直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)及制作論文

1、-PAGE . z直流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)與制作摘要：本直流電子負(fù)載采用C8051F360作為系統(tǒng)的主制芯片，可以實(shí)現(xiàn)恒流、恒壓和恒阻三種模式。三種模式可手動(dòng)切換。三種模式下，電流、電壓、電阻的給定是通過鍵盤進(jìn)展設(shè)定。硬件電路有單片機(jī)電路；鍵盤、顯示、A/D、D/APWM,電壓檢測電路，電流檢測電路，MOS管及驅(qū)動(dòng)電路組成。恒流恒壓模式下，單片機(jī)通過檢測電子負(fù)載電流電壓值與給定電流電壓值比擬，由PID算法進(jìn)展PWM控制，到達(dá)恒流恒壓的目的；恒阻模式下，根據(jù)R=U/I計(jì)算電子負(fù)載阻值與給定電阻值進(jìn)展比擬，由PID算法進(jìn)展PWM控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)恒阻控制。 通過安裝調(diào)試；本直流電子負(fù)載電壓在120V、電流在

2、100mA2A、電阻在1200 圍，跟蹤誤差3%，調(diào)節(jié)時(shí)間3秒。關(guān)鍵字：C8051F360；電子負(fù)載；恒流模式；恒壓模式；恒阻模式第一局部 方案論證與設(shè)計(jì)1.1整體方案設(shè)計(jì)經(jīng)過仔細(xì)研究分析，我們設(shè)計(jì)系統(tǒng)的構(gòu)造框圖如下：圖1-1系統(tǒng)總體框圖1.2 模塊方案比擬1.2.1主控單元模塊方案一：采用ATMEL 公司的AT89C51。51單片機(jī)構(gòu)造簡單，操作方便，應(yīng)用廣泛，價(jià)格廉價(jià)。但是速度慢，程序復(fù)雜，硬件誤差過大，難于滿足指標(biāo)要求。方案二：采用C8051F360單片機(jī)控制。C8051F360單片機(jī)速度快且?guī)险{(diào)試功能，且具有片A/D轉(zhuǎn)換功能。強(qiáng)大的處理能力，豐富的片上外圍模塊，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，開發(fā)環(huán)

3、境方便高效。綜上所述兩種方案相比擬，C8051F360單片機(jī)可靠性更高，應(yīng)選擇方案二。A/D轉(zhuǎn)換電路方案一：采用 TLC7135芯片。其優(yōu)點(diǎn)是用簡單電路就能獲得高分辨率， 但缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時(shí)間，因此轉(zhuǎn)換速率極低。方案二：采用C8051F360片自帶的10位AD轉(zhuǎn)換器。該AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快且精度高，同時(shí)也簡化了外部硬件電路。兩者相比C8051F360部自帶的AD精度更高、操作方面，應(yīng)選擇方案二。1.2.3顯示模塊方案一：采用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有接線簡單，本錢低廉，配置簡單靈活，編程容易，對(duì)外界環(huán)境要求較低，易于維護(hù)等特點(diǎn)。電壓和電流的顯示可以用數(shù)碼管，并且本直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)并不

4、需要顯示太多的容，數(shù)碼管就可以完成要求。方案二：采用液晶顯示LCD。液晶顯示具有功耗低、體積小、質(zhì)量輕、無輻射危害的特點(diǎn)。但是液晶價(jià)格昂貴且屏幕容易出現(xiàn)瑕疵。對(duì)于此系統(tǒng)只是簡單地顯示電壓電流值無需其他文字說明，從要求和本錢考慮我們選擇方案一。兩種方案比擬可知應(yīng)選擇方案一。1.2.4鍵盤模塊：方案一：采用矩陣式鍵盤。將鍵盤排列成矩陣形式，需要通過軟件對(duì)按鍵進(jìn)展判斷和定義，且接口電路由單片機(jī)系統(tǒng)直接訪問和控制，鍵盤的掃描、去抖動(dòng)、判斷和編碼等操作都需要單片機(jī)完成，這樣會(huì)使得單片機(jī)的工作量非常大，使單片機(jī)的效率降低。方案二：采用專用的按鍵掃描控制芯片74HC165。能夠獨(dú)立的完成對(duì)鍵盤中按鍵的掃描與

5、管理，并且通過簡單接口與微控制器進(jìn)展連接。使用按鍵掃描控制芯片來完成微控制器的鍵盤管理，可以大大的提高微控制器的工作效率。經(jīng)比擬選擇方案二，在本直流電子負(fù)載中，采用74HC165鍵盤掃描控制集成芯片。1.2.5恒流模塊方案一：電阻采樣反應(yīng)法，在功率MOS管的源極串接采樣電阻，將電流轉(zhuǎn)換成電壓，反應(yīng)至高增益誤差放大器的反相端。在同相端輸入固定電壓，當(dāng)反相端的電壓等于同相端的電壓時(shí)，功率MOS管的電流就恒定，即電流與同相端電壓成正比例關(guān)系。方案二：電流直接采樣法，通過電流傳感器及運(yùn)放電路檢測流入電子負(fù)載的電流，與設(shè)定電流相比擬，看電流是否到達(dá)系統(tǒng)設(shè)定的電流值，通過PID算法控制DA輸出電壓，進(jìn)而控

6、制功率MOS管的導(dǎo)通量來控制電流。方案一與方案二相比，由于采樣電阻的功率太小，使電子負(fù)載可流入的電流受到很大的限制，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足題目的要求，方案二的缺點(diǎn)是系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢，但可以通過較大的電流。綜合考慮，我們選擇方案二。1.2.6恒壓模塊方案一：三極管放大比擬法，此方案中三極管的基極和發(fā)射極分別相當(dāng)于比擬器的負(fù)、正輸入端。這樣的電路可以實(shí)現(xiàn)恒壓功能，但是誤差比擬大，同時(shí)還有較大的功率損耗。方案二；通過調(diào)節(jié)PWM占空比來比擬調(diào)節(jié)指定電壓與負(fù)載電壓。這種電路構(gòu)造簡單，誤差較小。比擬兩種方案知應(yīng)選擇方案二。1.2.7恒阻模塊 方案一：硬件實(shí)現(xiàn)法，將功率MOS管的端電壓V采樣至誤差放大器的同相端，將功

7、率MOS管的電流I采樣轉(zhuǎn)換成電壓至誤差放大器的反相端，根據(jù)歐姆定律:R=V/I，實(shí)現(xiàn)恒阻。方案二：軟硬件相結(jié)合的方法。對(duì)恒壓恒流兩種模式進(jìn)展同時(shí)調(diào)節(jié)，通過PWM調(diào)節(jié)控制來實(shí)現(xiàn)恒阻。由于方案一誤差較大，所以選擇方案二。第二局部 電路設(shè)計(jì)2.1單片機(jī)電路設(shè)計(jì)主控電路C8051F360組成的單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成。主控電路原理圖見附件。圖2-1主控電路圖2.2硬件檢測驅(qū)動(dòng)電路硬件檢測驅(qū)動(dòng)電路圖如圖2-2所示圖2-2硬件檢測驅(qū)動(dòng)電路1.恒流控制電子負(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)載電流保持設(shè)定值不變。在電流檢測電路端的傳感器輸入端輸入電流信號(hào)02A，經(jīng)過電流傳感器

8、ACS712變化為電壓信號(hào)2.52V,該傳感器具有能輸出與檢測的直流成比例的電壓，ACS712的輸出電壓與被檢測的電流的關(guān)系為：然后再通過LM336電路減去增大的一局部并將電壓值送入運(yùn)放，經(jīng)運(yùn)放進(jìn)展放大-5倍，此時(shí)的得到的電壓值約為電流I的1.25倍。將電流檢測端的的電流送入單片機(jī)并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換與給定值進(jìn)展比擬，如果，經(jīng)PID計(jì)算，然后調(diào)節(jié)占空比來減小MOS管的導(dǎo)通量使實(shí)際電流減??；反之則增大MOS管的導(dǎo)通量。2.恒壓控制電子負(fù)載所流入的負(fù)載電流依據(jù)所設(shè)定的負(fù)載電壓而定,此時(shí)負(fù)載電流增加直到負(fù)載電壓等于設(shè)定值為止,此后負(fù)載電壓維持設(shè)定值不變。實(shí)際電壓從電壓輸出端口進(jìn)展采樣，得到的電壓為然后將此

9、電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)與給定值作比擬，假設(shè)，在單片機(jī)經(jīng)PID計(jì)算，然后通過調(diào)節(jié)占空比來增大MOS管的導(dǎo)通量U,反之則減小MOS管的導(dǎo)通量。3.恒阻控制對(duì)恒壓恒流兩種模式進(jìn)展同時(shí)調(diào)節(jié)，將電流、電壓信號(hào)送入單片機(jī)并進(jìn)展A/D轉(zhuǎn)換，在單片機(jī)部根據(jù)公式R=U/I來計(jì)算出實(shí)際電阻的數(shù)值，并與給定電阻的阻值相比擬，如果，則單片時(shí)機(jī)通過PID計(jì)算，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換并送出單片機(jī)，通過調(diào)節(jié)占空比來減小MOS管的導(dǎo)通量從而使減??；反之則要增大MOS管的導(dǎo)通量來使得增大，這樣就實(shí)現(xiàn)了電子負(fù)載的恒阻狀態(tài)。2.1.5鍵盤模塊電路本系統(tǒng)采用74HC165鍵盤掃描控制集成芯片完成對(duì)鍵盤中按鍵的掃描與管理電路圖如附圖1所示

10、。2.1.6數(shù)碼顯示模塊本系統(tǒng)采用數(shù)碼管對(duì)電壓電流和電阻進(jìn)展顯示。電路圖如附圖2所示。2.2軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)中,電壓電流采集數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入C8051F360單片機(jī),與設(shè)定值進(jìn)展比擬,然后按要求進(jìn)展控制,同時(shí)對(duì)電壓、電流和電阻參數(shù)進(jìn)展顯示。主程序流程如圖2-5所示:：圖2-5系統(tǒng)程序流程圖第三局部 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、恒壓和恒阻三種模式，并觀察三種模式下數(shù)碼管顯示的電壓電流情況。并對(duì)顯示的電壓電流進(jìn)展比擬。在恒流模式下,通過鍵盤設(shè)定恒流值,用萬用表測試電源的輸出電壓。改變電源的輸出,記錄流入負(fù)載的電流隨電源輸出電壓的變化過程,測試數(shù)據(jù)見表設(shè)定電流mA測試值1測

11、試值2測試值3實(shí)測電流mA誤差實(shí)測電流mA誤差實(shí)測電流mA誤差4004102.5%3902.5%4102.5%9009202.2%9252.7%8822%130013201.5%12851.15%13302.3%170017202%16822.3%17501.75%在恒壓模式下,通過鍵盤設(shè)定恒壓值,用萬用表測試電源的輸出電流。改變電源的輸出,記錄負(fù)載的電壓隨電源輸出電流的變化過程,測試數(shù)據(jù)見表2。設(shè)定電壓V測試值1測試值2測試值3實(shí)測電壓V誤差實(shí)測電流A誤差實(shí)測電流A誤差33.051.7%2.913%2.942%98.73%9.33%9.282.9%1515.453%15.42.6%15.32

12、%2019.62%19.52.5%19.43%在恒阻模式下,通過鍵盤設(shè)定恒阻值,用萬用表測試電源的輸出電壓。改變電源的輸出,記錄負(fù)載的電阻隨電源輸出電壓的變化過程,測試數(shù)據(jù)見表3。設(shè)定電阻測試值1測試值2測試值3實(shí)測電阻誤差實(shí)測電阻誤差實(shí)測電阻誤差1010.33%10.22%10.22%60611.7%60.81.3%591.7%1201232.5%1221.7%1232.5%1701752.9%1742.4%1731.8%結(jié)果分析：由數(shù)據(jù)說明，實(shí)測電流的值都穩(wěn)定在設(shè)定值左右，經(jīng)計(jì)算，相對(duì)誤差小于3%。說明系統(tǒng)在恒流模式下工作正常實(shí)測電壓的值都穩(wěn)定在設(shè)定值左右，經(jīng)計(jì)算，相對(duì)誤差小于3%。說明系

13、統(tǒng)在恒流模式下工作正常。實(shí)測電阻的值都穩(wěn)定在設(shè)定值左右，經(jīng)計(jì)算，相對(duì)誤差小于3%。說明系統(tǒng)在恒流模式下工作正常。第四局部 總結(jié)這次大賽，經(jīng)過四天三夜的拼搏，受益匪淺，我們終生難忘。不僅完成了一件作品，而且大大提高了我們的創(chuàng)新精神，動(dòng)手能力，團(tuán)隊(duì)協(xié)作和競爭意識(shí)，這些在今后的人生道路上將是一筆珍貴的財(cái)富。充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)合作精神，工作進(jìn)展很順利。我們在比賽中做到精益求精，在完成根本功能之后，又向發(fā)揮局部進(jìn)發(fā)，最后完成了所有的根本功能和局部發(fā)揮局部。參考文獻(xiàn):1 邱關(guān)源.電路M.：高等教育，20032 華成英，童詩白.模擬電子技術(shù)根底M.：高等教育 20063 公茂法，黃鶴松，學(xué)蔚等.MCS-51/52

14、單片機(jī)原理與實(shí)踐.：航空航天大學(xué)，2009附圖：附圖1鍵盤電路附圖2 數(shù)碼顯示電路程序：/數(shù)碼管顯示模塊void display()unsigned char m,i,j;for(j=0;j8;j+)m=tab1j;for(i=0;i=1; /delay(); /去擾動(dòng)程序void delay10(void) /誤差 -0.000000000001us unsigned char a,b,c; for(c=28;c0;c-) for(b=214;b0;b-) for(a=19;a0;a-); _nop_; /if Keil,require use intrins.h/模數(shù)轉(zhuǎn)換取值并且處理程序返

15、回值ab為全局變量float sun_vol() uchar i=0,h,n=20,j; int sum,t; /float aver; /AM*0P = 0*12; /P3.2測電壓 for(i=0;i20;i+) AD0BUSY = 1; /啟動(dòng) ADC0 轉(zhuǎn)換 while(AD0INT=0); /等待轉(zhuǎn)換完畢 AD0INT=0;ad=adc0; dataparti =ad; /n =20; /AD0BUSY = 0; for (h=0;h20;h+) /數(shù)組個(gè)數(shù)，冒泡 循環(huán)到?jīng)]有比擬圍 for (j=0; j datapartj+1) /大的放在后面，小的放到前面 t = datapar

16、tj; datapartj = datapartj+1; datapartj+1 = t; /完成交換 sum=0; for(i=5;i15;i+) sum = sum+dataparti; /aver =sum/10; add=0.25*sum;/根據(jù)外部采樣電路因此在這個(gè)地方結(jié)果乘以11 ab=add/1024; / VOLTS = aver*330/0*FF; /VV = VOLTS; return ab;/對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)值顯示處理void datachange(void) int m=0; float ad; if(add4=1) ad=ab*11; /if(add5=1) /if(

17、add6=1) if(ad0;h-) for(u=40;u0;u-) for(v=26;v0;v-) for(k=24;k0;k-); while (add4=1) AM*0P = 0*13;/恒壓模式測量端口 /AM*0P = 0*12; /P3.2測電壓 /AM*0P = 0*13; /AM*0P = 0*0f; sun_vol();/執(zhí)行完此程序得出模數(shù)轉(zhuǎn)換電壓值 hy=ab*11; sub=hy-in; if(sub0) if(sub2) for (i=0;i2;i+) zkb+=30; PCA0CPH0 = zkb; sun_vol();/執(zhí)行完此程序得出模數(shù)轉(zhuǎn)換電壓值 hy=ab*

18、11; sub=hy-in; if(sub0.02) PCA0CPH0=zkb1;ADC0 = 0*00;else if (1sub2) for (i=0;i1;i+) zkb+=10; PCA0CPH0 = zkb; sun_vol();/執(zhí)行完此程序得出模數(shù)轉(zhuǎn)換電壓值 hy=ab*11; sub=hy-in; if(sub0.02) PCA0CPH0=zkb1;ADC0 = 0*00; else /if(sub=256) zkb=256; PCA0CPH0 = zkb; sun_vol();/執(zhí)行完此程序得出模數(shù)轉(zhuǎn)換電壓值 hy=ab*11; sub=hy-in; if(sub0.02) PCA0CPH0=zkb1;ADC0 = 0*00; else /*if (sub-0.02) zkb-=5;/30%占空比調(diào)節(jié) if(zkb=0) zkb=0; PCA0CPH0 = zkb; else PCA0CPH0=zkb1; ADC0 = 0*00;*/ if(sub-2) for (i=0;i-0.02) PCA0CPH0=zkb1;ADC0 = 0*00;else if (-2sub-1) for (i=0;i-0.02) PCA0CPH0=zkb1;ADC0 = 0