直流电子负载设计报告 推荐.docx
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直流电子负载设计报告推荐
直流电子负载设计报告
摘要：
电子负载是一种通过控制内功率MOSFET或晶体管的导通量，靠功率管的耗散功率消耗电能从而准确检测出负载电压，精确调整负载电流的设备。
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、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节来实现三种模式的转换控制；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
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化（在一定的范围内），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
b.电压设置及读出范围：
1.00V-20.0V
c.电流设置及读出范围：
100mA-3.00A
d.显示分辨率及误差：
至少具有三位数，相对误差小于5%
1.2.2.发挥部分
a.增加恒阻模式（CR）模式
b.扩大负载参数的设置及读出范围
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的电能量的装置，它将电源供应器输出的电能量吸收并转化为其他形式的能量存储或消耗掉。
负载的种类繁多，根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。
在实验室，我们通常采用电阻、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情况，进行电源设备的性能实验。
本设计中，我们要做的是一个电子负载，它是利用电子元件吸收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
根据题目要求，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、输入调节设定部分。
2.1系统的基本方案
在本设计中，为了尽可能提高实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。
2.1.1单片机部分的选取
方案一：
选用PIC、或AVR等作为控制核心；这些单片机资源丰富，可以实现复杂的逻辑功能，功能强大，完全可以实现对本系统的控制。
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：
采用片STC公司的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和逻辑控制，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，采用STC12C5A60系列单片机。
2.1.2电源模块的论证与选择
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的电压为之供电；散热器、电压比较器LM393AN等均需要12V的电压为之供电；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的电池电压进行直流斩波调压，得到5V和12V的稳压输出。
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，无法使相对庞大的系统稳定运行。
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的稳压电源。
该类稳压片具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能，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。
2.1.3DA转换模块的选取
方案一：
采用DAC0832作为转换器。
它是采用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。
它是具有串行接口的数模转换器，其输出为电压型，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。
它只需要通过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。
2.1.4显示部分的选取
方案一：
采用LED数码管显示。
使用多个数码管动态显示，由于显示的内容较多，过多的增加数码管的个数显然不可行，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。
2.1.5功率控制方案的选取
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的输出端，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系统的最终方案
经过仔细分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下：
（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
本设计采用了STC12C5A60系列单片机作为系统的控制中心，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化（在一定的范围内），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化而变化，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时时与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，最后通过按键可以实现电压与电流的切换，在LCD12864液晶显示屏上显示各参数的值。
3.2主要单元电路的设计
3.2.1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STC12C5A60、数模转换器TLC5615、电压基准源REF5020等均需要5V的电压为之供电，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、和一个7812作为供电电源。
它内部含有限流保护、过热保护和过压保护电路，采用了噪声小、温度漂移小的基准电压源，工作稳定可靠。
3.2.2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，设计中采用的使TLC5615D/A转换器配合REF5020基准电压输出芯片
如图所示，TLC5615芯片的1、2、3脚分别接在单片机的P0^6、P0^7、P2^7脚上，基准电压输出芯片REF5020输出2.048V的基准电压送到TLC5615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。
如图所示，TLC5615芯片的1、2、3脚分别接在单片机的P0^3、P0^4、P0^5脚上，基准电压输出芯片REF5020输出2.048V的基准电压送到TLC5615数模转换器的6脚中，再由外部设定电流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。
3.2.3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的电流。
如图所示，DAI为从数模转换器中输出的电流值，If为功率控制电路的反馈电流值，If的值同时也会输入到单片机中进行监测，并在LCD12864液晶显示屏上显示出来：
当If>DAI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上的电流下降，反馈取样电流If减小；
当If通过改变DAI的输入，可以使负载R10上的电流改变，并恒定；
例如，设定DAI处电压为10mV，则R10上的电流就为0.1A，不管外加信号Ui如何变化，流经负载上的电流恒定为0.1A不变，只有当设定值改变时，才会引起负载上的电流改变；若改变DAI处设定电压为20mV，则R10上的电流就为0.2A，若改变DAI处设定电压为30mV，则R10上的电流就为0.3A。
3.2.4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。
如图所示，DAU为从数模转换器中输出的电压值，Uf为功率控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LCD12864液晶显示屏上显示出来：
当Uf>DAU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上的电压下降，反馈取样电压Uf减小；
当Uf通过改变DAU的输入，可以使负载R10上的电压改变，并恒定；
例如，设定DAU处电压为10mV，则R10上的电压就为0.1V，不管外加信号Ui如何变化，加载在负载上的电压恒定为0.1V不变，只有当设定值改变时，才会引起负载两端的电压改变；若改变DAU处设定电压为20mV，则R10上的电压就为0.2V，若改变DAU处设定电压为30mV，则R10上的电压就为0.3V。
3.2.5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改变来线性改变电流。
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上的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
可以看到输入电压与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=10K,则Iin=6sin10t；
固定滑动变阻器R17后，对应某一时刻而言，电压的变化，引起了电流的变化，且其比值固定不变。
四、系统软件设计
4.1程序流程图
五、系统性能测试
5.1三种模式性能测试
5.1.1恒流模式性能测试
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
0.09
0.1
0.104
-3.8%
0.11
0.115
0.12
-4.2%
0.19
0.204
0.198
3.0%
0.27
0.297
0.298
-0.3%
0.38
0.401
0.386
3.9%
0.5
0.505
0.497
1.6%
0.57
0.592
0.577
2.6%
0.67
0.684
0.675
1.3%
0.77
0.775
0.773
0.3%
0.86
0.866
0.87
-0.5%
0.96
0.985
0.965
2.1%
1.06
1.079
1.062
1.6%
1.15
1.173
1.158
1.3%
1.35
1.361
1.345
1.2%
1.44
1.455
1.44
1.0%
1.54
1.548
1.535
0.8%
1.64
1.642
1.631
0.7%
1.73
1.736
1.725
0.6%
1.83
1.83
1.82
0.5%
1.93
1.924
1.915
0.5%
2.02
2.018
2.01
0.4%
2.12
2.112
2.104
0.4%
2.22
2.206
2.199
0.3%
2.31
2.3
2.29
0.4%
2.41
2.393
2.387
0.3%
2.51
2.487
2.481
0.2%
2.6
2.581
2.576
0.2%
2.7
2.675
2.67
0.2%
2.8
2.769
2.764
0.2%
2.89
2.863
2.86
0.1%
2.99
2.957
2.954
0.1%
3.09
3.051
3.048
0.1%
3.18
3.144
3.141
0.1%
3.28
3.238
3.235
0.1%
3.38
3.332
3.33
0.1%
3.47
3.426
3.423
0.1%
3.57
3.52
3.517
0.1%
3.67
3.614
3.611
0.1%
3.76
3.708
3.706
0.1%
3.86
3.802
3.8
0.1%
3.96
3.895
3.893
0.1%
4.05
3.989
3.987
0.1%
4.15
4.083
4.08
0.1%
4.25
4.177
4.174
0.1%
4.34
4.271
4.268
0.1%
4.44
4.365
4.361
0.1%
4.54
4.459
4.456
0.1%
4.63
4.553
4.55
0.1%
4.73
4.646
4.644
0.0%
4.83
4.74
4.737
0.1%
4.92
4.834
4.833
0.0%
5.02
4.928
4.925
0.1%
5.1
5.006
5.001
0.1%
将上图中的设定值、测量值数据整理成折线图如下：
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：
经过计算，恒流模式下的设定误差平均值为-0.26%，完全满足设计要求。
5.1.2恒压模式性能测试
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
1.442
1.48
1.463
1.2%
1.751
1.8
1.786
0.8%
2.032
2.12
2.106
0.7%
2.379
2.44
2.426
0.6%
2.676
2.76
2.745
0.5%
3.023
3.08
3.064
0.5%
3.37
3.4
3.384
0.5%
3.667
3.72
3.706
0.4%
4.014
4.04
4.025
0.4%
4.327
4.36
4.347
0.3%
4.622
4.68
4.667
0.3%
4.966
5
4.988
0.2%
5.31
5.32
5.307
0.2%
5.605
5.64
5.628
0.2%
5.95
5.96
5.95
0.2%
6.294
6.28
6.273
0.1%
6.589
6.6
6.597
0.0%
6.933
6.92
6.92
0.0%
7.277
7.24
7.242
0.0%
7.622
7.56
7.563
0.0%
7.917
7.88
7.883
0.0%
8.261
8.2
8.207
-0.1%
8.556
8.52
8.525
-0.1%
8.9
8.84
8.848
-0.1%
9.153
9.16
9.17
-0.1%
9.445
9.48
9.491
-0.1%
9.786
9.8
9.814
-0.1%
10.12
10.12
10.135
-0.1%
11.1
11.08
11.096
-0.1%
12.07
12.04
12.06
-0.2%
13.04
13
13.028
-0.2%
13.97
13.96
13.992
-0.2%
14.94
14.92
14.958
-0.3%
16.06
16
16.044
-0.3%
17.17
17.13
17.17
-0.2%
18.08
18.09
18.133
-0.2%
19.09
19.09
19.134
-0.2%
20.06
20.05
20.1
-0.2%
21.03
21.01
21.064
-0.3%
21.99
21.97
22.023
-0.2%
23.01
22.93
22.983
-0.2%
23.98
23.89
23.943
-0.2%
24.07
23.97
24.048
-0.3%
24.99
24.93
24.999
-0.3%
26.1
26.01
26.074
-0.2%
27.02
26.97
27.026
-0.2%
28.03
28.01
28.071
-0.2%
29.04
28.97
29.058
-0.3%
30.1
30.01
30.087
-0.3%
将上图中的设定值、测量值数据整理成折线图如下：
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：
经过计算，恒压模式下的设定误差平均值为0.03%，完全满足设计要求。
六、总结
本设计是基于STC12C5A单片机控制的电子负载，有三种工作模式恒压（CV）、恒流（CC）、恒阻（CR）能够直接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。
在设计中我们对所有电阻都采用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后输出显示，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。
但是想象是美好的，数据的显示是残酷的，在调试过程中，我们所采用的绝缘栅型N沟道增强型场效应管IRF3205，但可能由于质量问题IRF3205接二连三的被烧毁，实验没法再进行下去，此时的我们陷入了低谷，重新买元器件时间上可能会来不及的，不过幸运的是，在之前我们还储备了其他的场效应管，于是，我们重拾起信心，换上了绝缘栅型N沟道增强型场效应管IRFP450，继续进行调试，经过一天一夜的计算、调试终于在第四天的上午完成了基本部分和部分发挥部分，我们望着彼此，开心的笑了，是啊，差不多是四天三夜的奋战，虽然的确很累，但更为完成了任务感到开心。
四天三夜的奋战让我们知道团结的重要性，我们是一个团队，离开了谁都是无法完成这项任务的。
七、参考文献：
[1]邱关源，罗先觉，电路（第五版），高等教育出版社，2006.5
[2]铃木雅臣（日），晶体管电路设计（下），科学出版社，2004
[3]陶桓奇，张小华，彭其圣，模拟电子技术，华中科技大学出版社，2007.3
[4]佘新平，数字电子技术（第二版），华中科技大学出版社，2009.8
[5]郭天祥，51单片机C语言教程，电子工业出版社，2009.1
[6]高吉祥，唐朝京，全国大学生电子设计竞赛电子仪器仪表设计，电子工业出版社，2007.8
[7]黄智伟，全国大学生电子设计竞赛系统设计（第2版），北京航空航天大学出版社，2011.2
[8]黄智伟，全国大学生电子设计竞赛常用电路模块制作，北京航空航天大学出版社，2011.1
[9]Stephenprata（美），Cprimerplus（第五版）中文版，人民邮电出版社，2005.2
[10]高飞飞，高文才，C语言程序开发范例宝典（第2版），人民邮电出版社，2012.6
[11]IC资料网
[12]21IC中国电子网
八、附录：
8.1电路原理图
8.2部分程序代码
#include
#include
voiddelay1（unsignedintms）//@12.000MHz
{
unsignedintj,k;
k=ms*10;
for（;k!
=0;k--）
for（j=0;j<168;j++）;
}
voiddelay（unsignedintms）//@12.000MHz
{
unsignedintj,k;
k=ms*15;
for（;k!
=0;k--）
for（j=0;j<168;j++）;
}
voiddelay_us（unsignedintus）
{
for（;us>0;us--）;
}
#include
#include<12864.h>
#include
#include
#include"IO.c"
/*******************************************************************/
/**/
/*检查LCD忙状态*/
/*lcd_busy为1时，忙，等待。
lcd-busy为0时,闲，可写指令与数据。
*/
/**/
升级会员 