電子大賽-直流電子負(fù)載

1、直流電子負(fù)載摘要：該系統(tǒng)是以制作一臺(tái)實(shí)現(xiàn)恒壓、恒流、恒阻模式的直流電子負(fù)載為目的。系統(tǒng)采用STM32F103為主控芯片，使用OP27作為驅(qū)動(dòng)裝置，并配合AD81115和TLV5616實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。工作時(shí)，采集的模擬信號(hào)經(jīng)放大電路后送入轉(zhuǎn)換電路生成數(shù)字信號(hào)，再送入單片機(jī)進(jìn)行PID算法處理，不斷調(diào)節(jié)，輸出值經(jīng)TLV5616 DA電路再轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，最后通過(guò)放大電路驅(qū)動(dòng)MOSFET管，經(jīng)液晶模塊同步顯示最后值。經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)試，此設(shè)計(jì)能夠檢測(cè)被測(cè)電源的電流值、電壓值和電阻值，能夠?qū)崿F(xiàn)恒壓、恒流、恒阻模式且滿足誤差要求。關(guān)鍵詞：電子負(fù)載 恒壓 恒流 恒阻 STM32 ADAbstract : In or

2、der to make a DC electronic load, the system can achieve the constant current, constant voltage and constant resistance model . The systems main control chip is the STM32F103, using the OP27 as driving device and the voltage are transformed through AD81115 and TLV5616. When it is working, the sampli

3、ng voltage is transformed into the digital signal through the AD81115. The output signal is disposed and adjusted constantly by MCUs PID algorithm. The out-putting voltage is transformed into analog by the DA TLV5616. At the last, the MOSFET is drived by the amplifier circuit. The LCD module synchro

4、nously displays the voltage and current value. Through actual detection, this design can detect the measured power supply current value, voltage value and resistance and realize constant current, constant voltage and constant resistance model as well as can satisfy the error requirements. Key words:

5、 The Electronic load, Constant voltage, Constant current, Constant resistance, STM32 , AD 目錄一、設(shè)計(jì)要求 1二、總體方案設(shè)計(jì) 1 2.1總體方案概述 12.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1三、具體方案設(shè)計(jì) 23.1方案比較與論證 2 3.1.1電源選擇方案 2 3.1.2MCU的選取 2 3.1.3顯示電路方案設(shè)計(jì) 2 3.1.4模式轉(zhuǎn)換方案 2 3.1.5輸入方案 23.2理論分析與計(jì)算 2 3.2.1恒流原理及設(shè)計(jì) 3 3.2.2恒壓原理及設(shè)計(jì) 3 3.2.3發(fā)揮部分的設(shè)計(jì) 43.3程序設(shè)計(jì) 43.3.1程序流程

6、 43.3.2程序清單 4四、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與測(cè)試結(jié)果 4五、總結(jié) 6六、參考文獻(xiàn) 6七、附件 7附件一：恒流恒壓電路 7附件二：總體原理圖及PCB 8附件三：程序 11 一、設(shè)計(jì)要求1任務(wù)電子負(fù)載用于測(cè)試直流穩(wěn)壓電源、蓄電池等電源的性能。設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)電子負(fù)載，有恒流和恒壓兩種方式，可手動(dòng)切換。恒流方式時(shí)要求不論輸入電壓如何變化（在一定的范圍內(nèi)），流過(guò)該電子負(fù)載的電流恒定，且電流值可設(shè)定。工作于恒壓方式時(shí)，電子負(fù)載端電壓保持恒定，且可設(shè)定，流入電子負(fù)載的電流隨被測(cè)直流電源的電壓變化而變化。2要求2.1基本要求（1）負(fù)載工作模式：恒壓（CV）、恒流（CC）兩種模式可選擇（2）電壓設(shè)置及調(diào)節(jié)范圍：，相

7、對(duì)誤差小于5%，調(diào)節(jié)時(shí)間小于3S。（3）電流設(shè)置及調(diào)節(jié)范圍：100mA-2.00A，相對(duì)誤差小于5%，調(diào)節(jié)時(shí)間小于3S。2.2 發(fā)揮部分（1）增加恒阻模式（CR），測(cè)量精度5%；（2）擴(kuò)大負(fù)載參數(shù)的設(shè)置及調(diào)節(jié)范圍，以及精度；（3）具有自動(dòng)過(guò)載保護(hù)報(bào)警設(shè)計(jì)。過(guò)載值可設(shè)。二、總體方案設(shè)計(jì)2.1總體方案概述本系統(tǒng)采用STM32F103作為主控芯片，包括控制電路、主電路、采樣電路、顯示電路等。恒流模式時(shí)不論輸入電壓如何變化（在一定范圍內(nèi)），流過(guò)該電子負(fù)載的電流恒定，且電流值可設(shè)定。恒壓模式和恒阻模式原理一樣。此設(shè)計(jì)主要設(shè)定預(yù)置電壓來(lái)達(dá)到恒流、恒壓效果，恒阻模式是在恒流模式下完成的。在程序中控制模式的切

8、換，并由矩陣鍵盤輸入實(shí)現(xiàn)。當(dāng)工作在恒壓模式時(shí)，采集電壓經(jīng)過(guò)電壓跟隨，緩沖電壓變化再送入單片機(jī)PID處理。單片機(jī)處理電壓值后再進(jìn)過(guò)D/A模塊和OP27芯片放大來(lái)驅(qū)動(dòng)MOS管。當(dāng)工作在恒流模式時(shí)，此處不再需要跟隨器。采集到的電流值經(jīng)放大后送入STM32處理，輸出值再經(jīng)過(guò)D/A模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)MOS管。恒阻模式是在恒流模式下實(shí)現(xiàn)的。在恒流電路的基礎(chǔ)上通過(guò)MCU檢測(cè)到的輸入電壓來(lái)計(jì)算電流，達(dá)到恒阻功能的目的。過(guò)載保護(hù)由單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)。當(dāng)電路中電流過(guò)大時(shí)，程序會(huì)把MOS管封鎖，使電流為零，從而達(dá)到過(guò)載保護(hù)作用。2.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖1 總體結(jié)構(gòu)圖三、具體方案設(shè)計(jì)3.1方案比較與論證 3.1.1電源選擇方案 方案

9、一：開關(guān)電源。電壓電流調(diào)整率低，對(duì)外干擾大，不適合模擬電路。 方案二：線性電源。紋波小，調(diào)整效率好，對(duì)外干擾小,精度高，調(diào)節(jié)范圍廣。適合用于模擬電路，各類放大器等。因此選擇方案二。 3.1.2MCU的選取 方案一: 宏晶公司的STC89C52。STC89C52為8位單片機(jī)，價(jià)格低，程序易寫，但I(xiàn)/O口少,內(nèi)存小，且需接外部AD，運(yùn)算速度低，功耗高。故舍棄。方案二: ST公司的STM32f103。STM32為32位單片機(jī)，頻率高，速度快，功耗低，性價(jià)比高，內(nèi)部自帶12位AD，AD轉(zhuǎn)換精度高，故選此方案。 3.1.3顯示電路方案設(shè)計(jì)方案一: 數(shù)碼管顯示。程序控制相對(duì)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，但數(shù)碼管只能顯示數(shù)

10、字且程序復(fù)雜，應(yīng)用不便。方案二: 液晶顯示。液晶可以顯示數(shù)字、字符和漢字，增加顯示信息的可讀性。顯示信息量大，字跡美觀，且容易控制。故選此方案。3.1.4模式轉(zhuǎn)換方案 方案一：選用開關(guān)手動(dòng)改變，手動(dòng)可完成但是與軟件不同步易造成誤操做。 方案二：選取繼電器直接用鍵盤控制模式轉(zhuǎn)換。故選擇方案二。 3.1.5輸入方案 方案一：通過(guò)獨(dú)立鍵盤輸入數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)的加減來(lái)確定數(shù)據(jù)。這樣按鍵數(shù)量減少，但是輸入數(shù)據(jù)很慢且很麻煩。方案二：矩陣鍵盤輸入，功能齊全且直接輸入方便快捷。能夠較方便的選擇恒壓、恒流、恒阻模式。故選擇此方案。3.2理論分析與計(jì)算 系統(tǒng)總體原理圖和PCB圖見附件二。 3.2.1恒流原理及設(shè)計(jì)圖

11、2恒流電路為取樣電路，VERF是給定信號(hào)，電路工作原理：當(dāng)給定一個(gè)信號(hào)VERF時(shí)，如果上的電壓小于VREF,也就是OP07的-IN小于+IN，OP07加大輸出，使MOS加大導(dǎo)通使R3的電流加大。如果上的電壓大于VREF,也就是OP07的-IN大于+IN，OP07減小輸出，使MOS減小導(dǎo)通使的電流減小。這樣不論輸入電路的電壓值如何改變，電流最終維持在恒定的給定值上，也就實(shí)現(xiàn)了恒流工作。本系統(tǒng)給定值是程序設(shè)定的。恒流原理圖見附件一。本系統(tǒng)由按鍵實(shí)現(xiàn)模式的選擇。當(dāng)工作在恒流模式時(shí)，此處不再需要跟隨器。采集到的電流值經(jīng)放大后送入STM32處理，輸出值再經(jīng)過(guò)D/A模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)MOS管。3.2.2恒壓原理及

12、設(shè)計(jì)圖3恒壓電路恒壓原理：圖中MOS管上的電壓經(jīng)與分壓后送入運(yùn)放+IN與給定值進(jìn)行比較。當(dāng)電位器在10%時(shí)，-IN為,那么MOS管上的電壓應(yīng)為。本系統(tǒng)給定值是程序預(yù)置的。恒壓原理圖見附件一。由按鍵來(lái)切換各種模式，當(dāng)工作在恒壓模式時(shí)，由于要采集電壓送給單片機(jī)，所以應(yīng)加一個(gè)電壓跟隨，緩沖電壓變化。單片機(jī)PID處理，輸出電壓經(jīng)過(guò)D/A模塊和放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)MOS管。注意：附件中的恒壓原理圖及恒流原理圖分開來(lái)給出的，是為了能夠更好的理解本次設(shè)計(jì)的思路和各部分的功能。其后附件中又給出了整體的原理圖（一個(gè)MOS驅(qū)動(dòng)）及PCB圖。3.2.3發(fā)揮部分的設(shè)計(jì) 在定電阻工作模式時(shí)，電子負(fù)載所流入的負(fù)載電流依據(jù)所設(shè)定負(fù)

13、載電阻和輸入電壓的大小而定，此時(shí)負(fù)載電流與輸入電壓呈正比例，比值即是所設(shè)定的負(fù)載電阻，即負(fù)載電阻保持設(shè)定值不變。 恒阻模式是在恒流模式下實(shí)現(xiàn)的。在恒流電路的基礎(chǔ)上通過(guò)MCU檢測(cè)到的輸入電壓來(lái)計(jì)算電流，達(dá)到恒阻功能的目的。比如要恒定電阻為10歐時(shí)，MCU檢測(cè)到輸入電壓為20V，那么會(huì)控制輸出電流為2A。這樣就實(shí)現(xiàn)恒阻模式。 過(guò)載保護(hù)是在程序中實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電路中的電流過(guò)大時(shí)，程序會(huì)把MOS管封鎖，使電流為零，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)。3.3程序設(shè)計(jì) 程序流程圖如下圖4。圖4 程序圖程序放在附件三中。四、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與測(cè)試結(jié)果表一：恒流模式測(cè)試預(yù)置電流（mA）實(shí)測(cè)電流（A）相對(duì)誤差1000.1033%5000.5

14、122.4%10001.0333.3%15001.5241.6%20002.0733.65%分析：由表一中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)工作在恒流模式時(shí)，實(shí)測(cè)電流與預(yù)置電流相差很小，其相對(duì)誤差小于5%，達(dá)到了任務(wù)要求。表二：恒壓模式測(cè)試預(yù)置電壓(mV)實(shí)測(cè)電壓(V)相對(duì)誤差20001.9761.2%50005.0250.5%1000010.323.2%1500014.791.4%2000020.251.25%分析：由表二中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)工作在恒壓模式時(shí)，實(shí)測(cè)電壓與預(yù)置電壓相差很小，其相對(duì)誤差5%，達(dá)到了任務(wù)要求。表三：恒阻模式測(cè)試預(yù)置電阻()實(shí)測(cè)電壓(V)實(shí)測(cè)電流(A)實(shí)測(cè)電阻（）相對(duì)誤差1010.477

15、61.047610.0010.01%2010.63860.532719.9710.145%5010.75410.215549.9030.194%10010.79300.108799.2920.701%15010.79400.0723149.20.533%分析：由表三中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)工作在恒阻模式時(shí)，先測(cè)出實(shí)測(cè)電壓與實(shí)測(cè)電流，可計(jì)算出實(shí)測(cè)電阻，與預(yù)置電阻相比，其相對(duì)誤差小于1%，達(dá)到了任務(wù)要求。但是當(dāng)預(yù)置電阻高于150時(shí)，其誤差大于5%。仿真結(jié)果：當(dāng)系統(tǒng)工作在恒流模式下的仿真結(jié)果，如下圖5。圖5 恒流模式仿真當(dāng)系統(tǒng)工作在恒流模式時(shí)，若程序預(yù)定值為0.5A，由仿真圖中可以看出，系統(tǒng)電流從0A變化

16、到0.5A大約經(jīng)過(guò)了0.7s，之后檢測(cè)值穩(wěn)定。在2.0s時(shí)改變了預(yù)定值為2A，則經(jīng)過(guò)了大約0.2s后，電流從0.5A變化到了2A，之后系統(tǒng)穩(wěn)定在2A。因此實(shí)現(xiàn)了電流恒定。當(dāng)系統(tǒng)工作在恒壓模式時(shí)的仿真結(jié)果，如下圖6。圖6恒壓模式仿真 當(dāng)系統(tǒng)工作在恒壓模式時(shí)，若電壓預(yù)定值為5V，經(jīng)過(guò)0.1s后電壓恒定在5V，在改變電壓預(yù)定值為20V，經(jīng)過(guò)后電壓恒定在20V。達(dá)到了電壓恒定效果。五、總結(jié)本次設(shè)計(jì)以STM32為控制核心的電子負(fù)載，可以實(shí)現(xiàn)恒流、恒壓和恒阻模式。不論輸入的電壓值如何改變（在一定范圍內(nèi)），輸出的電壓、電流不變，當(dāng)電壓電流都不變時(shí)，其電阻也不變。通過(guò)單片機(jī)程控使各個(gè)參數(shù)都能直觀的在液晶上顯示

17、，很好的完成了本次的任務(wù)即實(shí)現(xiàn)了恒流、恒壓、恒阻模式。此電子負(fù)載能很好的替代傳統(tǒng)的測(cè)試方法，更簡(jiǎn)單更可靠。但是本設(shè)計(jì)還存在很多不足，比如是功耗型。希望在以后的學(xué)習(xí)中能逐步改善。六、參考文獻(xiàn)【1】單片微機(jī)原理及應(yīng)用【M】.北京機(jī)械工業(yè)出版社.2005.【2】黃慶華，張永格.單片機(jī)開發(fā)技術(shù)和實(shí)訓(xùn)【M】. 【3】電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第四版）【M】.高等教育出版社.1996（2004重?。?【4】全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽訓(xùn)練教程【M】.電子工業(yè)出版社.2005-1.【5】數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)【M】高等教育出版社.1998-12.【6】?jī)x器儀表學(xué)報(bào)【J】第33卷第六期.2012七、附件附件一圖一 恒流電路圖

18、二 恒壓電路附件二總體原理圖PCB圖附件三 程序：/*模擬IIC： PB8->>SCL PB9->>SDA-*/*鍵盤： PC0-PC7-*/*液晶顯示：PA8、PA11、PA12->>CS、SID、SCLK-*/*USART1: PA9 PA10-*/*SPI: PA0、PA1、PA2->>DIN、SC、FS-*/*時(shí)間： 2012-9-14-*/#include "stm32f10x_lib.h"#include "maze.h"/* 函數(shù)名稱 ： main(void)* 函數(shù)功能 ： 主函數(shù)* 輸 入： 無(wú)* 輸 出： 無(wú)* 返 回： 無(wú)*/s8 key_get;char MODE=10;char MODE_store;extern char key_check;extern char re_set;int main(void) init(); deal_I_stat();while(1) /key_get=key_scan();if(key