再改直流电子负载课程设计.doc

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1、 合 肥 学 院 综 合 课 程 设 计 报 告题 目： 多功能直流电子负载设计及实现 系 别： 电子信息及电气工程系 专 业： 电子信息工程 班 级： _12电子（专升本）_ 学 号： 1205061024 1205061037 1205061005 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控制内功率MOSFET或晶体管导通量，靠功率管耗散功率消耗电能从而准确检测出负载电压，精确调整负载电流设备。本设计以STC12C5A单片机为主控芯片，配合D/A转换、电压比较器、场效应功率管

2、、液晶显示器等器件构成，并通过相应软件代码配以适当手动调节来实现三种模式转换控制；在定电流模式下，不管输入电压是否改变，电子负载消耗一个恒定电流。在定电压模式下，电子负载将消耗足够电流来使输入电压维持在设定电压上。在定电阻模式下，电子负载被等效为一个恒定电阻，电子负载会随着输入电压改变来线性改变电流。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、系统设计要求及题目分析41.1 任务41.2 要求4基本要求41.2.2.发挥部分41.3 题目分析4二、系统方案论证及选择52.1 系统基本方案52.2 系统最终方案7三、系统硬件设计及实现73.1 系统硬件基本组成部

3、分7主要单元电路设计93.2.1 电源供电电路93.2.2 数模转换电路93.2.3 恒流模式电路113.2.4 恒压模式电路123.2.5 恒阻模式电路12四、系统软件设计144.1 程序流程图14五、系统性能测试15三种模式性能测试155.1.1 恒流模式性能测试155.1.2 恒压模式性能测试17六、总结19七、参考文献20八、附录20电路原理图208.2部分程序代码25主要元器件清单：（表格形式）35实物图36第 33 页一、系统设计要求及题目分析1.1 任务电子负载用于测试直流稳压电源、蓄电池等电源性能。设计并制作一台电子负载，有恒流与恒压两种方式，可手动切换。恒流方式时要求不论输入

4、电压如何变化（在一定范围内），流过该电子负载电流恒定，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，流入电子负载电流随被测直流电源电压变化而变化。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3c.电流设置及读出范围：100mAd.显示分辨率及误差：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.扩大负载参数设置及读出范围c.具有自动过载保护设计1.3 题目分析通常情况下，在电路中负载是指用来吸收电源供应器输出电能量装置，它将电源供应器输出电能量吸收并转化为其他形式能量存储或消耗掉。负载种类繁多，根据其在

5、电路中特性可分为阻性负载、容性负载、感性负载与混合性负载。在实验室，我们通常采用电阻、电容、电感等或它们串并联组合，作为负载模拟真实负载情况，进行电源设备性能实验。本设计中，我们要做是一个电子负载，它是利用电子元件吸收电能并将其消耗一种负载。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，在这里我们采用了绝缘栅型N沟道增强型场效应管，它易于控制且比较稳定，同时可以及电压模块、电流模块构成反馈，使系统相对稳定。二、系统方案论证及选择根据题目要求，本设计系统可以划分为如下六个主要部分：电源部分、单片机控制部分、D/A转换部分、反馈调节部分、输出显示部分、输入调节设定

6、部分。按键输入显示输出单片机D/A转换电流比较电压比较电流设置电压设置功率控制电压监测电流监测反馈反馈图1电子负载系统模拟框图2.1 系统基本方案在本设计中，为了尽可能提高实验成品各方面性能指标，于是对每一个小模块都分别进行了几种不同设计方案论证，并选取最优方案。 单片机部分选取方案一：选用PIC、或AVR等作为控制核心；这些单片机资源丰富，可以实现复杂逻辑功能，功能强大，完全可以实现对本系统控制。但对于本题目而言，其优势资源无法得以表达，且成本稍高。方案二：采用片STC公司STC12C5A60系列单片机，该系列单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法与逻辑控制，

7、并且由于其功耗低、体积小、技术成熟与成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。本设计中，最终选择方案二，采用STC12C5A60系列单片机。 电源模块论证及选择系统需要多个电源，单片机STC12C5A60、数模转换器TLC5615、电压基准源REF5020等均需要5V电压为之供电；散热器、电压比较器LM393AN等均需要12V电压为之供电；运放OP07需要双电源5V供电。方案一：采用升压型稳压电路。用两片MC34063芯片分别将3V电池电压进行直流斩波调压，得到5V与12V稳压输出。只需要使用两节电池，既节省了电池，又减小了系统体积重量，但该电路供电电流小，供电时间短，无法使相对庞大系统稳定运行。

8、方案二：采用三端集成稳压LM7805、LM7905、LM7812芯片分别得到输出5V、-5V、12V稳压电源。该类稳压片具有较强电流驱动能力以及稳定电压输出性能，并且利用该方法方便简单易于操作。本设计中，最终选择方案二，采用LM7805、LM7905、LM7812芯片稳压供电。 D/A转换模块选取方案一：采用DAC0832作为转换器。它是采用CMOS工艺制成单片直流输出型8位数模转换器，它价格低廉，功耗较小，接口简单，功能齐全，转换控制容易，但速度较缓慢，并且在该题中好多接口用不到，使用它有点大材小用。方案二：采用TLC5615芯片作为D/A转换器。它是具有串行接口数模转换器，其输出为电压型，

9、可以直接送到比较器中，并且其最大输出电压是基准电压值两倍。自带有上电复位功能，即把DAC寄存器复位至全零。它只需要通过3根串行总线就可以完成10位数据串行输入，易于与单片机接口,及DAC0832相比，价格也较便宜。本设计中，最终选择方案二，采用TLC5615芯片作为D/A转换器。 显示部分选取方案一：采用LED数码管显示。使用多个数码管动态显示，由于显示内容较多，过多增加数码管个数显然不可行，进行轮流显示控制复杂，加上数码管需要较多连线，使得电路复杂，功耗比较大。方案二:采用LCD12864液晶显示。可以显示英文及数字，利用单片机STC12C5A60来驱动液晶显示模块，设计简单，超薄轻巧,显示

10、信息量大,字迹美观，界面舒适，耗电小，而且容易控制。本设计中，最终选择方案二，采用LCD12864作为显示输出器。 功率控制方案选取方案一：可选用双极型三极管来实现功率控制,它是电流控制型器件。在该题中，若用双极型三极管需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LM393输出端，电路较为复杂。方案二：可选用IRF3205场效应管，来实现功率控制，它是电压控制型器件，可以直接接到电压比较器LM393输出端，并且它受温度影响较小，噪声也较小，相对而言，比较简单。本设计中，最终选择方案二，采用IRF3205场效应管来实现功率控制。2.2 系统最终方案经过仔细分析与论证，决定了系统各模块

11、最终方案如下：（1）电源模块：采用LM7805、LM7905、LM7812电源稳压芯片（2）控制模块：采用STC12C5A60系列单片机。（3）D/A转换模块：采用TLC5615芯片。（4）显示部分模块：采用LCD12864液晶显示。（5）功率控制模块：采用IRF3205场效应管。三、系统硬件设计及实现3.1 系统硬件基本组成部分本设计采用了STC12C5A60系列单片机作为系统控制中心，四个场效应管IRF3205并联作为电子负载核心部分，可实现以下功能：恒流与恒压两种模式，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化（在一定范围内），流过该电子负载电流恒定，且电流值可设定。工作

12、于恒压模式时，电子负载端电压保持恒定，且可设定，另外流入电子负载电流随被测直流电源电压变化而变化，还可以实现定阻模式。处于定阻模式下电子负载上电流及输入电压成线性关系。单片机通过控制D/A模块将数字信号转换为模拟信号，然后及电子负载间构成反馈，使该电子负载电压及电流达到相对稳定状态，最后通过按键可以实现电压及电流切换，在LCD12864液晶显示屏上显示各参数值。LCD12864设定值单片机数模转换电压比较器功率控制散热器稳压5V 12V 供电电路图2 系统硬件基本组成框图 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散热器所需电压是12V，单片机STC12C5A60、数模转

13、换器TLC5615、电压基准源REF5020等均需要5V电压为之供电，电压比较器LM393AN需+12V为之供电，电压跟随器OP07CN需5V，故这里选用了两个L7805、一个L7905、与一个7812作为供电电源。它内部含有限流保护、过热保护与过压保护电路，采用了噪声小、温度漂移小基准电压源，工作稳定可靠。 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，设计中采用使TLC5615 D/A转换器配合REF5020基准电压输出芯片图4数模转换电路如图所示，TLC5615芯片1、2、3脚分别接在单片机P06、P07、P27脚上，基准电压输出芯

14、片REF5020输出2.048V基准电压送到TLC5615数模转换器6脚中，再由外部设定电压值送到单片机中进而控制TLC5615数模转换器输出设定值再送到电压比较器中然后通过控制场效应管IRFP450进行功率控制。 恒流模式电路+-在定电流模式下，不管输入电压是否改变，电子负载消耗一个恒定电流。图5恒流模式电路如图所示，DAI为从数模转换器中输出电流值，If为功率控制电路反馈电流值，If值同时也会输入到单片机中进行监测，并在 LCD12864液晶显示屏上显示出来：当IfDAI时，电压比较器LM393输出低电平，指示灯熄灭，并且场效应管IRF3205截止，使得R10上电流下降，反馈取样电流If减

15、小；当IfDAU时，电压比较器LM393输出高电平，指示灯点亮，并且场效应管IRF3205导通，使得R14上电压下降，反馈取样电压Uf减小；当UfDAU时，电压比较器 LM393输出低电平，指示灯熄灭，并且场效应管IRF3205截止，使得R14上电压升高，最终维持在一恒定值。通过改变DAU输入，可以使负载R10上电压改变，并恒定；例如，设定DAU处电压为10mV，则R10上电压就为0.1V，不管外加信号Ui如何变化，加载在负载上电压恒定为0.1V不变，只有当设定值改变时，才会引起负载两端电压改变；若改变DAU处设定电压为20mV，则R10上电压就为0.2V，若改变DAU处设定电压为30mV，则

16、R10上电压就为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电阻，电子负载会随着输入电压改变来线性改变电流。图7恒阻模式电路如图所示，Uin为外加信号，调节滑动变阻器R17设定阈值电压，当Uin改变时，负载R50上电流也会随之线性变化；因为 U+ = U-U+=Uin*R17下/（R16+R17）U-=Iin*R50所以 Uin /Iin = R50 *（R16+R17）/ R17下可以看到输入电压及输入电流呈现线性变化，并可通过滑动变阻器R17手动设置电阻值。例如，Uin =3sin10t, R17下=20K,则Iin=3sin10t；Uin =3sin10t, R17下

17、=10K,则Iin=6sin10t；固定滑动变阻器R17后，对应某一时刻而言，电压变化，引起了电流变化，且其比值固定不变。四、系统软件设计4.1 程序流程图 开始初始化扫描按键信息等待YND/A转换显示输出数值采样、计算、转换终止继续测试NY图8程序流程图五、系统性能测试 恒流模式性能测试表1恒流模式数据记录表检测值(A)设定值（A)测量值(A）设定误差-3.8%-4.2%3.0%-0.3%3.9%1.6%2.6%1.3%0.3%-0.5%2.1%1.6%1.3%1.2%1.0%0.8%0.7%0.6%0.5%0.5%0.4%0.4%0.3%0.4%0.3%0.2%0.2%0.2%0.2%0.

18、1%0.1%0.1%将上图中设定值、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拟合曲线可以看出，设定值及测量值基本相同。将上图中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，恒流模式下设定误差平均值为 -0.26% ，完全满足设计要求。 恒压模式性能测试表2恒压模式测量数据记录表格检测值(V)设定值（V)测量值(V）设定误差1.2%0.8%0.7%0.6%0.5%0.5%0.5%0.4%0.4%0.3%0.3%50.2%0.2%0.2%0.2%0.1%0.0%0.0%0.0%0.0%0.0%-0.1%-0.1%-0.1%-0.1%-0.1%-

19、0.1%-0.1%-0.1%-0.2%13-0.2%-0.2%-0.3%16-0.3%-0.2%-0.2%-0.2%-0.2%-0.3%-0.2%-0.2%-0.2%-0.3%-0.3%-0.2%-0.2%-0.2%-0.3%-0.3%将上图中设定值、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拟合曲线可以看出，设定值及测量值基本相同。将上图中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，恒压模式下设定误差平均值为 0.03% ，完全满足设计要求。六、总结本设计是基于STC12C5A单片机控制电子负载，有三种工作模式恒压（CV）、恒流（CC）

20、、恒阻（CR）能够直接对被测电子设备进行输出特性测试。通过单片机程控使各个参数都能直观在显示屏上显示。在设计中我们对所有电阻都采用精度较高金属膜电阻，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后输出显示，这样可以降低被测电子设备内阻，尽可能提高系统精度。在我们焊接好电路板，在调试过程中出现了一些问题，刚开始完成时，买到LED液晶显示器通电后，只能看见屏幕亮而无法显示字幕。查找原因发现可能是买显示器不合适，后来在实验室找一块旧代替，问题才解决。在这之后，因为调试时操作不当，致使集成稳压管7805与7905全部烧掉了，最后不得不重新买一些，再次焊接上去。就这样反反复复调试，

21、浪费了不少时间。通过此次课程设计，给了我们很大启发：一方面，发现自己专业知识方面欠缺，即使很熟悉知识点，但在实际使用时还不够灵活,缺乏经验，动手能力也有待提高；另一方面也真实感受到了团队合作重要性，想把一个东西搞出来，凭借一个人能力是很困难。遇到了问题，大家可以讨论解决，你不会地方队友可能会，这样就加快了速度，节省了时间，也能互相学习。 七、参考文献1 万福君，潘松峰.单片微机原理系统设计及应用M.合肥：中国科学技术大学出版社，2001.2 马棡，刘圆圆，瞿文龙.一种双向DC/DC变换器稳态特性分析J.电力电子技术，2007,41（5）：15-18.3 裴云庆，杨旭，王兆安.开关稳压电源设计与

22、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M.北京：中国电力出版社，2002.5 杜少武，陈中.一种新颖软开关双向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82部分程序代码延时unsigned int j,k;k=ms*10;for(;k!=0;k-)for(j=0;j168;j+); unsigned int j,k;k=ms*15;for(;k!=0;k-)for(j=0;j0;us-);128

23、64显示/*检查LCD忙状态 */*lcd_busy为1时，忙，等待。lcd- busy为0时,闲，可写指令及数据。 */bit lcd_busy() bit result; LCD_RS = 0; LCD_RW = 1; LCD_EN = 1; delayNOP(); result = (bit)(P2&0x80); LCD_EN = 0; return(result); /*写指令数据到LCD */*RS=L，RW=L，E=高脉冲，D0-D7=指令码。 */void lcd_wcmd(uchar cmd) while(lcd_busy(); LCD_RS = 0; LCD_RW = 0;

24、LCD_EN = 0; delay_us(3); P2 = cmd; delayNOP(); LCD_EN = 1; delayNOP(); LCD_EN = 0; /*写显示数据到LCD */*RS=H，RW=L，E=高脉冲，D0-D7=数据。 */void lcd_wdat(uchar dat) while(lcd_busy(); LCD_RS = 1; LCD_RW = 0; LCD_EN = 0; P2 = dat; delayNOP(); LCD_EN = 1; delayNOP(); LCD_EN = 0; /* LCD初始化设定 */void lcd_init() LCD_PSB

25、 = 1; /并口方式LCD_RST = 0; /液晶复位 delay(5); LCD_RST = 1; delay(5); lcd_wcmd(0x34); /扩充指令操作 delay(5); lcd_wcmd(0x30); /基本指令操作 delay(5); lcd_wcmd(0x0C); /显示开，关光标 delay(5); lcd_wcmd(0x01); /清除LCD显示内容 delay(5);/* 设定显示位置 */void lcd_pos(uchar X,uchar Y) uchar pos; if (X=1) X=0x80; else if (X=2) X=0x90; else i

26、f (X=3) X=0x88; else if (X=4) X=0x98; pos = X+Y ; lcd_wcmd(pos); /显示地址* 清屏函数 *void clr_screen() lcd_wcmd(0x34); /扩充指令操作 delay(5); lcd_wcmd(0x30); /基本指令操作 delay(5); lcd_wcmd(0x01); /清屏 delay(5); 主函数uchar code menu_1=U: V I: A;uchar code menu_2=恒压: V 步;uchar code menu_3= 恒流: A 进;uchar code menu_4= 恒阻:

27、 ;uchar code menu=0123456789.m -:;void lcd_menu()/开机显示uchar i;lcd_pos(1,0);for(i=0;i16;i+) lcd_wdat(menu_1i); delay(1);lcd_pos(2,0);for(i=0;i16;i+) lcd_wdat(menu_2i); delay(1);lcd_pos(3,0);for(i=0;i16;i+) lcd_wdat(menu_3i); delay(1);lcd_pos(4,0);for(i=0;i=10000)S/=10;out0=menuS%10000/1000;out1=menuS

28、%1000/100;out2=menu10; out3=menuS%100/10;out4=menuS%10; elseout0=menuS%10000/1000;out1=menu10;out2=menuS%1000/100; out3=menuS%100/10;out4=menuS%10; for(i=0;i5;i+) lcd_wdat(outi); delay(1);void lcd_Iin(uint S) /显示输出电流uchar i,out4;out0=menuS%1000/100;out1=menu10;out2=menuS%100/10;out3=menuS%10;lcd_pos

29、(1,5);lcd_wdat(menu14);delay_us(4);for(i=0;i4;i+) lcd_wdat(outi); delay(1);void lcd_Uset(uint S) /显示设置电压uchar i,out5;out0=menuS%10000/1000;out1=menuS%1000/100;out2=menu10;out3=menuS%100/10;out4=menuS%10; /*out0=menuS%10000/1000;out1=menu10;out2=menuS%1000/100;out3=menuS%100/10;out4=menuS%10; */lcd_p

30、os(2,3);lcd_wdat(menu14);delay(1);for(i=0;i5;i+) lcd_wdat(outi); delay(1);void lcd_Iset(uint S) /显示设置电流uchar i,out5;out0=menuS%10000/1000;out1=menu10;out2=menuS%1000/100;out3=menuS%100/10;out4=menuS%10;lcd_pos(3,3);lcd_wdat(menu14);delay(1);for(i=0;i5;i+) lcd_wdat(outi); delay(1);void lcd_R(uint S)

31、/电阻uchar i,out3; if(S100) out0=menuS%100/10;out1=menu10;out2=menuS%10; else if(S1000)S/=10;out1=menuS%100/10;out2=menuS%10;out0=menu_40; else if(S10000) S/=10; out0=menuS/1000;out1=menuS%100/10;out2=menuS%10;lcd_pos(4,3);lcd_wdat(menu14);delay(1);for(i=0;i3;i+) lcd_wdat(outi); delay(1);void lcd_bj(u

32、char S) /显示步进电压uchar out3,i;out0=menuS/100;out1=menu10;out2=menuS%100/10;lcd_pos(4,7);for(i=0;i3;i+) lcd_wdat(outi); delay(1);void lcd_fu(bit a) /显示负号 1负 0正if(a=1)lcd_pos(2,4);lcd_wdat(menu12);delay_us(4);lcd_wdat(menu13);delay_us(4);if(a=0)lcd_pos(2,4);lcd_wdat(menu12);delay_us(4);lcd_wdat(menu12);delay_us(4);主要元器件清单：（表格形式）表3主要元器件清单元件名数量STC12C5A601IRF32054LM3933Op072LCD128641REF50201TLC56152LM78052LM79051LM78121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1实物图 图19 全局实物 图20 负载模块 图21 电源模块图22 显示模块分工情况： 陈王荣负责电路搭建及调试； 李理论负责程序编译及软件仿真。 刘利权负责设计报告编写、修改及资料查找。