(再改)直流电子负载课程设计.docx

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：120506102412050610371205061005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限制内功率MOSFET或晶体管的导通量，靠功率管的耗散功率消耗电能从而精确检测出负载电压，精确调整负载电流的设备。本设计以STCl2C5A单片机为主控芯片，协作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整来实现三种模式的转换限制；在定电流模式下，不管输入电压是否变更，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变更来线性变更电流。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、系统设计要求与题目分析51.1任务51.2要求5基本要求51.2.2.发挥部分51.3题目分析5二、系统方案论证与选择62.1 系统的基本方案72.2 系统的最终方案10三、系统的硬件设计与实现103.1系统硬件的基本组成部分103. 2主要单元电路的设计113. 2.1电源供电电路114. 2.2数模转换电路125. 2.3恒流模式电路126. 2.4恒压模式电路137. 2.5恒阻模式电路14四、系统软件设计154. 1程序流程图15五、系统性能测试165.1三种模式性能测试165.1.1恒流模式性能测试165.1.2恒压模式性能测试18六、总结21七、参考文献22八、附录238.1电路原理图238.2部分程序代码258.3主要元器件清单：（表格形式）358.4实物图36一、系统设计要求与题目分析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更(在肯定的范围内)，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更而变更。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. 电压设置与读出范围：1.00V-30.OVc. 电流设置与读出范围：100mA-3.OOAd. 显示辨别率与误差：至少具有三位数，相对误差小于5%.发挥部分a. 增加恒阻模式(CR)模式b. 扩大负载参数的设置与读出范围c. 具有自动过载爱护设计1.3题目分析通常状况下，在电路中负载是指用来汲取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汲取并转化为其他形式的能量存储或消耗掉。负载的种类繁多，依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。在试验室，我们通常采纳电阻、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状况，进行电源设备的性能试验。本设计中，我们要做的是一个电子负载，它是利用电子元件汲取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，在这里我们采纳了绝缘栅型N沟道增加型场效应管，它易于限制且比较稳定，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依据题目要求，本设计的系统可以划分为如下六个主要部分：电源部分、单片机限制部分、D/A转换部分、反馈调整部分、输出显示部分、输入调整设定部分。显示输出按键输入单片机转换电压监测电压比较反馈电流设置中电流比较功率限制电压设置电流监测图1电子负载系统模2.1 系统的基本方案在本设计中，为了尽可能提高试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。单片机部分的选取方案一：选用PIC、或AVR等作为限制核心；这些单片机资源丰富，可以实现困难的逻辑功能，功能强大，完全可以实现对本系统的限制。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：采纳片STC公司的STCI2C5A60系列单片机，该系列单片机算术运算功能强，软件编程敏捷、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑限制，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，采纳STCI2C5A60系列单片机。电源模块的论证与选择系统须要多个电源，单片机STCI2C5A60、数模转换器T1.C5615、电压基准源REF5020等均须要5V的电压为之供电；散热器、电压比较器1.M393AN等均须要12V的电压为之供电；运放0P07须要双电源±5V供电。方案一：采纳升压型稳压电路。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。只须要运用两节电池，既节约了电池，又减小了系统体积重量，但该电路供电电流小，供电时间短，无法使相对浩大的系统稳定运行。方案二：采纳三端集成稳压1.M7805、1.M7905>1.M7812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实力以与稳定的电压输出性能，并且利用该方法便利简洁易于操作。本设计中，最终选择方案二，采纳1.M7805、1.M7905、1.M7812芯片稳压供电。D/A转换模块的选取方案一：采纳DACO832作为转换器。它是采纳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，接口简洁，功能齐全，转换限制简洁，但速度较缓慢，并且在该题中好多接口用不到，运用它有点大材小用。方案二：采纳T1.C5615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，可以干脆送到比较器中，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。它只须要通过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DACo832相比，价格也较便宜。本设计中，最终选择方案二，采纳T1.C5615芯片作为D/A转换器。显示部分的选取方案一：采纳1.ED数码管显示。运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明显不行行，进行轮番显示限制困难，加上数码管须要较多连线，使得电路困难，功耗比较大。方案二：采纳1.CD12864液晶显示。可以显示英文与数字，利用单片机STCI2C5A60来驱动液晶显示模块，设计简洁，超薄灵巧，显示信息量大，字迹美观，界面舒适，耗电小，而且简洁限制。本设计中，最终选择方案二，采纳1.CDI2864作为显示输出器。功率限制方案的选取方案一：可选用双极型三极管来实现功率限制，它是电流限制型器件。在该题中，若用双极型三极管须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1.M393的输出端，电路较为困难。方案二：可选用IRF3205场效应管，来实现功率限制，它是电压限制型器件，可以干脆接到电压比较器1.M393的输出端，并且它受温度影响较小，噪声也较小，相对而言，比较简洁。本设计中，最终选择方案二，采纳IRF3205场效应管来实现功率限制。2.2 系统的最终方案经过细致分析和论证，确定了系统各模块的最终方案如下：(1)电源模块：采纳1.M7805、1.M7905>1.M7812电源稳压芯片(2)限制模块：采纳STCI2C5A60系列单片机。(3)D/A转换模块：采纳T1.C5615芯片。(4)显示部分模块：采纳1.CDI2864液晶显示。(5)功率限制模块：采纳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纳了STCI2C5A60系列单片机作为系统的限制中心，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更(在肯定的范围内)，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更而变更，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。单片机通过限制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，最终通过按键可以实现电压与电流的切换，在1.CD12864液晶显示屏上显示各参数的值。设定值1.CD1286稳压±5V12V供电电路功率限制散热器图2系统硬件基本组成框图3.2 主要单元电路的设计电源供电电路图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STCI2C5A60、数模转换器T1.C5615、电压基准源REF5020等均须要5V的电压为之供电，电压比较器1.M393AN需+12V为之供电,电压跟随器0P07CN需±5V,故这里选用了两个1.7805、一个1.7905、和一个7812作为供电电源。它内部含有限流爱护、过热爱护和过压爱护电路，采纳了噪声小、温度漂移小的基准电压源，工作稳定牢靠。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，设计中采纳的使T1.C5615D/A转换器协作REF5020基准电压输出芯片图4数模转换电路如图所示，T1.C5615芯片的1、2、3脚分别接在单片机的P0'6、POM、P2/脚上，基准电压输出芯片REF5020输出2.048V的基准电压送到T1.C5615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限制T1.C5615数模转换器输出设定值再送到电压比较器中然后通过限制场效应管IRFP450进行功率限制。恒流模式电路在定电流模式下，不管输入电压是否变更，电子负载消耗一个恒定的电流。图5恒流模式电路刈图所示，DAl为从娄.模转换器中输出的电流值，If为功率限制电5.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1.CD12864液晶显示屏上显示出来：当If>DAI时，电压比较器1.M393输出低电平，指示灯熄灭，并且场效应管IRF3205截止，使得RlO上的电流下降，反馈取样电流If减小；当If<DAI时，电压比较器1.M393输出高电平，指示灯点亮，并且场效应管IRF3205导通，使得RlO上的电流上升，最终维持在一恒定的值。通过变更DAl的输入，可以使负载RlO上的电流变更，并恒定；例如，设定DAl处电压为IomV,则RlO上的电流就为0.1A,不管外加信号Ui如何变更，流经负载上的电流恒定为0.IA不变，只有当设定值变更时，才会引起负载上的电流变更；若变更DAl处设定电压为20mV,则RlO上的电流就为0.2A,若变更DAl处设定电压为30mV,则RlO上的电流就为0.3Ao恒压模式电路在定电压模式下，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。图6恒压模式电路如图所示，DAU为从数模转换器中输出的电压值，Uf为功率限制电路的反馈电压值，Uf的值同时也会输入到单片机中进行监测，并在1.CDI2864液晶显示屏上显示出来：当Uf>DAU时，电压比较器1.M393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Uf<DAU时，电压比较器1.M393输出低电平，指示灯熄灭，并定的值。通过变更DAU的输入，可以使负载RlO上的电压变更，并恒定；例如，设定DAU处电压为IomV,则RlO上的电压就为0.IV,不管外加信号Ui如何变更，加载在负载上的电压恒定为0.IV不变，只有当设定值变更时，才会引起负载两端的电压变更；若变更DAU处设定电压为20mV,则RlO上的电压就为0.2V,若变更DAU处设定电压为30mV,则RlO上的电压就为0.3V。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变更来线性变更电流。图7恒阻模式电路如图所示，Uin为外加信号，调整滑动变阻器R17设定阈值电压,当Uin变更时，负载R50上的电流也会随之线性变更；因为U.=U-U+=Uin*R17/(R16+R17)U-=Iin*R50所以Uin/Iin=R50*(R16÷Ri7)/R17下可以看到输入电压与输入电流呈现线性变更，并可通过滑动变阻器R17手动设置电阻值。例如，Uin=3sinl0t,R17t=20K,WJIin=3sinl0t;Uin=3sinl0t,Ru下二IOK,则Iin=6sinl0t;固定滑动变阻器R17后，对应某一时刻而言，电压的变更，引起了电流的变更，且其比值固定不变。四、系统软件设计4.1程序流程图图8程序流程图五、系统性能测试5.1三种模式性能测试恒流模式性能测试表1恒流模式数据记录表检测值（八）设定值（八）测量值（八）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%,完全满意设计要求。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%,完全满意设计要求。六、总结本设计是基于STC12C5A单片机限制的电子负载，有三种工作模式恒压(CV)、恒流(CC),恒阻(CR)能够干脆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。在设计中我们对全部电阻都采纳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终输出显示，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，刚起先完成时，买到的1.ED液晶显示器通电后，只能望见屏幕亮而无法显示字幕。查找缘由发觉可能是买的显示器不合适，后来在试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，最终不得不重新买一些，再次焊接上去。就这样反反复复的调试，奢侈了不少的时间。通过此次的课程设计，给了我们很大的启发：一方面，发觉自己专业学问方面的欠缺，即使很熟识的学问点，但在实际运用时还不够敏捷,缺乏阅历，动手实力也有待提高；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，凭借一个人的实力是很困难的。遇到了问题，大家可以探讨解决，你不会的地方队友可能会，这样就加快了速度，节约了时间，也能相互学习。七、参考文献1万福君，潘松峰.单片微机原理系统设计与应用M合肥：中国科学技术高校出版社，2001.2马桐，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DI.北京：中国电力出版社，2002.5杜少武，陈中.一种新奇的软开关双向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8.2部分程序代码延时voiddelay1(unsignedintms)/12.OOOMHzunsignedintj,k;k=ms*10;for(;k!=O;k-)for(j=0;j<168;j÷+);voiddelay(unsignedintms)/12.OOOMHzunsignedintj,k;k=ms*15;for(;k!=O;k-)for(j=0;j<168;j+);voiddelay_us(unsignedintus)for(;us>0;us-);12864显示*检查1.CD忙状态*/*1CC1.bUSy为1时，忙，等待。ICd-busy为0时，闲，可写指令与数据。*/bitlcd_busy()bitresult;1.CD_RS=0;1.CD_RW=1;1.CD_EN=1;delayN0P();result=(bit)(P2½0x80);1.CD_EN=0;return(result);/*写指令数据到1.CD*/*RS=1.,RW=1.,E=高脉冲，DO-D7二指令码*/voidlcd_wcmd(ucharcmd)whiIe(lcd_busy();1.CD_RS=0;1.CD_RW=0;1.CD_EN=0;delayus(3);P2=cmd;delayNOP();1.CD_EN=1;delayNOP();1.CD_EN=0;*写显示数据到1.CD*/*RS=H,RW=1.,E=高脉冲，D0-D7=数据。*/voidIcdwdat(uchardat)whiIe(Icdbusy()1.CD_RS=1;1.CD_RW=0;1.CD_EN=0;P2=dat;delayNOP();1.CD_EN=1;delayNOP();1.CD_EN=0;*1.CD初始化设定*/voidlcd_init()并口方式液晶复位扩充指令操作基本指令操作1.CD_PSB=1;1.CD_RST=0;delay(5);1.CD_RST=1;delay(5);lcd_wcmd(0x34);delay(5);lcd_wcmd(0x30);delay(5);codemenu_l=z,U:Vcodemenu2="恒压：codemenu_3=z/恒流：codemenu_4=/z恒阻：codemenu=/z0123456789.lcd_menu()显示开，关光标清除1.CD的显示内容X,ucharY)开机显示lcd_wcmd(OxOC);delay(5);lcd_wcmd(0x01);delay(5);*设定显示位置*/voidlcd_pos(ucharucharpos;if(X=I)X=0x80;)elseif(X=2)X=0x90;elseif(X=3)X=0x88;)elseif(X=4)X=0x98;)pos=X+Y;lcd_wcmd(pos);*清屏函数*voidclr_screen()lcd_wcmd(0x34);delay(5);lcd_wcmd(0x30);delay(5);lcd_wcmd(0x01);delay(5);主函数ucharucharucharucharucharvoid显示地址扩充指令操作基本指令操作清屏I:A;V步;A进;Q;m-：；uchari;lcd_pos(1,0);for(i=0;i<16;i+)lcd_wdat(menu_li);delay；lcd_pos0);foHi=0;i<16;i+)1cd_wdat(menu_2i);delay(1);lcd_pos(3,O);for(i=O;i<16;i+)lcd_wdat(menu-3i);delay(1);lcd_pos(4,0);for(i=0;i<16;i+)1cd_wdat(menu_4i);delay(1);voidlcd_Uin(uintS)显示输出电压uchari,out5;lcd_pos(1,1);if(S>=10000)S=10;out0=menuS%100001000;outl=menuS%1000100;out2=menu10;out3=menuS%10010;out4=menuS%10;elseout0=menuS%100001000;outl=menu10;out2=menuS%1000/100;out3=menuS%10010;out4=menuS%10;for(i=0;i<5;i+)lcd_wdat(outi);delay(1);voidlcd_Iin(uintS)显示输出电流uchari,out4;out0=menuS%1000100;outl=menu10;out2=menuS%10010;out3=menuS%10;lcd_pos(1,5);lcd_wdat(menu14);delay_us(4);for(i=0;i<4;i+)lcd_wdat(outi);delay(1);voidlcd_Uset(uintS)显示设置电压uchari,out5;out0=menuS%100001000;outl=menuS%1000100;out2=menu10;out3=menuS%10010;out4=menuS%10;*out0=menuS%100001000;outl=menu10;out2=menuS%1000100;out3=menuS%10010;out4=menuS%10;*/lcd_pos3);lcd_wdat(menu14);delay(1);for(i=0;i<5;i+)lcd_wdat(outi);delay(1);voidlcd_Iset(uintS)显示设置电流uchari,out5;out0=menuS%100001000;outl=menu10;out2=menuS%1000100;out3=menuS%10010;out4=menuS%10;lcd_pos(3,3);lcd_wdat(menu14);delay(1);for(i=0;i<5;i+)lcd_wdat(outi);delay(1);voidlcd_R(uintS)电阻uchari,out3;if(S<100)out0=menuS%10010;outl=menu10;out2=menuS%10;elseif(S<lOOO)S=10;outl=menuS%10010;out2=menuS%10;out0=menu_40;elseif(S<10000)S=10;out0=menuS1000;outl=menuS%10010;out2=menuS%10;lcd_pos(4,3);lcd_wdat(menu14);delay(1);for(i=0;i<3;i+)lcd_wdat(outi);delay(1);voidlcd_bj(ucharS)显示步进电压ucharout3,i;out0=menuS/100;outl=menu10;out2=menuS%10010;lcd_pos(4,7);forG=0;i<3;i+)lcd_wdat(outi);delay(1);voidlcd_fu(bita)显示负号1负0正if(a=l)lcd_pos(2,4);lcd_wdat(menu12);delay_us(4);lcd_wdat(menu13);delay_us(4);if(a=0)lcd_pos4);lcd_wdat(menu12);delay_us(4);lcd_wdat(menu12);delay_us(4);8.3主要元器件清单：(表格形式)表3主要元器件清单数量元件名STC12C5A601IRF320541.M3933OpO721.CD128641REF50201T1.C561521.M780521.M790511.M78121电容10电阻20二极管4发光二极管5按键开关5晶振1电位器3散热器1变压器18.4实物图图19全局实物图20负载模块图21电源模块图22显示模块分工状况：陈王荣负责电路的搭建与调试；李理论负责程序的编译与软件仿真。刘利权负责设计报告的编写、修改与资料的查找。