设计题目：直流电子负载
姓 名 张红俊 学 院 信息与电气工程学院
专 业 电气工程及其自动化 年 级 2009级 学 号 20092926012 指导教师 常新华
摘要：简易直流电子负载主要由恒流电路、电流电压检测电路、过压保护电路、模数转换以及单片机控制部分等功能模块组成。由单片机产生高电平作为电路的控制电压，从而控制产生恒流。电压、电流的检测与采集的方式都是通过运算放大器与电阻的组合的方式的电压，再通过基准电阻得出电路电流。将运放作为比较器来实现待测电源电压与
关键词：恒流电路，过压保护，ADC，.电压、电流的检测。
Abstract：Simple dc electronic load is mainly made up with the constant current circuit、current and voltage measure circuit、over-voltage protection circuit and single-chip microcomputer control functions .The constant current circuit by the hardware circuit so as to realize closed loop current stabilization output current stability control.The module to detect Voltage and electric current uses amplifier to realize the power supply voltage are collected.Over-voltage protection function module by operational amplifier and certain resistance to for the power supply voltage and the comparison of the benchmark voltage (4) single chip microcomputer control module to MSP430 microcontroller as control core, combining the keyboard, ADC and LCD module of the control system, the voltage acquisition and display, and other functions.Key：constant current circuit , over-voltage protection, detect Voltage and electric current ，ADC
一、系统方案论证与设计
1、恒流电路方案
方案1：采用软件闭环控制方式
由键盘预置电流值，经MCU处理产生电压信号，同时将采样电路采集到的实际输出电流值转化为电压信号，两者进行比较并通过适当的控制算法，调整输出电流值使其与设定电流值相等，从而构成闭环控制系统。
图1 硬件闭环稳流电路
方案2：采用硬件闭环控制
硬件的闭环稳流的典型电路如图1所示，根据集成运放的虚短概念，可得到：VR3错误！未找到引用源。Vi*[R2/(R2+R1)]式中VR3为负载R3的电压，R3为取样电阻，Vi为单片机输出的电压。而此时电流I=VR3/R3。若固定电阻所有电阻不变，则I完全由Vi决定，故无论电路如何发生变化，利用反馈环的自动调节作用，都能使I保持稳定。
方案1最大的问题是：调整电流稳定的周期过长。而方案2硬件电路不仅简单而且能快速得实现稳定的电流输出，且当固定电阻所有电阻不变，则电流I完全由Vi决定，故无论电路如何发生变化，利用反馈环的自动调节作用，都能使I保持稳定。
2、电压检测电路方案
方案1：通过单片机直接进行电压的检测。直接将待测电压经过ADC模块处理后传送给单片机进行检测。
图2
方案2：通过运放及相应的电阻对电压进行相应的处理后的结果传送给ADC模块处理并将其处理后的结果传送给单片机。
方案一最大的问题是其要检测的电压很有可能要高于单片机的最大输入电压，严重时可能将把单片机烧毁。同时在方案一中其待测的电路所产生的电流将影响测量电压的结果。
方案二则不然，当电压过大时可以利用其放大特性将待测的电压按一定比例减小，这样可以降低将单片机烧坏的可能性。同时利用运算放大器的虚断特性，
在很大程度上降低了被测电路其电流对检测结果的影响。
二、功能描述
题目要求功能：
（1） 恒流（CC）工作模式的电流设置范围为100mA～1000mA ，设置分辨率为10mA，设置精度为±1%。还要求CC工作模式具有开路设置，相当于设置的电流值为零。
（2） 在恒流（CC）工作模式下，当电子负载两端电压变化10V时，要求输出电流变化的绝对值小于变化前电流值的1％。
（3） 具有过压保护功能，过压阈值电压为18V±0.2V
三、具体实现部分
1、恒流源电路部分
1）具体电路分析
电路原理图如下图5所示，主要由采样电阻，12位DAC芯片TLV5618和控制运放LM258，以及大功率管几部分组成。大功率管实现扩流，12位DAC输出控制电压送到运放同相输入端，根据运放虚短的概念，运放的反相输入端电压将等于控制电压，采样电阻的电压经20倍放大后连接到运放反相端，从而实现电压控制采样电阻的电压，进而控制采样电阻的电流，即控制恒流源输出电流。由于电流设置分辨率为1mA/2000mA=1/2000，12位 DAC芯片TLV5618的分辨率为1/4096，满足设计要求。
根据题目要求选择合适的元器件很重要。
图5 恒流源电路
2）采样电阻R的选择
对电阻而言，减额因子：S=实际功率/额定功率错误！未找到引用源。0.5，因此电阻的功耗I2R应尽量小，同时应避免温度过高引起阻值变化过大使得输出电流值产生偏差。鉴于以上考虑，此电路选用0.1Ω/10W的电阻。为避免采样电阻通过大电流时发热引起阻值变化影响输出电流，本电路将4个0.1Ω/10W的电阻两两并联后再串联接入电路，如此可提高电源输出电流稳定性。 3）运算放大器的选择
由于此电源系统不提供负电压，所以必须采用单电源运放，本设计采用LM258。其输入电压范围0.3~32V，输入失调电压2~5mV，满足精度要求。 4）功率管的选择
常见的电流源多采用达林顿管和VMOS管两种，经过实际实验检测，达林顿管的管压降在0.8V左右，而VMOS管的管压降只有0.02V左右，考虑到提高电源效率问题，本电路采用VMOS大功率管。 5) DAC与控制电路的配合
TLV5618的输出电压为UO=2×VREF×DIN/4096，当VREF=2.084V，DIN=4000时，UO=4.000V，恰好满足IL=2.000A时，反馈电压=4.000V的要求。
2、单片机控制显示
1）MCU的选择
由于电流设置分辨率为1mA/2000mA=1/2000，故ADC和DAC的分辨率必须错误！未找到引用源。1/2000，即DAC和ADC的位数必须在11位以上。为保证精度，通常选用12位的ADC和DAC，外接ADC将使电路变复杂。市场上MCU种类繁多，TI公司的MSP430F149单片机是使用比较广泛的一款单片机，其内部含有60K FLASH以及8通道12位ADC，正好满足本系统4个通道的要求。加之其低功耗设计也有利于提高电源效率。故本系统采用MSP430F149单片机作为控制芯片。 2）键盘扫描和LCD显示
键盘扫描选用键盘管理芯片ZLG7290，通过I2C串行接口，可方便地与处理器连接。
1.软件流程图
图6 单片机系统电路图
四、系统软件设计
其一共可扫描64个按键，本设计采用4×4键盘矩阵。单片机接口以及键盘、而低功耗必须采用LCD显示器。连接电路如图6所示。
开始初始化主菜单1 恒流源2 恒压源3 软启动恒流源?YY负载短路？N取电流值IsN恒压源?Y取电压值Us软启动?N读FLASH中的IsUs->DACIs/10=ΔIs显示Is测显UoΔIs+1→DACIs->DAC存FLASHNΔis=Is?过压保护Y
图7 系统软件流程图
开始液晶主菜单上显示三种选项，对应设置电源三种工作模式：恒流源、恒压源和恒流源软启动模式。
2、恒流源部分
当按下选择恒流源的按键并按确定后单片机进入恒流源功能模式。首先单片机要判断负载是否开路，若有开路情况，声光报警并文字提示；若无开路，则设置电流值IS送DAC，控制输出电流，然后检测负载电压，进行过压检测和保护。
过压保护要求输出过压时进行保护处理并声光报警，当过压故障排除后系统能够自动恢复为正常工作状态。过压保护的流程如图8所示，送出设置电流值IS后检测输出负载电压，如果过压则声光报警，同时自动降低输出电流，以进行保护，当过压故障排除后，恢复IS值继续正常供电，保护的程序如下: /************取负载电压并显示**************/
ADC12CTL0 |= ENC; ADC12CTL0 |= ADC12SC;
while(!fll); fll=0;
ADC12CTL0 &=~ ENC; temp=transforma(aa,0); temper=transforma(aa,1);
displayVrl(temp,22,3);//显示负载电压值
if(Amp1>Amp)
{ do {
Amp=Amp+20; func(Amp
while(!fll); fll=0;
temp=transforma(aa,0); temper=transforma(aa,1); displayVrl(temp,22,3); displayIsp(temper,11,4); ADC12CTL0 &=~ENC;
} while(judgeVrl(temp,10.2)&&(!(Amp==Amp1)));
} /*********负载电压超过11V开始报警并步进减小输出电流**********/
if(!judgeVrl(temp,11))
{
displayIp();
displayjg();//警告过压 P1OUT |= BIT0;//声光报警
delays(1000);
do {
Amp=Amp-20; displayshu(11,3,Amp);
func(Amp
delays(500000); ADC12CTL0 |= ENC; ADC12CTL0 |= ADC12SC;
while(!fll); fll=0;
temp=transforma(aa,0); temper=transforma(aa,1); displayVrl(temp,22,3); displayIsp(temper,11,4); ADC12CTL0 &=~ENC; }while(!judgeVrl(temp,10.6)); //负载电压小于10.6V时退出
P1OUT &=~BIT0; //关声光报警
3、恒压源部分
单片机主要完成取电压预置数，数据处理后送DAC转换为控制电压控制电压源输出电压，检测实际输出电压值并显示。
4、软启动部分
软件自动在FLASH中取出上次关闭电源时的电流值，并自动控制输出电流步进增至该电流值。系统恢复上次关闭电源时的工作状态。
五、系统测试及分析
1、测试方法
采用分别测试各个单元模块，调试通过后再进行整机调试的方法。
2、测试电路
测量效率的电路示意图如下图9所示，在串接电流表检测显示输出电流为2000mA时测试效率，由于电流表本身具有内阻（0.2Ω），所以此电阻也是负载电阻的一部分，故测试输出电压应把电流表加到负载上一起测量。
图9 测量效率的电路示意图
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3、误差分析
误差分析：电流实际输出值和设置值之间存在微小误差，一方面是由于闭环控制不够准确，可能是因为稳流闭环增益还不够。另一方面，由于DAC转换芯片本身具有一定的非线性误差，造成输出电流具有微弱的偏差。当电流不是很小时，由于12位DAC及测量仪表的分辨率大于设计要求的精度，所以实际输出电流值与设定电流值基本相等。且步进可达到1mA。
六、结论
由上述电路设计分析计算和测试数据可知：本系统基本实现了题目中基础部分和发挥部分的功能要求，并达到各项参数指标，且在此基础上添加软启动，电压源和扩大输入电压范围等其它扩展功能并能够较好的实现。本系统设计基本达到预期目标。
参考文献
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