，在额定使用环境下，不管输入电压大小怎样变化，电子负载将根据设定值来吸取电流。若被测电压在5～10V变化，设定电流为100mA，则当调整被测电压值时，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状况下可以提供稳定的输出电压的能力，是电源输出电压偏差率的比例。图1.1电子负载的恒定电流工作方式图1.2电子负载恒定电流工作方式原理图如图1.2，这个图是一种最常用的恒流电路，这样的电路更轻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：当给定一种信号时VREF，假如R3上的电压不不小于VREF，也就是OP07的-IN不不小于+IN，OP07加输出大，使MOS加大导通使R3的电流加大。假如R3上的电压不小于VREF时，-IN不小于+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，变化VREF可变化恒流值，VREF可用电位调整输入或用DAC芯片由MCU控制输入，采用电位器可手动调整输出电流。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，到达恒阻功能的目的，例如要恒定电阻为10欧时，MCU检测到输入电压为20V，那么会控制输出电流为2A，但这种措施响应较慢，只合用于输入变化较慢，且规定不高的场所。专业的恒阻电子负载都是由硬件实现的。方案二：定电阻模式（CRmode）在定电阻工作模式时，电子负载所流入的负载电流根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。此种状态下，负载如纯电阻，吸取与电压成线性正比的电流。此方式合用于测试电压源，电流源的启动与限流特性。图1.3为恒阻方式连接图和外特性图，在定电阻模式中，电子负载将吸取与输入电压成线性的负载电流。若负载设定为1KΩ，当输入电压在1～10V变化时，电流变化则为10～100mA(图1.3)。图1.3电子负载的恒定电阻工作方式图图1.4电子负载恒定电阻工作方式原理图如图1.4，恒阻功能原理图，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，到达恒阻功能的目的，例如要恒定电阻为10欧时，MCU检测到输入电压为20V，那么会控制输出电流为2A，但这种措施响应较慢，只合用于输入变化较慢，且规定不高的场所。专业的恒阻电子负载都是由硬件实现的。方案三：定电压模式（CVmode）在定电压工作模式时，电子负载所流入的负载电流根据所设定的负载电压而定，此时负载电流将会增长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1.5为电子负载与被测电源连接图和外特性图。在此方式下电子负载将吸取足够的电流来控制电压到达设计值。定电压模式能被使用于测试电源的限流特性。此外，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。图1.5电子负载的恒定电压工作方式图1.6电子负载恒定电压工作方式原理图如图1.6，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。1.3方案的比较与选择定电阻方式电路负载，电压电流不轻易控制，电阻的设定比较困难。而定电压方式并不能完全满足本系统设计的有关的规定。根据设计规定，需要设定的是流过电子负载的电流值保持不变，设定的范围是1A~5A，步进值为0.1A，因此选择定电流方式，这样的方式更轻易获得稳定及精确的电流值，况且在复杂程度上，定电流方式轻易理解，轻易实现，电路也简朴，在性能上恰好满足规定，因此在本设计中使用定电流方式。2硬件设计2.1总体方案设计直流模块用一种基准电压5V，用D/A转换芯片把数字号转换为模拟信号，通过电子负载定电流方式实现电流可设定，用A/D转换器把电路中蓄电池的端电压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，用液晶显示即时电压和设定的电流，通过串口通信显示蓄电池的端电压。框图如图2.1所示图2.1电子负载系统工作原理框图2.1.1基于AT89S51单片机的控制系统AT89S51作为整个电子负载的控制关键，其具有强大的功能，是整个系统的控制中枢，控制着键盘输入，作为数模转换模块的输入端，为DAC0832提供控制信号，同步还提供模数转换的信号输入接口和串行通信的接口，其连接如图2.2所示图2.2单片机最小系统及其连接图单片机AT89S51有四个并行I/O口，分别命名为P0、P1、P2、P3，它们是特殊功能寄存器中的4个。每个I/0口既可以用做输入，也可以用做输出。每一种I/O线也可以独立地用做输入或者输出。作为输出时可以锁存，作为输入是数据可以缓冲，P0在不作为系统扩展时，可以作为一般的I/O口使用，但需要外接上拉电阻来驱动MOS输入，本系统中P0口作为AT89S51单片机给液晶显示芯片1602A-1提供数据传播的接口，控制电子负载的实时电压电流数据，在使用P0口作为输出口使用的时候需要注意，其输出级作为开漏电路，必须外接上拉电阻才有高电平输出。P1口作为专供顾客使用的I/O口，P1口作为AT89S51单片机给DAC0832数模转换芯片传入数据的输入口，通过单片机程序控制DAC80832的电压的输出。P1中的P1.5（MOSI）、P1.6（MISO）、P1.7（SCK）作为单片机程序的下载口，通过外部串口烧入指令，控制单片机的正常工作。P2口在电路中作为模数转化芯片TLC549给单片机输入数据的接口，使用到P2口中的P2.1（AD_CLK）、P2.2（AD_DATA）、P2.3（AD_CS）、P2.4(DA_CS)；P2.5、P2.6、P2.7作为单片机控制1602A-1的控制接口。P3口是双功能口，P3.0（RXD）口作为串行数据接受端，P3.1（TXD）作为串行数据输入端，和芯片MAX232连接，为串行通信数据提供接口；P3.2(INT0)是外部中断0祈求、P3.3(INT1)是外部中断1祈求，作为控制电子负载中步进值的接口。RST是复位信号输入端，为单片机的数据复位；VPP是访问外部存储器的控制信号，当其接入高电平时，访问内部ROM，在本系统中，EA接高电平。2.1.2单片机中断电路如图2.2所示，当单步键不压合时，单脉冲电路输出高电平；单步键每压合一次，单脉冲电路输出一次低电平。图2.2单步中断电路单步操作操作过程如下：首先开机，系统进行初始化，即设定外中断为单平触发方式高优先级中断，CPU及中断0都开放中断。此后，由于单步键未压合，执行一条指令后，便进入响应外部中断0的中断服务程序。在外中断服务程序中，可按系统的操作规定显示目前累加器A的内容和下条指令的地址，然后等待外中断0输入1电平（按单步键），在等待输入0电平（释放单步键），再次产生外部中断0的中断祈求，接着执行一条中断返回RETI。由于执行RETI指令后，至少要再执行一条指令才会响应新的中断祈求。以上即可完毕单步执行。在本设计中使用外部中断0和QUOTEINT1外部中断1，低电平有效的方式，控制负载电流的大小。每一次中断电流的步进值为0.1A。2.1.3复位电路复位引脚RST通过片内施密特触发器（克制噪声作用）与片内复位电路相连。在每个机器周期的由复位电路对施密特触发器的输出采样一次，当震荡电路工作，并且在RST引脚加上一种至少保持两个机器周期的高电平时，就能使AT89S51完毕一次复位。复位不影响RAM的内容。复位后，PC指向0000H单元，使单片机从起始地址0000H单元开始从新执行程序，因此，当单片机运行出错或者进入死循环时，可按复位键重新启动单片机一般采用的设计中采用上电复位和按钮电平复位两种方式，上电复位采用电容器充电实现，按钮复位又有按钮电平复位和按钮脉冲复位两种方式。按钮电平复位采用将复位端通过电阻与VCC相连；按钮脉冲复位运用RC微分电路产生正脉冲来到达复位目的。复位电路参数的选择，应当保证复位高电平持续时间不小于两个机器周期。按钮电平复位方式电路简朴，制作轻易，易于理解，因此本系统中采用按钮电平复位方式如图2.3所示。图2.3复位电路2.2基于DAC0832的数模转换模块DAC0832是双列直插式8位D/A转换器。能完毕数字量输入到模拟量(电流)输出的转换。图2.4内部构造图。其重要参数如下：辨别率为8位，转换时间为1μs，满量程误差为±1LSB，参照电压为(+10～-10)V，供电电源为(+5～+15)V，逻辑电平输入与TTL兼容。在DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的容许锁存信号为ILE，第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号也称为通道。图2.4数模转换芯片DAC0832内部输出构造系统中使用DAC0832芯片作为数模转换关键，RFB是反馈电阻引出端，DAC0832内部已经有反馈电阻，因此RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端，这样相称于将一种反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。VREF是参照电压输入端，此端可接一种正电压，也可接一种负电压，它决定0至255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度，VREF范围为(+10～-10)V。VREF端与D/A内部T形电阻网络相连。由于需要设定负载的电流，因此需要在单片机中设定数据，把数据输入到DAC0832中，而其中的DI7～DI0是8位的数据输入端，IOUT1是模拟电流输出端1，当DAC寄存器中数据全为1时，输出电流最大，当DAC寄存器中数据全为0时，输出电流为0。IOUT2是模拟电流输出端2，IOUT2与IOUT1的和为一种常数，即IOUT1＋IOUT2＝常数。端口、与参照电压、数据输入的关系如下：QUOTEIOUT1=VREF15KΩ×Digitalinput256QUOTEIOUT2=VREF15KΩ×255-Digitalinput256其中QUOTERfb=15KΩ。在本系统中，作为参照电压，单片机与DAC0832连接，DAC0832的输出端通过NE5532运算放大器的放大，得到需要的电流。其连接单片机方式如图2.5所示。图2.5DAC0832各个引脚连接图2.3基于NE5532的集成运算放大器模块数模转换DAC0832的输出信号接入NE5532集成运算放大器，DAC0832的输出的是电流信号，因此用放大器将电流信号转换为电压信号，信号输入同相放大器A（图2.6）时，输出成果也是负电压，运放输出电路输出电压为(2-3)在系统中，电子负载的输入端需要的正电压，所有放大器A的输出信号通过放大器B，放大器B作为反向放大器使用。如图2.6所示。图2.6运算放大器NE5532原理图在作为反相的运算放大器B中，其输出电压有如下的关系：(2-4)其中运算放大器B的输入就是运算放大器A的输出，即。因此有(2-5)其中是0~60KΩ可调电阻，QUOTER1为100KΩ的固定电阻，为5V参照电压，D为单片机送入DAC0832的时序信号。根据流过负载的电流为5A，采样的电阻为0.5Ω，最大的电压为U=IR=2.5V。OUT1端得电压为5V，因此在运放NE5532中接入电阻R7和可调电阻R9进行分压，DA_OUT输出电压为2.5V。2.4电子负载主电路电子负载主电路重要是由NE5532运算放大器作为反馈电路、IRF540MOS作为功率管提供负载电流通道，尚有蓄电池构成。原理如图2.7所示图2.7电子负载主电路原理图2.4.1电子负载反馈电路NE5532中A运算放大器作为电流串联负反馈放大电路的主体，电流负反馈的特点是维持输出电流基本恒定。NE5532运放中的放大器B作为反馈电路构成部分，是作为电压跟随器使用的，在本系统中，如图2.7，通过虚短虚断的原理可得QUOTEVIN1-=VINT2-=VOUT2=VINT2+，NE5532中的B（图2.6）运算放大器的重要作用是作为A运算放大器的反馈电路。R11为取样电阻,是给定信号，电路工作原理是：当给定一种信号时，假如R11上的电压不不小于QUOTEVDA_OUT，也就是NE5532的运算放大器A中IN1-不不小于INT+，运算放大器A加输出大，使MOS加大导通使R11的电流加大。假如R3上的电压不小于QUOTEVDA_OUT时，IN1-不小于INT+，运算放大器A减小输出，也就降了R11上的电流，这样电路最终维持在恒定的给定值上，也就实现了恒流工作。2.4.2功率MOS管电路使用IRF540功率MOS管作为负载的关键器件，在电路中MOS型晶体管的特点是尤其适合于开关状态工作，由于它正向导通时的电阻极小，并且开关速度快，因此是一种理想的开关元件。N沟道增强型MOSFET的基本工作原理可以得到如下：（a）时，没有导电沟道；（b）时，出现N型沟道；（C）QUOTEvGS>VT，较小时,迅速增大；（d））QUOTEvGS>VT，QUOTEvDS较大出现夹断时，QUOTEiD趋于饱和。MOS型场效应管的特点（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，因此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，在基区有也许积存大量少数载流子，从而影响高速开关。因此同样功率的管子，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．一般很少超过1000V．而双极型管子可以做到1600V如下．这对于大功率开关而言，无疑是一大缺陷。（4）MOS管子不像双极型管子那样存在明显的二次击穿现象，因此在中、低压状况下，其工作的可靠性要高—些。过电压保护的设计也可以简朴某些。MOS型场效应管的输出特性曲线如图2.8、图2.9所示；其内部构造如图2.10所示。图2.8MOS型转移特性曲线 图2.9MOS型场效管输出特性曲线图2.10MOS场效管内部构造FET是电压控制器件，MOSFET的输出特性是指在栅源电压一定的状况下，漏极电流iD与漏源电压vDS(2-6)在本电路中，IRF540作为负载的关键部分，其参数如下：，，，在电路中，需要的电流是1A~5A，因此其IRF540可以到达规定。通过单片机控制流过采样电阻的电流为1.0A~5.0A，采样电阻的阻值为0.5Ω，采样电阻两端的压降为0.5V~2.5V。2.5数据采集系统设计由于TLC549AD转换芯片的输入电压范围：0.3V～VCC+0.3V，VCC的电压为5V，在蓄电池两端的电压为6V，因此需要对蓄电池两端的电压进行衰减，因此在负载的两端并上电阻R6和可调电阻R5进行电压衰减，使得输入TLC549的电压为5V。AD数据采集芯片以TLC549为关键部件。TLC549是采用IinCMOSTM技术并以开关电容逐次迫近原理工作的8位串行A／D7芯片，可与通用微处理器、控制器通过I／OCLOCK、CS、DATAOUT三条口线进行串行接口。TLC549采用差分参照电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，由于其VREF-接地时，(VREF+)-(VREF-)≥1V，故可用于较小信号的采样，此外，该芯片由单电源3～6V的供电范围。总之，TLC549具有控制口线少，时序简朴，转换速度快，功耗低，价格廉价等特点，合用于低功耗袖珍仪器上的单路A/D采样，也可将多种器件并联使用。它适合完毕单通道8位转换，即比较适合在速度规定不高时，构成一种数据采集系统。TCL549时序的工作原理：当为低电平后，TLC549芯片被选中，同步前次转换成果的最高有效位MSB(A7)自DATA_OUT端输出，接着规定自I/OCLOCK端输入8个外部时钟信号，前七个I/OCLOCK信号的作用，是配置TLC549输出前次转换成果的A6~A07位，并为本次转换做准备：在第4个I/OCLOCK信号由高至低的跳变之后，片内采样/保持电路对输入模拟量采样开始，第8个I/OCLOCK 信号的下降沿使片内采样/保持进入保持状态并启动A/D开始转换。转换时间为36个系统时钟周期，QUOTECS保持高电平，或者I/OCLOCK时钟端保持36个系统时钟周期的低电平。由此可见，在自TLC549的I/OCLOCK端输入8个外部时钟信号期间需要完毕如下工作：读入前次A/D转换成果；对本次转换的输入模拟信号采样并保持；启动本次A/D转换开始。时序电路如图2.11所示图2.11模数转换芯片TLC549时序图TLC549芯片可以以便地与具有外围串行接口(SPI)的单片机连接使用。按照TC549严格的时序，它在完毕A/D转换后，其串行输出的A0～A7二进制数据可由时序控制，并串行输出到串入并出的移位寄存器。将该寄存器的8位数据与微处理器的数据总线相连，即可完毕数据传递。由此设计的基于TLC549的数据采集电路如图2.12所示。图2.12模数转换芯片TLC549引脚连接图在电路中，IN引脚作为信号输入端，可以输入的电压范围是：0.3V～VCC+0.3V，CS作为使用信号连接单片机的P2.3脚，DATA作为数据传播信号连接单片机的P2.2脚，CLK是时钟信号连接单片机的P2.1脚，完毕信号从模数转换芯片到单片机的传播。2.6串口通信电路在本系统中使用串行口方式0，发送数据到PC机，其发送和接受数据的时序如图2.13所示：图2.13单片机串行通信时序图在系统中，采集电子负载的端电压，通过模数转换电路，把电压信号输入单片机，再通过串行口方式把数据传入PC机中。MAX232是一款兼容RS232原则的芯片。由于电脑串口rs232电平是+10V，而一般的单片机应用系统的信号电压是ttl电平+5V,MAX232就是用来进行电平转换的,该器件包括2驱动器、2接受器和一种电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F原则，每一种接受器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-VTTL/CMOS电平。每一种发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。它的内部构造（如图2.14）基本可分三个部分；第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供应RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头；DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。而我们用只需一种通道就行。因此一通道的11、12、13、14脚就全空脚。我们只用了第二通道的4只脚。`第三部分就是供电。15脚DNG、16脚VCC（+5v）。20%PR图2.14MAX232引脚构造图51单片机有一种全双工的串行通讯口，因此单片机和电脑之间可以以便地进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，例如电脑的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一种电平转换电路，我们采用了专用芯片MAX232进行转换，虽然也可以用几种三极管进行模拟转换，不过还是用专用芯片更简朴可靠。因此采用了三线制连接串口，也就是说和电脑的9针串口只连接其中的3根线：第5脚的GND、第2脚的T2OUT、第3脚的R2IN。这是最简朴的连接措施，不过对我们来说已经足够使用了，电路如图2.15所示，MAX232的第10脚和单片机的11脚连接，第9脚和单片机的10脚连接串口通讯的硬件电路如图2.16所示，本系统中使用单片机串口的波特率为9600，工作方式1，使用8个数据位。图2.15MAX232与单片机、母串口连接图在PC机上建立通过VC6.0编写软件，实现串口数据传送到PC中，在PC上显示电子负载输入端电压值得大小。通过编程转换后输出m_value=(float)rxdata[0]*10/255，通过VC6.0编写的显示电压界面如图2.16所示图2.16电压显示界面2.7液晶显示模块液晶显示的原理是运用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就显示，LCD1602自身带有内部字符发生存储器（CGROM），这里面存储了常用的标点符号、数字、大小写字母以及日文假名等，若要显示某个字符，查出对应的代码即可。可以显示个字符，其接口如下表2.1所示。表2.1液晶模块LCD1602引脚定义编号符号引脚阐明编号符号引脚阐明1VSS电源地9D2DataI/O2VDD电源正极10D3DataI/O3VL液晶显示偏压信号11D4DataI/O4RS数据/命令选择端（H/L）12D5DataI/O5R/W读/写选择端（H/L）13D6DataI/O6E使能信号14D7DataI/O7D0DataI/O15BLA背光源正极8D1DataI/O16BLK背光源负极在电路中使用液晶模块来显示电压和电流，其与单片机连接如图2.17，使用单片机P0口作为数据的输出口，p2.5作为数据/命令选择端口、p2.6作为读/写选择端口、p2.7作为时能信号端口。图2.17液晶显示模块1602的构造以及和单片机的连接图2.8稳压电源电路由于这次设计的系统规定在低功耗的条件下工作，即可以用电池就能供电。不过采用电池供电会产生不稳定原因的影响，并且伴随时间的推移，由于电池的损耗，电压会逐渐减少。因此本次所设计的系统最佳采用三端集成稳压器构成的电源供电。集成稳压器具有输出电流大，输出电压高，体积小，可靠性高等长处。运用三端集成稳压器构成的稳压电源电路在电路中的应用中重要有如下几种长处：（1）稳压性能良好，（2）外围电路原件简朴易懂，（3）安装调试以便易行，（4）价格低廉。稳压电源的技术指标分为两大类：一类是特性指标，反应可调式直流稳压电源的固有特性，包括容许的输入的电压、输出电压、输出电流及输出电压调整范围等；另一类是质量指标，反应可调直流稳压电源的优劣，包括稳压度、电压调整率、电流调整率、等效电阻（输出电阻）、温度系数及纹波电压等。根据系统的规定，也有两种方案。一种是采用输出电压固定的三端集成稳压器，例如7805稳压器；另一种则是采用输出电压可调式的三端集成稳压器，例如LM317稳压器。根据以上所述的几点长处，本系统的稳压电源电路采用输出电压可调式的三端集成稳压器电源电路，并且根据本系统需要提供+5V、+15V、—15V的电压，分别为单片机和集成运放NE5532使用，虽然选择LM317稳压器构成的稳压电源电路即可满足规定。但本次方案为了以便，并且本系统所需的电压并不可调动，因此本次方案设计选择的稳压电源电路是由7805、7815、7915构成的输出电压固定的电源电路提供+5V、+15V、—15V电压。稳压电源电路如图2.18所示，以稳压器7805、7815、7915作为关键。该稳压电路由一种稳压器7805、7815、7915、四个稳压二极管、五个电解电容构成。由于电网供电电压为交流220V（有效值）50Hz，要获得低压直流输出，首先，必须要采用电源变压器将电网电压减少到所需要的交流电压（12V或18V等）。另一方面，降压后的交流电压，需通过整流电路转变成单向直流电，可是单向直流电的幅度变化还是很大（即脉动大），因此，脉动大的直流电压还要通过滤波电路变成平滑的，脉动小的直流电，也就是交流成分滤掉，只保留直流其成分。最终，通过滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，即可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供应负载。由以上分析可知，直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波和稳压四个环节。如图2.18所示，由于变压部分只需要一种合适的变压器即可，因此并未画出变压部分，而是只给出了与变压器输出相接的接口，即图2.18整流、滤波和稳压三个环节。又由于系统中需要+5V、+15V、—15V的直流电压，因此将桥式电路中需要四个稳压二极管，变成图2.18中所示，这样只有在正半周期内电路有输出。从整流二极管出来的电流进入滤波电容进行滤波，稳压电路中最靠近稳压器的电解电容C9作为输入旁路电容，C10选择耐压值为55V，电容量1000微法的电容，以减少对输入电源阻抗的敏感性，也可以起到滤波作用，重要滤除低频段，而背面的电容C10重要是防止自激振荡，C11重要完毕对高频段干扰的滤除，尽量减少高频干扰，耐压值均选10V以上即可。稳压环节由三端集成稳压器来完毕。本次所设计的稳压电路不仅给最小系统提供正常的+5V左右的工作电压，还需要对NE5532运放提供电压，还要为D/A转换DAC0832芯片、运算放大器NE5532、A/D转换电路TLC549、串口通信电路提供可靠稳定的工作电压，从而实现整机工作处在低功耗的条件下。图2.18电源电路原理图3软件设计硬件为是系统实现功能的基础条件，功能的实现需要硬件作为支架。软件是系统的控制关键，硬件工作需要软件来设定和控制。3.1软件设计分析据整个硬件系统的设计思绪和原理，以及完毕的原理图，P1口作为为数模转换DAC0832提供输入信号的输出口，通过单片机设定负载的电路的电流值，保持流过电子负载的电路恒定。通过外部中断电路接口外部中断0和外部中断1，每按一次中断电流的步进值前进或者后退0.1A。通过复位电路接口RST实现系统的复位，每按一次复位键系统回到初始状态，通过数模转换芯片TLC549采集电池两端的电压，采用的数据传入单片机，TLC549的时钟信号、数据信号、使能信号通过单片机的P2.2、P2.3、P2.4口向单片机控制数据的传播。电压电流信号通过1602液晶模块显示，单片机的P0作为数据输出口，P2口中的P2.5、P2.6、P2.7口作为液晶模块的数据/命令选择端口、读/写选择端口、使能信号端口控制端口。为了实时监测并显示蓄电池端电压，把检测到的电压传入PC机上，因此用到串行接口通信。在工作方式0的状态下，串行口为同步认为寄存器方式，其波特率固定为QUOTEfOSC/12。数据由RXD(P3.0)端输入，同步移位脉冲由TXD（P3.1）端输出。发送、接受的是8位数据，低位在前面。3.2软件的设计关键在程序设计中，重要是控制流过负载的电流，通过键盘的按键，每一次中断电流都变化0.1A，设定流过负载的电流值。采样负载的端电压，采样五百次，通过累加的方式，求得电压的总值，然后求其平均值，即QUOTEvoltage=voltage总采样次数×VCC2553.3程序流程图在软件系统中，首先初始化设备，通过下载线和KEIL软件给单片机烧入程序，通过程序控制键盘输入，通过单片机给DA0832设定数据，设定的电流在1.0A~5.0A之间，通过外中断电路，设定步进值为0.1A，每按下按键，就触发一次中断接口，完毕一次中断祈求，给电子伏在设定新的电流值，控制负载的电流。同步通过TLC549模数转换芯片对电子负载蓄电池端电压进行采样，以循环累加的措施，采集电压500次，求其平均值，然后再在LCD显示，通过串行通讯电路，把采样的电压数据传到上位机，在上位机界面上显示。其流程如框图3所示。图3电子负载程序流程图4系统调试4.1系统模块调试分析在完毕硬件的制作后，开始对硬件进行检测。首先检查板子线路有无短路、断路状况。另一方面，确定板子无短路、断路后，开始将有关元器件焊到板子对应位置上。最终，就是对焊完元器件的目的板进行软硬件结合的检查与调试。检查与调试重要是再次确认线路有无短路、断路状况，以及元器件与否都完好且可以正常工作。对于线路短路、断路的检查，先用眼睛看看，有无断了的线，紧接着就是借助于检测工具，一般选择用万用表来检测。经检查板子线路无短路、断路状况，可以将无损坏的电子原件焊到板子上了。焊完之后牢记应当，是必须再次检查短路问题。这次做的第一块板没有再次检测短路问题，而导致软硬件结合调试时总是出错。由于焊接时不小心使得液晶显示部分的焊接处有微小的接触导致板子短路，致使调试出现了没必要的误导，挥霍时间。对于电子元器件的检测，应当不仅仅只是检查它的好坏，还应当检查它的封装与所买原件与否一致，否则将会导致不必要的连接错误。例如还是第一块板子所选用那个调液晶显示屏亮度与对比度的精密电位器，DXP中的封装就与所购置的那个精密电位器的管脚不一致，导致旋转精密电位器对液晶无任何作用，还也许短路（旋到尽头）。因此对所买到得电子元器件要做充足检查。硬件的检测，不仅仅只是如以上所述的单纯的硬件查错，它还包括软硬件的结合调试，只有这样才能最终确定硬件是可以正常工作的。这里选择一种一种模块去完毕对硬件的检测，目的是发现问题并一种一种模块地去处理问题。首先对电源电路进行测试，观测测试成果与否符合规定，电路中需要+5V、+15V、—15V。+5V作为VCC，为单片机、DAC0832、MAX232、TLC549芯片提供工作电压，同步也为DAC0832提供参照参照电压。±15V电压是作为运放芯片NE5532提供工作电压，完毕焊接后在没有短路断路的状况下，先检测稳压器7805、7815、7915的电压输出端电压与否符合规定。检测最小系统电路，通过下载器下载程序进入单片机，看与否可以烧入程序，假如可以烧入程序阐明单片机模块可以正常工作，假如不能正常工作，那检测单片机的40脚VCC与否满足规定，需要检查下载口，检测与否都连通，在下载线接口都正常的状况下，检查晶振电路和电容值与否有错误。在本次设计中，电路烧不入程序是由于有管脚虚焊，用万用表检测后重新焊接就可以重新烧入程序检测。检测数模转换电路，注意、低电平有效，检测运算放大器NE5532，即连接DAC0832的放大器中，放大器A的输出端的电压，用万用表检测输出地电压值与否和在单片机的中赋给的值所可以到达的电压相等，在电路中规定，假如流过负载的电流为2A时，放大器A的输出端电压应当为-2V，假如数据没有抵达规定那么就需要检测DAC0832的电路与否有连接错误，检测过程中发现电压值到达指标。由于放大器A输出的是负电压，而电子负载输入端需要的是正电压，并且电子负载的采样电阻的压降为0.5V~2.5V，因此在通过NE5532的另一种运算放大器B作为反相放大器使用，通过电阻的串联对放大器A的信号进行衰减，使得放大器B的输出电压为0.5V~2.5V。假如数据没有到达规定，那么调整连接NE5532的可调电阻。使数据到达规定。在调试中，没设定一种电流值，尤其是在电流值比较大的时候，存在设定的电流上升，不过流过负载的实际电流并没有上升，负载的电流大小和DAC0832的输出端的放大器有关，所有检测DAC0832的输出端第一级运算放大器的电压，测量成果显示DAC0832输出成果是对的的，检测作为反相器的第二级运算放大器，发现输出成果并不伴随电子负载的电流的增长而增长，通过对反相放大器的原理进行分析，反相放大器的正极接地端需要接入配置电阻，其阻值是电阻R7和R9并联时的阻值（图2.6）。通过在调试，电子负载的电流伴随设定值得增长而增长。检测电子负载主电路，本模块中用到运放NE5532作为反馈电路通过反馈电路控制电子负载的电流恒定，采样电阻使用的是水泥电阻，可以流过较大的电流，在此模块中，由于开始计算的疏忽，使用的单个0.5Ω/7W的水泥电阻，由于流过电子负载的电流最大为5A,因此水泥电阻的发热尤其的严重，之后重新计算后，使用了四个水泥电阻，两两串联后再并联，流过每个串联电阻的电流为2.5A，，P=QUOTEI2R=2.52×0.5=3.75W<7W模数转换电路采集的是蓄电池的端电压，由于使用的模数转换芯片TLC549的输入电压最大为VCC，而蓄电池的端电压为6V，因此使用串联电阻电路进行衰减1/2，使TCL549的输入电压为3V，调整串联电阻中的可调电阻使得固定电阻和可调电阻的阻值相等，那么TLC549的输入电压即到达规定。使用示波器检测TLC549的数据输出端的波形，计算检测成果与否符合规定。液晶显示模块检测部分重要是软件调试，通过单片机赋值，设定LCD1602的显示。通过单片机的P2.5、P2.6、P2.7给液晶模块的控制脚4、5、6脚控制信号，设定显示的内容。串口通信系统的检测，由于单片机和PC机的串口的电平不一致，需要用到MAX232进行电平转换，使得单片机发出的信号PC机可以接受，使用示波器检测串口的输出是不是QUOTE±5VV，然后使用示波器检测与电脑接口的输出端电平与否为±10V。软件调试，软件的部分需要对各个芯片进行初始化，在软件设计中，对蓄电池端电压的采样次数对电压显示的影响很大，开始的时候采样的次数为10，成果通过液晶显示的电压变化幅度在4.9V~6.3V之间，后来增长到采样500次，液晶显示的电压幅度减少到5.95V~6.1V。4.2数据记录表4.1数据记录成果设定电流（A）1.01.11.21.31.41.51.61.71.81.9测试电流值(A)0.931.031.121.241.361.471.581.691.791.880.931.031.111.241.361.471.561.691.781.87液晶显示电压(V)5.805.765.725.685.745.685.675.735.645.655.725.685.745.725.695.655.675.675.635.61PC机显示电压（V）5.805.765.685.765.765.645.605.685.605.645.685.685.725.725.685.645.685.605.605.60设定电流（A）2.02.12.22.32.42.52.62.72.82.9测试电流值(A)1.992.112.192.302.392.492.592.702.802.901.992.112.192.302.392.502.592.712.802.90蓄电池端电压(V)5.655.585.445.525.565.505.515.475.425.455.615.565.555.525.515.505.525.495.455.43PC机显示电压（V）5.605.565.455.525.565.495.455.455.415.415.605.525.565.525.495.495.455.455.415.41设定电流值（A）3.03.13.23.33.43.53.63.73.83.9测试电流值(A)3.003.103.183.313.403.483.583.523.523.523.003.103.193.313.403.493.583.483.493.53蓄电池端电压(V)5.455.385.385.385.355.345.325.325.325.315.395.365.365.315.305.295.295.285.275.27PC机显示电压（V）5.415.375.375.335.335.335.295.295.295.295.375.335.295.295.295.292.255.255.255.25设定电流值（A）4.04.14.24.34.44.54.64.74.84.9测试电流值(A)3.453.523.523.523.523.523.523.523.523.523.533.533.533.533.533.533.533.533.533.53蓄电池端电压(V)5.325.325.325.325.325.325.325.325.325.325.265.265.265.265.265.265.265.265.265.26PC机显示电压（V）5.295.295.295.295.295.295.295.295.295.295.255.255.255.255.255.255.255.255.255.254.3误差分析与计算误差的概念与种类误差是指测量值与真值之差。即误差=测量值－真值。真值即该量自身所具有的真实大小，但在实际测量中由于客观原因的影响、器具的不精确性、测量手段的不完善等，致使测量成果总与真值之间存在误差。误差的表达措施有绝对误差和相对误差两种。按误差的特点和性质，误差可分为系统误差、随机误差和粗大误差三种。系统误差被定义为：“在反复性条件下，对同一被测量无限多次测量所得的成果的平均值与被测量的真值之差。”即只要测量条件不变化，系统误差即为确定值。随机误差是“指测量成果与在反复性条件下，对同一被测量无限多次测量所得成果的平均值之差。”粗大误差则是指在一定条件下，测量值明显偏离真值（或约定值）所对应的误差。误差计算由于所给电容只是标称值，并不是真值，因此测得的电容的容量值总与其标称值存在偏差，必须选定一种作为参照值，来最终确定误差值的大小。又由于电路的误差（包括电阻值等电路自身的误差）是无法防止的，只能尽量减小，因此这里还要用到示波器来对输出波形进行测量，最终三者成果对比，确定结论。由于测量是随机的，并且从所得成果可以发现误差并非系统误差，因此这里只求测量成果的随机误差。随机误差性质类同于概率论中的随机变量，因此用概率记录的措施来处理。其记录处理过程包括：求平均值→各测量值的残差→原则差估值→平均值的原则偏差。由平均值计算公式eq\x\to(x)=（eq\x\to(x)平均值，n测量的次数，xi每一次的测量值）求得各个标称值电容的测量成果平均值，残差vi可由公式求得。电子负载的测试的电流值误差计算分析，如表4.2所示（绝对误差=测量值－参照值，相对误差=(绝对误差/参照值)×100%）表4.2电流测量数据误差分析设定电流值（A）1.01.52.02.53.03.53.84.0测试电流平均值（A）0.931.471.992.493.003.493.503.48绝对误差(A)-0.07-0.03-0.01-0.010.00-0.01-0.30-0.52相对误差（%）720.50.40.00.307.913从表4.2中可以看出，大电流时，误差比较大，这是由于虽然蓄电池阐明可以提供6V5A的电压电流，不过自身并没有真正可以提供到5A的电流，通过测试发现蓄电池的电流最多只可以提高到3.5A左右，之后伴随设定电流的增长流过负载电流不再增长。因此在当设定的电流超过3.5A时，误差明显增大。直流电子负载液晶显示电压误差计算分析，如表4.3所示。表4.3液晶显示电压值误差分析设定电流值（A）1.01.52.02.53.03.54.0蓄电池端电压（V）6.096.106.086.086.076.076.07液晶显示电压平均值（V）5.765.735.635.505.375.325.29绝对误差（V）-0.33-0.37-0.45-0.58-0.70-0.75-0.88相对误差(%)5.46.17.49.511.512.314.5 由表4.3可以看出，伴随设定电流的增长，液晶显示的平均电压越小，并且绝对误差和相对误差都越大，通过对电子负载接入端和蓄电池两端的电压进行测量，发现电子负载接入端的电压和液晶显示的电压基本相似，这表明从蓄电池两端到电子负载的接入端连接的导线中存在内阻，伴随流过负载电流的增长，导线两端的电压差增大，因此绝对误差也越来越大，引起的相对误差也会伴随设定电流的增长而增大。 直流电子负载通过串口通信把电子负载接入端电压传到PC机上，对电子负载接入端电压误差计算分析如表4.3所示。表4.4串口通信PC机显示电压误差分析设定电流值（A）1.01.52.02.53.03.54.0蓄电池端电压（V）6.096.106.086.086.076.076.07PC机显示电压平均值（V）5.795.645.605.455.395.315.27绝对误差（V）-0.30-0.44-0.48-0.63-0.68-0.76-0.80相对误差(%)4.97.27.910.311.312.513.1由表4.3可以看出，伴随设定电流的增长，液晶显示的平均电压越小，并且绝对误差和相对误差都越大，由于PC机显示的电压和液晶显示的电压都是采集同一路数据，通过表4.3和表4.4可以对比得出，其绝对误差和相对误差伴随设定电流的增长而增长的原因是导线存在内阻，导致存在电压差。5结论在本系统是，以单片机为控制关键，通过单片机控制电