簡易直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)

1、簡易直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)報(bào)告摘要： 本文論述了簡易直流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)思路和過程。直流電子負(fù)載采用MSP430G2553單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制芯片，可實(shí)現(xiàn)以下功能：在恒流（CC）模式下，不管電子負(fù)載兩端電壓是否變化，流過電子負(fù)載的電流為一個(gè)設(shè)定的恒定值。AD模塊接收電路電壓和電流模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)液晶模塊12864同步顯示電壓和電流。系統(tǒng)包括控制電路(MCU)、驅(qū)動(dòng)隔離電路(PWM波)、主電路、采樣電路、顯示電路、基準(zhǔn)電路等；具有過壓保護(hù)功能;能夠檢測被測電源的電流值、電壓值；具有直流穩(wěn)壓電源負(fù)載調(diào)整率自動(dòng)測量功能；各個(gè)參數(shù)都能直觀的在液晶模塊上顯示。關(guān)鍵詞：電子負(fù)載；單片機(jī)（MCU）；模數(shù)

2、（A/D）.PWM波.一、引言電子負(fù)載用于測試直流穩(wěn)壓電源的調(diào)整率，電池放電特性等場合,是利用電子元件吸收電能并將其消耗的一種負(fù)載。電子元件一般為 功 率 場 效 應(yīng) 管（Power MOS）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等功率半導(dǎo)體器件。由于采用了功率半導(dǎo)體器件替代電阻等作為電能消耗的載體，使得負(fù)載的調(diào)節(jié)和控制易于實(shí)現(xiàn)，能達(dá)到很高的調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定性。同時(shí)通過靈活多樣的調(diào)節(jié)和控制方法，不僅可以模擬實(shí)際的負(fù)載情況，還可以模擬一些特殊的負(fù)載波形曲線，測試電源設(shè)備的動(dòng)態(tài)和瞬態(tài)特性。二，總體方案論證與設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)和制作一臺(tái)電子負(fù)載，在恒流（CC）模式下，不管電子負(fù)載兩端電壓是否變化，流過電子負(fù)載的電流

3、為一個(gè)設(shè)定的恒定值。要求：（1） 負(fù)載工作模式：恒流（CC)模式；（2） 電壓設(shè)置范圍：010V；（3） 電流設(shè)置范圍：100mA1000mA ，設(shè)置分辨率為10mA，設(shè)置精度為±1%；（4） 直流穩(wěn)壓電源負(fù)載調(diào)整率：測量范圍為0.1%19.9%，測量精度為±1%。（5） 顯示分辨能力及誤差：至少具有3位數(shù)，相對(duì)誤差小于5%。 恒流模塊和恒壓模塊共用一個(gè)基準(zhǔn)電壓12v，并且通過開關(guān)實(shí)現(xiàn)兩種模式的轉(zhuǎn)換，用A/D轉(zhuǎn)換器把電路中的電壓電流的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過單片機(jī)來程控從而重置電壓電流，用數(shù)碼管液晶顯示同時(shí)呈現(xiàn)即時(shí)電壓電流。原理圖如下所示。顯 示按鍵輸入單片機(jī)A/D

4、轉(zhuǎn)換PWM控制電流檢測電壓檢測功率控制2.1電壓電流參數(shù)測量設(shè)計(jì)方案方案一：通過手動(dòng)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器來調(diào)節(jié)恒流源的電壓，其缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)耗時(shí)費(fèi)力，準(zhǔn)確度不高。但操作簡單易懂。方案二：通過電壓分壓器調(diào)節(jié)電壓，采用AD轉(zhuǎn)換電路通過電子計(jì)數(shù)器在數(shù)碼管上顯示。其缺點(diǎn)是精度低，電路功耗能較大，不適合于高精度測量。方案三：利用ADS8319檢測并將被測電壓從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再利用單片機(jī)程序來修改電壓電流參數(shù)，此方案精確度高，操作技術(shù)要求很高，節(jié)省時(shí)間。2.2恒流模式（CC mode）設(shè)計(jì)方案方案一：最常用的簡易恒流源如下圖所示，用兩只同型三極管，利用三極管相對(duì)穩(wěn)定的基極發(fā)射極電壓作為基準(zhǔn)，電流數(shù)值為：I

5、 = Vbe/R1。這種恒流電路優(yōu)點(diǎn)是簡單易行，而且電流的數(shù)值可以自由控制，也沒有使用特殊的元件，有利于降低產(chǎn)品的成本。缺點(diǎn)是不同型號(hào)的管子，其電壓不是一個(gè)固定值，即使是相同型號(hào)，也有一定的個(gè)體差異。同時(shí)不同的工作電流下，這個(gè)電壓也會(huì)有一定的波動(dòng)。因此不適合精密的恒流需求。方案二：在恒流工作模式時(shí)，電子負(fù)載所流入的負(fù)載電流依據(jù)所設(shè)定的電流值而保持恒定，與輸入電壓大小無關(guān)，即負(fù)載電流保持恒定值不變。此圖是一個(gè)最常用的恒流電路，這樣的電路更容易獲得穩(wěn)定及精確的電流值，R3 為取樣電阻,VREF 是輸入信號(hào)，電路工作原理是：當(dāng)給定一個(gè)信號(hào)VREF時(shí)，如果 R3 上的電壓小于 VREF，也就是OP07

6、 的 -IN小于 +IN，OP07 加大輸出，使 MOS 加大導(dǎo)通 R3 的電流；如果 R3 上的電壓大于 VREF 時(shí)，即就是 -IN 大于+IN，OP07 減小輸出，也就降了 R3 上的電流，如此往復(fù)電路最終維持在恒定的值上，也就實(shí)現(xiàn)了恒流工作模式。如輸入VREF 為 10mV，R3 為 0.01 歐時(shí)電路恒流為 1A，改變 VREF 可改變恒流值，VREF 可用電位調(diào)節(jié)輸入或用 DAC芯片由 MCU 控制輸入，采用電位器可手動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電流。如采用 DAC 輸入可實(shí)現(xiàn)數(shù)控恒流電子負(fù)載。方案二：基本電路為除虛線框 和兩個(gè)萬用表以外的部分，由恒壓電路、恒流電路、過壓（流）保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路組成

7、。U =12V輸入電壓，經(jīng)過限流電阻R1到三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源U1(TL431)的陰極K后，由參考端R得到輸出基準(zhǔn)電壓VR為2.5V，經(jīng)電阻R1到調(diào)整滑動(dòng)變阻器R6，一路經(jīng)電阻R2為U3A提供電壓，另一路經(jīng)電阻R7為U3C提供電壓。與方案一的區(qū)別是用開關(guān)可以切換恒流源和恒壓源，并且兩種模式共用一個(gè)場效應(yīng)管，方案二還多了一個(gè)過流保護(hù)模塊，故我們選擇方案二進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.4顯示方案選擇：方案一：電壓和電流的顯示可以用數(shù)碼管，但數(shù)碼管的只能顯示簡單的數(shù)字，其電路復(fù)雜，占用資源較多，顯示信息少，不宜顯示大量信息。 方案二：使用功能更好的液晶顯示，增加顯示信息的可讀性，看起來更方便。而TH12864字符點(diǎn)陣

8、液晶模塊 有明顯的優(yōu)點(diǎn)：微功耗，尺寸小，超薄輕巧，顯示信息量大，字跡美觀，視覺舒適，而且容易控制。經(jīng)比較，故選用方案二進(jìn)行設(shè)計(jì)。三、芯片介紹3.1 LP2950低壓差調(diào)節(jié)器特性 圖 3-2 電源原理圖3.2A/D轉(zhuǎn)換器性能特點(diǎn)封裝及管腳功能介紹圖3-3 ADC0809引腳圖3.3、總體電路介紹直流電子負(fù)載的最基本工作方式是定電流模式和定電壓模式3.4典型器件介紹3.41 MOS 型場效應(yīng)管的輸出特性曲線3.42 MOS 型場效應(yīng)管的選型3.42 集成運(yùn)放4.系統(tǒng)調(diào)試主控芯片 ，晶振 ，由于處理器速度滿足全部功能的實(shí)現(xiàn)，故用通俗明了的C語言編寫源程序。系統(tǒng)的軟硬件安裝、設(shè)計(jì)完成后，逐一調(diào)試，改變

9、檢測端的電壓電流值，達(dá)到主控芯片與ADC芯片的最佳配合；然后調(diào)試單片機(jī)監(jiān)測的各個(gè)功能：AD轉(zhuǎn)換、液晶顯示、轉(zhuǎn)換精度等。本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在硬件的設(shè)計(jì)與調(diào)試。4.1 軟件系統(tǒng)調(diào)試軟件調(diào)試是在IAR下進(jìn)行，源程序編譯及仿真調(diào)試采用分段或椅子程序?yàn)閱挝恢饌€(gè)進(jìn)行，最后結(jié)合硬件實(shí)時(shí)調(diào)試，具體程序如下：主程序; 液晶子程序：AD采集與轉(zhuǎn)換子程序：4.2 硬件系統(tǒng)測試硬件調(diào)試時(shí)，可先檢查萬用表及焊接的質(zhì)量是否符合要求，有無虛焊點(diǎn)及線路間有無短路、斷路，再用萬用表檢測，檢查無誤后，可通電檢查LCD 液晶顯示亮度情況，一般情況下取電壓為33.5V及一定的限流即可得到滿意效果。模擬電路模塊的調(diào)試（主要考慮功率問題）：模

10、擬電路模塊的調(diào)試是硬件系統(tǒng)調(diào)試的重點(diǎn)，關(guān)鍵在于確定合適的元件，是電路各個(gè)部分正常工作，且在整體工作時(shí)不會(huì)出現(xiàn)各級(jí)電路間的干擾。直流電子負(fù)載電路元件的確定上，首先需要考慮電路的功率問題。因?yàn)殡娮迂?fù)載測量的是電源，如果負(fù)載電路中功率過大（主要是電流過大引起），不僅會(huì)燒掉電路中 的電阻和場效應(yīng)管，而且也會(huì)超出被測電源的額定功率，使被測電源的輸出值不穩(wěn)定，甚至跳零。因此在元件的選擇上，應(yīng)該選擇不宜燒掉的功率元件，然后再調(diào)節(jié)負(fù)載端的電阻值，使整個(gè)電路電流處于一個(gè)合適的范圍。系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮下列幾點(diǎn)：1、 系統(tǒng)的擴(kuò)充與外圍裝置，應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求，并留一些擴(kuò)充槽，以便進(jìn)行二次開發(fā)。2、 硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)

11、合應(yīng)用軟件一并考慮。軟件有執(zhí)行的功能盡可能由軟件來執(zhí)行，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。但是必須注意，由軟件執(zhí)行硬件的功能，其響應(yīng)時(shí)間比直接用硬件要長，且占用CPU時(shí)間。3、 可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)及其重要的部分，包括器件選擇、電路板布線、通道隔離等。4、 單片機(jī)微處理器外接電路較多時(shí)，必須考慮其驅(qū)動(dòng)能力，驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)系統(tǒng)工作不可靠。解決辦法是增加驅(qū)動(dòng)能力，或減少IC功耗。5、 沒有使用到的端口引腳（尤其是P0口）應(yīng)接到一個(gè)固定邏輯電位上（0或1），以免受到外界靜電干擾，導(dǎo)致CPU運(yùn)行市場而產(chǎn)生“死機(jī)”。6、 IC的VCC與GND之間一般接0.01uF0.1uF的積層電容，以使電源電壓的波紋及雜散信號(hào)有所旁路，

12、不致影響該IC的正常運(yùn)行。同時(shí)也可以抵消電路的電感性，使整個(gè)電路具有更加的穩(wěn)定性。5 系統(tǒng)功能5.1 系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)的功能基本要求（1） 恒流（CC）工作模式的電流設(shè)置范圍為100mA1000mA ，設(shè)置分辨率為10mA，設(shè)置精度為±1%。還要求CC工作模式具有開路設(shè)置，相當(dāng)于設(shè)置的電流值為零。（2） 在恒流（CC）工作模式下，當(dāng)電子負(fù)載兩端電壓變化10V時(shí)，要求輸出電流變化的絕對(duì)值小于變化前電流值的1。（3） 具有過壓保護(hù)功能，過壓閾值電壓為18V±0.2V。發(fā)揮部分（1）能實(shí)時(shí)測量并數(shù)字顯示電子負(fù)載兩端的電壓，電壓測量精度為±（0.02%+0.02%FS ），分辨

13、力為1mV。（2）能實(shí)時(shí)測量并數(shù)字顯示流過電子負(fù)載的電流，電流測量精度為±（0.1%+0.1%FS），分辨力為1mA。（3）具有直流穩(wěn)壓電源負(fù)載調(diào)整率自動(dòng)測量功能，測量范圍為0.1%19.9%，測量精度為±1%。為方便，本題要求被測直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓在10V以內(nèi)。（4）其他。三、說明：在恒流（CC）模式下，不管電子負(fù)載兩端電壓是否變化，流過電子負(fù)載的電流為一個(gè)設(shè)定的恒定值，該模式適合用于測試直流穩(wěn)壓電源的調(diào)整率，電池放電特性等場合。直流穩(wěn)壓電源負(fù)載調(diào)整率是指電源輸出電流從零至額定值變化時(shí)引起的輸出電壓變化率。為方便，本題額定輸出電流值設(shè)定為1A。負(fù)載調(diào)整率的測量過程要求

14、自動(dòng)完成，即在輸入有關(guān)參數(shù)后，能直接給出電源的負(fù)載調(diào)整率。為了方便負(fù)載調(diào)整率的測量，可以在被測直流穩(wěn)壓電源的輸出端串接一個(gè)電阻RW，更換不同阻值的RW，可以改變被測電源的負(fù)載調(diào)整率。5.2 系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)測試通過外接可調(diào)電源分別調(diào)節(jié)恒流源并觀察液晶顯示的電壓電流情況。并對(duì)現(xiàn)實(shí)的電壓電流進(jìn)行比較。由上表可以看出：只要在設(shè)定端給定了一個(gè)穩(wěn)壓值，無論輸入電壓如何變化，負(fù)載端電壓總是恒等于給定的穩(wěn)壓值，流入電子負(fù)載的電流隨被測直流電源的電壓（輸入電壓）變化而變化。由上表可以看出：只要在設(shè)定端給定了一個(gè)橫流值，流入電子負(fù)載的電壓隨被測直流電源的電壓（輸入電壓）變化而變化。5.3 系統(tǒng)功能及指標(biāo)參數(shù)分析由以

15、上兩個(gè)參數(shù)表可得：恒流模式下系統(tǒng)只能滿足0.1A0.5A的恒流范圍，恒流范圍不夠大的原因是流過場效應(yīng)管的電流需要控制在一定范圍，否則會(huì)因電流過大而燒毀場效應(yīng)管，解決方法是選擇功率更大的絕緣場型柵型晶體管（IGBT）代替場效應(yīng)管，可惜由于市面上很難買到IGBT且由于時(shí)間倉促，本設(shè)計(jì)選擇采用場效應(yīng)管。四總體電路介紹： 直流電子負(fù)載的工作模式直流電子負(fù)載最基本的工作模式是定電流模式和定電阻模式。4.1硬件電路實(shí)現(xiàn)（1）.恒流電路 如圖4-1虛線框所示。當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)，R19、R22、R25、R28上的電壓增大。即R18、R21、R24、R27上的取樣電壓增大，也即是U3C反相輸入端電壓增大，當(dāng)U3

16、C反相輸入端電壓大于同相輸入端電壓時(shí)，U3C輸出低電平，場效應(yīng)管Q1、Q2、Q3、Q4的柵極G電壓VG減小，Q1、Q2、Q3、Q4的內(nèi)阻RDS增大，負(fù)載電流減小，從而達(dá)到恒流的目的。（2）.過流保護(hù)電路如圖4-1虛線框 所示。當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)，R19、R22、R25、R28上的電壓增大，即R18、R21、R24、R27上的取樣電壓增大，U3B反相輸入端電壓增大，但電流繼續(xù)增大。當(dāng)反相端電壓大于所設(shè)定過流保護(hù)電流的基準(zhǔn)電壓(同相端輸入電壓)時(shí)，U3B輸出低電平，場效應(yīng)管Q1、Q2、Q3、Q4的柵極G電壓VG減小，Q1、Q2、Q3、Q4的內(nèi)阻RDS增大，負(fù)載電流減小，從而起到過流保護(hù)作用。4.2軟

17、件程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件采用美國Microchip公司的HI-TECHPIC C語言編程,人機(jī)界面友好,操作簡單.程序軟件采用模塊化結(jié)構(gòu),分別由主控程序、顯示程序、數(shù)據(jù)采集程序、缺相檢測程序、電流電壓檢測程序及中斷服務(wù)程序等程序模塊組成,下載到單片機(jī)中的執(zhí)行文件長度4 KB用單片機(jī)程控恒流源和恒壓源兩種模式下的電壓、電流。并通過液晶顯示出來。五電流采樣 (如圖所示)電流采樣中，借助采樣電阻首先將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，裝換為電壓信號(hào)后，再用HCPL788J隔離，它是帶短路和過載檢測功能的隔離運(yùn)放芯片，電流過載后能在5us從內(nèi)部向單片機(jī)發(fā)送中斷信號(hào)，及時(shí)保護(hù)MOSFET。其輸入范圍為：-250mv25

18、0mv；對(duì)應(yīng)輸出為022；電子負(fù)載電流輸入范圍是100mA3A；選用0.1采樣電阻。六，測試方案與測試結(jié)果通過外接可調(diào)電源分別調(diào)節(jié)恒流源和恒壓源兩種模式，并觀察兩種模式下數(shù)碼管顯示的電壓電流情況。并對(duì)顯示的電壓電流進(jìn)行比較。 模式 液晶顯示電壓 液晶顯示電流 恒流6.1 硬件調(diào)試 1） 硬件調(diào)試時(shí)，可先檢查印制板及焊接的質(zhì)量是否符合要求，有無虛焊點(diǎn)及線路間有無短路、斷路。然后用萬用表檢測，檢查無誤后，可通電檢查 LCD 液晶顯示器亮度情況，一般情況下取電壓為 35.5V 及一定的限流即可得到滿意的效果。 七，結(jié)論小結(jié) 設(shè)計(jì)的基于AT89C51單片機(jī)控制的電子負(fù)載，能夠直接檢測被測電源的電流值、

19、電壓值，以及在不同大小的負(fù)載下電源的輸出功率值。通過單片機(jī)程控使各個(gè)參數(shù)都能直觀的在數(shù)碼管上顯示。此電子負(fù)載能很好的替代傳統(tǒng)的測試方法中一般采用的電阻、滑線變阻器、電阻箱等，更簡單、更快捷、更可靠地對(duì)電源、變壓器、蓄電池等電子設(shè)備進(jìn)行輸出特性的測試。但是，本設(shè)計(jì)還存在著很多不足，比如是功率消耗型器件，希望能在以后能改善這方面的缺陷。此次設(shè)計(jì)的電子負(fù)載，從最開始的資料搜集，到電路的設(shè)計(jì)；從最開始的元件選型，到電路板的焊接，再到現(xiàn)在的實(shí)物的整體調(diào)試每一步都印證著自己在完成電子設(shè)計(jì)任務(wù)上一個(gè)又一個(gè)的成功與失敗，迷惑與奮發(fā)！遺憾時(shí)間的倉促，以及自身能力所限，此次設(shè)計(jì)存在很多有待改進(jìn)的方方面面，更存在很多的錯(cuò)漏和失誤的地方。還請(qǐng)各位學(xué)術(shù)上的前輩多多包涵見諒。6.2 設(shè)計(jì)收獲體會(huì)此側(cè)設(shè)計(jì)的電子負(fù)載，從最開始的資源搜集，掉電路的設(shè)計(jì)；從最開始的元件選型，到頂魯板的焊接，再到現(xiàn)實(shí)的事物的軟硬件調(diào)試每一步都充滿了未知與挑戰(zhàn)，在一步步完成設(shè)計(jì)的過程中，不僅使自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)得以綜合，而且培養(yǎng)了創(chuàng)新與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神。 在完成作品的過程中，也由于經(jīng)驗(yàn)不足犯下了許多錯(cuò)誤，比如:軟件設(shè)計(jì)時(shí)程序沒有正確的備份，以至于交作品前重新下載修改過的程序后LED 屏不顯示，找最后一側(cè)備份的程序時(shí)卻沒有找到。