電子負(fù)載畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　電子負(fù)載的原理是控制內(nèi)功率MOSFET或晶體管的導(dǎo)通量，靠功率管的耗散功率消耗電能的設(shè)備，它的基本工作方式有恒壓、恒流、恒阻、恒功率這幾種。</p><p>　　本設(shè)計(jì)從直流電子負(fù)載系統(tǒng)方案分析入手，詳細(xì)討論了整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路和軟件實(shí)現(xiàn)，并給出較為合理的解決方案。為便于控制的實(shí)現(xiàn)和功能的擴(kuò)展，采用了

2、STC89C52 單片機(jī)作為核心控制器，設(shè)計(jì)了DA輸出控制電路、AD電壓電流檢測電路、鍵盤電路、顯示電路和驅(qū)動電路，通過軟、硬件的協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)設(shè)計(jì)。通過運(yùn)放、PI調(diào)節(jié)器及負(fù)反饋控制環(huán)路來控制MOSFET的柵極電壓，從而達(dá)到其內(nèi)阻變化。這個(gè)控制環(huán)路是整個(gè)電路的核心實(shí)質(zhì)，MOS管在這里既作為電流的控制器件同時(shí)也作為被測電源的負(fù)載?？刂芃OS管的導(dǎo)通量，其內(nèi)阻發(fā)生相應(yīng)的變化，從而達(dá)到流過該電子負(fù)載的電流恒定，實(shí)現(xiàn)恒流工作模式。<

3、/p><p>　　本設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)電子負(fù)載的恒流控制：能夠檢測被測電源的電流、電壓及功率并由液晶顯示。在額定使用環(huán)境下,恒流方式時(shí)不論輸入電壓如何變化（在一定范圍內(nèi)），電子負(fù)載將根據(jù)設(shè)定值來吸收電流，流過該電子負(fù)載的電流恒定。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電子負(fù)載； 恒流模式； PI調(diào)節(jié)器； AD轉(zhuǎn)換； DA轉(zhuǎn)換</p><p><b>　　ABSTRACT<

4、;/b></p><p>　　The principle of electronic load is control of transistors inside power MOSFET or the guide flux of power tube, it is a consumption power equipment which depends on the dissipation power of

5、tube, there are four basic working ways that persistence pressure, constant current, the constant resistance, constant power .</p><p>　　This design start with the analysis of DC electric load system solution

6、s, it discussed the realization of the whole system hardware circuit and software in detail, and give a reasonable solution. In order to realize the control and the expansion of function conveniently, we adopted the STC8

7、9C52 microcontroller as the core controller, and designed the DA output control circuit, AD voltage current detection circuit, keyboard circuit, display circuit and drive circuit, through the coordination betw</p>

8、<p>　　This design can realize the Constant-current control of the electronic load: it can measured the current, voltage and power of Measured power and the LCD display. If it use situations in rated, no matter how

9、the input voltage change in the constant-current mode (within a certain range), the electronic load will be based on setting to absorb the current, the current which flows the electronic load will constant.</p>&l

10、t;p>　　Key words: electronic load; constant-current pattern; PI adjuster; AD transform; DA conversion</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　緒 論1</b></p><p>

11、　　第一章 電子負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2</p><p>　　1.1 電子負(fù)載工作原理2</p><p>　　1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求3</p><p>　　1.3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案論證3</p><p>　　1.4系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)方案5</p><p>　　第二章 電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)6</p>

12、;<p>　　2.1 核心處理器的設(shè)計(jì)6</p><p>　　2.2 顯示模塊的設(shè)計(jì)7</p><p>　　2.3 鍵盤模塊8</p><p>　　2.4 D/A轉(zhuǎn)換模塊的選擇10</p><p>　　2.5 采樣電路模塊11</p><p>　　2.5.1 電壓采樣電路12<

13、;/p><p>　　2.5.2 電流采樣電路12</p><p>　　2.5.3 輸入的模擬量采樣13</p><p>　　2.6 電流取樣PI控制器等組成的負(fù)反饋控制模塊14</p><p>　　2.7 PI調(diào)節(jié)器15</p><p>　　2.8 功率電路模塊17</p><p&g

14、t;　　2.8.1 電子模擬負(fù)載方式的選擇17</p><p>　　2.8.2 功率耗散MOS管的選型17</p><p>　　2.9 電源電路的設(shè)計(jì)19</p><p>　　第三章 電子負(fù)載軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)21</p><p>　　3.1 電壓電流A/D采樣程序設(shè)計(jì)22</p><p>　　3.2

15、液晶顯示子程序22</p><p>　　3.3 D/A轉(zhuǎn)化程序23</p><p>　　3.4 鍵盤識別處理程序設(shè)計(jì)24</p><p>　　第四章 系統(tǒng)調(diào)試25</p><p>　　4.1 硬件調(diào)試25</p><p>　　4.2軟件調(diào)試26</p><p>　　4.3

16、 軟硬件綜合調(diào)試26</p><p>　　第五章 結(jié)論27</p><p><b>　　致 謝28</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)29</b></p><p>　　附錄一 整體電路原理圖30</p><p>　　附錄二 電子負(fù)載設(shè)計(jì)程序31&

17、lt;/p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　在人們生活的多個(gè)領(lǐng)域都要用到負(fù)載測試，如充電電源試驗(yàn)、蓄電池放電試驗(yàn)以及購買電池、電源時(shí)等都需要負(fù)載測試。當(dāng)前，國內(nèi)外對上述產(chǎn)品的試驗(yàn)一般都采用傳統(tǒng)的靜態(tài)負(fù)載(如電阻、電阻箱、滑線變阻器等)能耗放電的辦法進(jìn)行。</p><p>　　隨著電力電子技術(shù)的、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動控制技術(shù)的迅

18、速發(fā)展，為電源檢測技術(shù)帶來了革命性的變化。由于鐵道電氣化供電、電氣牽引、信號控制 、無線通信、計(jì)算機(jī)指揮調(diào)度中心及家庭日常生活等應(yīng)用領(lǐng)域都在大量應(yīng)用各種各樣的電源，因此人們對電子負(fù)載的需求越來越多，對其性能要求也越來越高。而傳統(tǒng)的電源檢測技術(shù)面臨著極大的挑戰(zhàn)。為準(zhǔn)確檢測電源的可靠性和帶載能力，因此把電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)電源的可靠檢測。</p><p>　　從電源類型來看，電子負(fù)載可分為直

19、流電子負(fù)載和交流電子負(fù)載兩種。直流電子負(fù)載比起交流電子負(fù)載，應(yīng)用的歷史較長，范圍更廣。最初在實(shí)驗(yàn)室，利用電力電子器件的特性，通過分析等值電路，用電力電子元件搭建電子電路來模擬負(fù)載，可以實(shí)現(xiàn)定電阻、定電壓等特性。隨后又有工作人員將單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用到電子負(fù)載中，逐步可實(shí)現(xiàn)定電流模式和可編程斜率模式。單片機(jī)技術(shù)與變換器電路的密切結(jié)合還使得電子負(fù)載可以工作在其它多種模式下:定功率模式、動態(tài)電阻模式、短路模式等。</p><p&

20、gt;　　隨著功率場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和場效應(yīng)晶閘管(McT)等主要開關(guān)器件的出現(xiàn)以及電力電子變換器拓?fù)涞陌l(fā)展，由于變換器能更好的將一種電能變?yōu)榱硪环N或多種形式的電能，交流電子負(fù)載也得到了實(shí)現(xiàn)。交流電子負(fù)載是可以模擬傳統(tǒng)真實(shí)阻抗負(fù)載的電力電子裝置，它能模擬一個(gè)固定或變化的負(fù)載，甚至將試驗(yàn)的電能反饋回電網(wǎng)，其設(shè)計(jì)初衷是交流電源出廠試驗(yàn)。交流電源出廠試驗(yàn)通常采用電阻箱耗能的辦法，它存在調(diào)節(jié)不便、自動

21、化程度低、耗電量大等缺點(diǎn)，而采用交流電子負(fù)載進(jìn)行試驗(yàn)可有效克服這些缺點(diǎn)，它可使試驗(yàn)更加簡單、靈活，且大大降低試驗(yàn)的成本。</p><p>　　電子負(fù)載可以模擬真實(shí)環(huán)境中的負(fù)載（用電器）。它有恒流、恒阻、恒壓和恒功率功能，以及短路，過流，動態(tài)等等，應(yīng)該說所有的電源廠家都會有用，而且也必須有。電子負(fù)載分為直流電子負(fù)載和交流電子負(fù)載，由于電子負(fù)載的應(yīng)用方面問題，直流電子負(fù)載應(yīng)用比較廣泛，本文主要介紹直流電子負(fù)載。<

22、;/p><p>　　電子負(fù)載與傳統(tǒng)的模擬電阻性負(fù)載相比具有節(jié)能、體積小、重量輕、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，由于電子負(fù)載所具有的性能特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，電子負(fù)載被越來越多地應(yīng)用到各種試驗(yàn)場合。因此，電子負(fù)載的研究具有廣闊的市場和廣泛的應(yīng)用前景。</p><p>　　第一章 電子負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案</p><p>　　1.1 電子負(fù)載工作原理</p><p>

23、　　電子負(fù)載用于測試直流穩(wěn)壓電源、蓄電池等電源的性能。電子負(fù)載的原理是控制內(nèi)功率MOSFET或晶體管的導(dǎo)通量（占空比），靠功率管的耗散功率消耗電能的設(shè)備，它能夠準(zhǔn)確檢測出負(fù)載電壓,精確調(diào)整負(fù)載電流,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)模擬負(fù)載短路,模擬負(fù)載是感性阻性和容性,容性負(fù)載電流上升時(shí)間。它的基本工作方式有恒壓、恒流、恒阻、恒功率這幾種。</p><p><b>　　（1）恒定電流方式</b></p&g

24、t;<p>　　在定電流模式中,在額定使用環(huán)境下, 不論輸入電壓大小如何變化, 電子負(fù)載將根據(jù)設(shè)定值來吸收電流。</p><p>　　若被測電壓在5～10V變化，設(shè)定電流為100mA，則當(dāng)調(diào)節(jié)被測電壓值時(shí)，負(fù)載上的電流值應(yīng)維持在100mA不變, 而此時(shí)負(fù)載值是可變的。定電流模式能用于測試電壓源及AD/ DC電源的負(fù)載調(diào)整率。負(fù)載調(diào)整率是電源在負(fù)載變動情況下能夠提供穩(wěn)定的輸出電壓的能力, 是電源輸出電

25、壓偏差率的百分比。</p><p><b>　?。?）恒定電阻方式</b></p><p>　　此種狀態(tài)下，負(fù)載如純電阻，吸收與電壓成線性正比的電流。此方式適用于測試電壓源，電流源的啟動與限流特性?！?lt;/p><p>　　在定電阻模式中, 電子負(fù)載將吸收與輸入電壓成線性的負(fù)載電流。若負(fù)載設(shè)定為1 kΩ, 當(dāng)輸入電壓在1～10 V 變化時(shí), 電流

26、變化則為10～100 mA 。</p><p><b>　?。?）恒定電壓方式</b></p><p>　　在定電壓方式下電子負(fù)載將吸收足夠的電流來控制電壓達(dá)到設(shè)計(jì)值。定電壓模式能被使用于測試電源的限流特性。另外, 負(fù)載可以模擬電池的端電壓, 故也可以使用于測試電池充電器。</p><p><b>　?。?）恒定功率方式</b&

27、gt;</p><p>　　在定功率工作模式時(shí)，電子負(fù)載所流入的負(fù)載電流依據(jù)所設(shè)定的功率大小而定，此時(shí)負(fù)載電流與輸入電壓的乘積等于負(fù)載功率設(shè)定值，即負(fù)載功率保持設(shè)定值不變。</p><p>　　本電子負(fù)載機(jī)實(shí)現(xiàn)了在恒流模式下一定范圍內(nèi)的正常工作，PI調(diào)節(jié)器的基準(zhǔn)電壓由單片機(jī)D/A轉(zhuǎn)換輸出。用A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)連接把電路中電壓電流的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后用液晶顯示方式顯示出即時(shí)的電壓

28、電流。</p><p>　　1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求</p><p>　　根據(jù)電子負(fù)載的原理，設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)恒流模式下的電子負(fù)載：能夠檢測被測電壓型電源的電流、電壓及功率并由液晶顯示。在額定使用環(huán)境下,恒流方式為不論輸入電壓如何變化（在一定范圍內(nèi)），電子負(fù)載將根據(jù)設(shè)定值來吸收電流，流過該電子負(fù)載的電流恒定。</p><p>　　設(shè)計(jì)出最大功率為 100W，電流O一20A，

29、電壓O一50V的直流電子負(fù)載。</p><p>　　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案論證</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，得出以下三種方案：</p><p>　　方案一：如圖1-1所示，運(yùn)用傳統(tǒng)的電子負(fù)載設(shè)計(jì)方式，通過比較器的比較結(jié)果及反饋來控制MOSFET的柵極電壓，從而達(dá)到其內(nèi)阻變化的目的。</p><p>　　方案二：如圖1-2所示，采用了單片

30、機(jī)作為核心控制器，設(shè)計(jì)了AD電壓電流檢測電路、鍵盤電路、液晶顯示電路和驅(qū)動電路，ATmegal6單片機(jī)為核心處理器。鍵盤、串口通訊和LCD實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，MOS管電路為電子負(fù)載主電路。單片機(jī)輸出一定占空比的PWM控制信號，控制功率電路MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，來獲得實(shí)際所需的工作電流、電壓。電路中的檢測電路為電壓、電流負(fù)反饋回路，通過A/D采集到單片機(jī)，與預(yù)置值進(jìn)行比較，作為單片機(jī)進(jìn)一步調(diào)節(jié)PWM占空比的依據(jù)。</p>&l

31、t;p>　　圖1-1 傳統(tǒng)的電子負(fù)載設(shè)計(jì)</p><p>　　圖1-2 方案二系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊</p><p>　　方案三：為便于控制的實(shí)現(xiàn)和功能的擴(kuò)展，如圖1-3所示為新型電子負(fù)載設(shè)計(jì)系統(tǒng)模塊框圖。采用了STC89C52 單片機(jī)作為核心控制器，設(shè)計(jì)了DA輸出控制電路、AD電壓電流檢測電路、鍵盤電路、液晶顯示電路和驅(qū)動電路，通過軟、硬件的協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)設(shè)計(jì)。通過運(yùn)放、PI調(diào)節(jié)器及負(fù)

32、反饋控制環(huán)路，是整個(gè)電路的核心實(shí)質(zhì)，來控制MOSFET的柵極電壓，從而達(dá)到其內(nèi)阻變化。MOS管在這里既作為電流的控制器件同時(shí)也作為被測電源的負(fù)載，通過PI調(diào)節(jié)器控制MOS管的導(dǎo)通量，從而達(dá)到流過該電子負(fù)載的電流恒定，實(shí)現(xiàn)恒流工作模式。</p><p>　　圖1-3 方案三系統(tǒng)模塊框圖</p><p>　　經(jīng)過比較，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案主要靠硬件實(shí)現(xiàn)，成本較高。而且采用運(yùn)放進(jìn)行比較控制MOS管只有

33、通和斷兩種情況，不能實(shí)現(xiàn)逐漸改變MOS管導(dǎo)通角的變化，不易控制。方案二通過單片機(jī)輸出一定占空比的PWM控制信號，控制MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，來獲得實(shí)際所需的工作電流、電壓。這對于占空比的細(xì)調(diào)節(jié)不易控制，誤差較大。方案三采用通過軟、硬件的協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)設(shè)計(jì)。通過運(yùn)放、PI調(diào)節(jié)器及負(fù)反饋控制環(huán)路，能夠較精確的控制MOS管的導(dǎo)通量，實(shí)現(xiàn)無靜差的調(diào)節(jié)。故整個(gè)設(shè)計(jì)采用方案三。</p><p>　　1.4 系統(tǒng)具體

34、設(shè)計(jì)方案</p><p>　　電子負(fù)載系統(tǒng)由軟、硬件共同組成。考慮到價(jià)格、工作速度、開發(fā)成本和可靠性等因素，合理地分配了硬件和軟件資源，對于某些既可用硬件實(shí)現(xiàn)，又可用軟件實(shí)現(xiàn)的功能，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮了硬件和軟件的特點(diǎn)，高效地分配其資源，協(xié)調(diào)其功能。</p><p>　　電子負(fù)載系統(tǒng)的硬件部分包括以下部分：</p><p>　　單片機(jī)的選擇與I/O的分配<

35、/p><p><b>　　液晶顯示模塊</b></p><p><b>　　鍵盤模塊</b></p><p><b>　　D/A轉(zhuǎn)換模塊</b></p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換電壓電流采樣模塊</p><p>　　電流取樣PI控制器等組成的負(fù)反饋控制模塊&l

36、t;/p><p><b>　　電源電路模塊</b></p><p>　　電子負(fù)載系統(tǒng)的控制程序，包括以下部分:</p><p>　　(l)人一機(jī)聯(lián)系程序。包括按鍵信息輸入程序和液晶顯示輸出程序等。</p><p>　　(2)數(shù)據(jù)采集和處理程序。主要是D/A轉(zhuǎn)換程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、電壓電流采樣程序。</p>&

37、lt;p>　　本制作的電子負(fù)載，主要實(shí)現(xiàn)其恒流工作模式，如圖1-3所示為方案三系統(tǒng)模塊框圖。電路的核心實(shí)質(zhì)是一個(gè)電流取樣PI控制器負(fù)反饋控制環(huán)路，MOS管在這里既作為電流的控制器件同時(shí)也作為被測電源的負(fù)載。PI控制器控制MOS管的導(dǎo)通量變化與截止，從而達(dá)到保持電流恒定的目的?？刂撇糠植捎肧TC89C52單片機(jī)來完成，設(shè)定值通過鍵盤輸入送往單片機(jī)，再通過DA輸出電路產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓送往PI控制器與實(shí)際電壓相比較，基準(zhǔn)電壓與實(shí)際電壓相比較

38、的偏差控制MOS管的導(dǎo)通量變化與截止，從而達(dá)到保持電流恒定的目的。用A/D轉(zhuǎn)換器把電路中的電壓電流的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過單片機(jī)來控制轉(zhuǎn)化，然后用液晶顯示顯示出即時(shí)的電壓電流。</p><p>　　第二章 電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 核心處理器的設(shè)計(jì)</p><p>　　核心處理器負(fù)責(zé)控制與協(xié)調(diào)其他各個(gè)模塊工作，并進(jìn)行簡單的數(shù)字信號處

39、理。在整個(gè)電子負(fù)載系統(tǒng)中，主控器是系統(tǒng)的控制中心，其工作效率的高低關(guān)系到系統(tǒng)效率的高低以及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)過程中用單片機(jī)作為主控制器。</p><p>　　方案一：采用ATMEL 公司的AT89C51,51單片機(jī)價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。但燒程序就不方便。</p><p>　　方案二：STC89C51與AT89C51基本性能相同，但STC89C51 RMB較多,8K flas

40、h,串口可以直接燒程序，可以和Keil直連。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用Keil軟件實(shí)現(xiàn)其軟件部分的設(shè)計(jì)，故選擇方案二。</p><p>　　圖2-1 STC89C52單片機(jī)與液晶顯示模塊連接電路</p><p>　　表2-1 單片機(jī)I/O口分配</p><p>　　單片機(jī)總控制電路如圖2-1所示：STC89C52單片機(jī)在系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)以

41、下功能:設(shè)定值通過D/A轉(zhuǎn)換輸出基準(zhǔn)電壓；實(shí)際工作電壓、電流A/D采樣；LCD顯示；鍵盤輸入等。表2-1為電子負(fù)載系統(tǒng)中STC89C52的I/O口分配連接情況。</p><p>　　2.2 顯示模塊的設(shè)計(jì)</p><p>　　方案一：采用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有接線簡單、成本低廉、配置簡單靈活、編程容易、對外界環(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，但數(shù)碼管顯示的信息量

42、有限，只能顯示簡單的數(shù)字，其電路復(fù)雜，占用的系統(tǒng)I/O資源較多，顯示信息少，不宜顯示大量信息。 </p><p>　　方案二：考慮到本系統(tǒng)中顯示的內(nèi)容以及系統(tǒng)的實(shí)用性，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、平面直角顯示以及影響穩(wěn)定不閃爍、畫面效果好、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。點(diǎn)陣式LCD不僅可以顯示字符、數(shù)字，還可以顯示各種圖形、曲線及漢字，并且可以實(shí)現(xiàn)屏幕上下左右滾動、動畫

43、、閃爍、文本特征顯示等功能。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中要測量實(shí)際的電壓電流值，采用的是Nokia 5110液晶顯示模塊可以顯示出電壓電流等漢字，一面了然、外觀比較好看。而且液晶顯示功耗低、體積小、質(zhì)量輕、無輻射危害，與單片機(jī)連接較簡單。故經(jīng)過比較選擇方案二 </p><p>　　Nokia 5110液晶顯示特點(diǎn)：</p><p>　?。?) 性價(jià)比高

44、，可以顯示15個(gè)漢字、30個(gè)字符，價(jià)格相對便宜；</p><p>　?。?) 接口簡單，僅四根I/O線即可驅(qū)動；</p><p>　?。?) 速度快，是LCD12864的20倍，是LCD1602的40倍；</p><p>　?。?) Nokia5110工作電壓2.3V，正常顯示時(shí)工作電流200uA以下，具有掉電模式，適合電池供電的便攜式

45、移動設(shè)備。</p><p>　　圖2-2 單片機(jī)與LCD通信</p><p>　　如圖2-1所示為STC89C52單片機(jī)與液晶顯示模塊連接電路。如圖2-2所示為單片機(jī)與LCD通信過程。</p><p><b>　　液晶的主要工作原理</b></p><p>　　（1）SPI接口時(shí)序?qū)憯?shù)據(jù)/命令</p>&l

46、t;p>　　Nokia5110(PCD8544)的通信協(xié)議是一個(gè)沒有MISO只有MOSI的SPI協(xié)議：</p><p>　　圖2-3 串行總線協(xié)議―――傳送1個(gè)字節(jié)</p><p>　　（2）Nokia5110的初始化</p><p>　　接通電源后，內(nèi)部寄存器和RAM的內(nèi)容是不確定的，這需要一個(gè)RES低電平脈沖復(fù)位一下。</p><p&g

47、t;　　圖2-4 Nokia 5110復(fù)位時(shí)</p><p><b>　　（3）顯示英文字符</b></p><p>　　英文字符占用6*8個(gè)點(diǎn)陣，通過建立一個(gè)ASCII的數(shù)組font6x8[][6]來尋址。</p><p><b>　?。?）顯示漢字</b></p><p>　　顯示漢字可以采用兩

48、種點(diǎn)陣方式，一種是12*12點(diǎn)陣，一種是16*16點(diǎn)陣。</p><p><b>　　2.3 鍵盤模塊</b></p><p>　　方案一：非矩陣式鍵盤結(jié)構(gòu)比較簡單，使用方便，適合于較少開關(guān)量的輸入場合。每個(gè)按鍵需占用一根I/O 口線， 在按鍵數(shù)量較多時(shí),I/O 口浪費(fèi)大, 電路結(jié)構(gòu)顯得復(fù)雜。并且此鍵盤是用于按鍵較少或操作速度較高的場合。</p>&l

49、t;p>　　方案二：矩陣式鍵盤則適合于輸入命令或者數(shù)據(jù)較多、功能復(fù)雜的系統(tǒng)。采用矩陣式鍵盤結(jié)構(gòu)可以最大限度地使用單片機(jī)的引腳資源，矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場合, 由行線和列線組成, 按鍵位于行列的交叉點(diǎn)上，節(jié)省I/O 口，因此其應(yīng)用十分廣泛。</p><p>　　在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要通過鍵盤中輸入設(shè)定值，通過D/A轉(zhuǎn)化輸出實(shí)際值。所以需要有0-9的數(shù)字鍵、小數(shù)點(diǎn)等等按鍵，按鍵較多，所以鍵盤模塊采用方案二。

50、</p><p>　　圖2-5 4×4矩陣鍵盤電路圖</p><p>　　如圖2-5所示：本系統(tǒng)通過矩陣電路進(jìn)行按鍵輸入，采用的是4x4矩陣鍵盤， </p><p>　　電子負(fù)載系統(tǒng)中按鍵需要實(shí)現(xiàn)的功能有:</p><p>　　(l) 0-9數(shù)字鍵：本設(shè)計(jì)中采用專用的數(shù)字輸入按鍵，每次按下數(shù)字鍵一次，送往單片機(jī)，按位輸入的數(shù)據(jù)提取

51、出來，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)。</p><p>　　(2) 小數(shù)點(diǎn)鍵：本設(shè)計(jì)中精度要求較高，輸入的設(shè)定值會有需要帶小數(shù)點(diǎn)。在第一位按鍵掃描后，每次按下小數(shù)點(diǎn)鍵，在按下確認(rèn)鍵后與數(shù)字鍵一樣通過液晶顯示顯示出來。</p><p>　　(3)自動調(diào)節(jié)啟動停止按鍵:該按鍵把電子負(fù)載功能劃分為設(shè)置和調(diào)節(jié)兩部分，沒有按下該按鍵時(shí)，默認(rèn)為功能設(shè)置，此時(shí)單片機(jī)只預(yù)置數(shù)據(jù)輸入、按鍵查詢、預(yù)置數(shù)據(jù)LCD顯示等功能；

52、而當(dāng)按下該按鍵1次后，單片機(jī)將轉(zhuǎn)為執(zhí)行負(fù)載調(diào)節(jié)、A/D采集、實(shí)際數(shù)據(jù)LCD顯示等功能。</p><p>　　(4)預(yù)置數(shù)據(jù)確定按鍵:按下該按鍵后，將取消其他鍵的功能，并把按輸入的數(shù)據(jù)送往提取出來，送往單片機(jī)，之后轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)，通過液晶顯示顯示出來。</p><p>　　(5)復(fù)位清零鍵:當(dāng)輸入有誤時(shí)，按下該鍵可以清除顯示屏。</p><p>　　按鍵采用逐行掃描

53、法進(jìn)行識別，單片機(jī)逐行掃描各鍵，先讓每行輸出低電平，檢測各列是否有低電平產(chǎn)生，如果檢測到列有低電平輸出，說明有鍵按下，接著讓每行分別依次輸出低電平，其余行行輸出高電平，在檢測每一列的低電平情況，兩次低電平的交叉處便是鍵按下的地方。</p><p>　　2.4 D/A轉(zhuǎn)換模塊的選擇</p><p>　　方案一DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。這個(gè)DA芯片以其接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容

54、易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。</p><p>　　方案二：TLC5615 D/A采用的是串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器。TLC5615是一個(gè)串行1O位DAC芯片，性能比早期電流型輸出的要好。只需要通過3根串行總線就可以完成1O位數(shù)據(jù)的串行輸入，易于和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的微處理器或微控制器(單片機(jī))接口，適用于電池供電的測試儀表，是具有串行

55、接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　本設(shè)計(jì)需要測出電壓值、電流值，對設(shè)定值的精確度要求更高。所以采用1O位DAC芯片，分辨率較高。同時(shí)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器TLC5615采用接口簡單的，使得硬件電路大為簡化，線路板面積縮小，成本降低，故選擇方案二。</p><p>　　如圖2-6所示為D/A轉(zhuǎn)換輸出電路原理圖。D/A變換輸出采用TLC5615與單片機(jī)連接設(shè)定值通過鍵盤輸入送往單片機(jī)，再通過DA

56、輸出電路產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓送往PI控制器與實(shí)際電壓相比較。</p><p>　　圖2-6 D/A轉(zhuǎn)換輸出電路原理圖</p><p>　　在電路設(shè)計(jì)中VREF = 2Vrefin×N／1024；其中，Verfin為 TLC5615的參考電壓，取1.5V,N為輸入設(shè)定值的二進(jìn)制數(shù)。VREF為到PI調(diào)節(jié)器與實(shí)際值相比較的基準(zhǔn)電壓。如圖2-7所示為TLC5615與反相器的連接圖，見式（2-1）

57、為D/A變換輸出通過一個(gè)反相器送到PI調(diào)節(jié)器的基準(zhǔn)電壓與輸入給定電壓的關(guān)系。</p><p>　　VREF = 5N／1024 （2-1）</p><p>　?。∟為輸入設(shè)定值的二進(jìn)制數(shù)）</p><p>　　如圖2-8 TLC5615的時(shí)序圖可以看出，當(dāng)片選CS為低電平時(shí)，輸入數(shù)據(jù)DIN由時(shí)鐘SCLK同步輸入或輸出，而且最高有

58、效位在前，低有效位在后。輸入時(shí)SCLK的上升沿把串行輸入數(shù)據(jù)DIN移入內(nèi)部的16位移位寄存器，SCLK的下降沿輸出串行數(shù)據(jù)DOUT，片選CS的上升沿把數(shù)據(jù)傳送至DAC寄存器。</p><p>　　圖2-7 TLC5615與反相器連接圖 圖2-8 TLC5615時(shí)序圖</p><p>　　2.5 采樣電路模塊</p><p>

59、;　　方案一采用8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809是一種8路模擬輸入的8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，為CMOS型單芯片器件。其作用可根據(jù)地址譯碼信號來選擇8路模擬輸入而共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器。但其占用端口多，轉(zhuǎn)換頻率低于1M。</p><p>　　方案二采用10位A/D轉(zhuǎn)換器TLC1549系列具有串行控制、連續(xù)逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它采用兩個(gè)差分基準(zhǔn)電壓高阻輸入和一個(gè)三態(tài)輸出構(gòu)成三線接口。TLC1549采用CMOS工藝

60、。內(nèi)部具有自動采樣保持、可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍、抗噪聲干擾功能，而且在設(shè)計(jì)時(shí)使在滿刻度時(shí)總誤差最大僅為 3.8 mV，因此可廣泛應(yīng)用于模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換電路。</p><p>　　兩者相比，TLC1549系列器件性能優(yōu)良、速度快、功耗低、精度高、可靠性好、接口簡便，實(shí)用價(jià)值高,同時(shí)與10位的TLC5615 DA輸出基準(zhǔn)電壓精度相同，不會導(dǎo)致電路精度降低，故選擇方案二。</p><p>

61、　　采樣電路是檢測和測量環(huán)節(jié)的重要技術(shù)手段，為了讓負(fù)載準(zhǔn)確工作在恒流方式下，設(shè)計(jì)中對被測電源的輸出電壓和MOS管的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣。采樣A/D選用10位精度的TLC1549、精度較高。</p><p>　　采樣電路包括電壓采樣電路和電流采樣電路，如圖2-9所示為電壓電流采樣電路原理圖。從功率電路采集實(shí)際工作電壓和電流，反饋到單片機(jī)，再通過液晶顯示出來，實(shí)現(xiàn)自動循環(huán)的調(diào)節(jié)。</p><p>

62、　　2.5.1 電壓采樣電路</p><p>　　電壓采樣電路中，由于電子負(fù)載的輸入電壓范圍比較寬，實(shí)際工作電壓較高，采樣前首先進(jìn)行了分壓設(shè)計(jì)。如圖2-9所示采用1/11的分壓，輸出送往A/D采樣TLC1549添加一個(gè)電壓跟隨器，沒有放大作用，輸出電壓與輸入電壓相同，提高了輸入阻抗，對電路進(jìn)行緩沖，起到承上啟下的作用。同時(shí)取到隔離作用，減小了電磁干擾的影響，減小了強(qiáng)電流功率電路對控制電路的損害。</p&g

63、t;<p>　　如圖2-9所示,被試電源兩端的電壓U與電壓采樣點(diǎn)電壓Ub的關(guān)系為</p><p>　　Ub=R19/( R19+ R18)U=10K/(10K+100K)U=1/11U （2-2）</p><p>　　所以 U=11Ub

64、（2-3）</p><p>　　圖2-9 電壓電流采樣電路原理圖</p><p>　　2.5.2 電流采樣電路</p><p>　　電流采樣電路中，首先借助采樣電阻R17將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸出送往A/D采樣TLC1549添加一個(gè)電壓跟隨器，不取到放大作用。如圖2-9所示，提高電路帶負(fù)載能力，取到緩沖、隔離作用。</p><p>　　

65、如圖2-9所示負(fù)載電流I與電流采樣點(diǎn)電壓Ua的關(guān)系為</p><p>　　I=Ua/R17=Ua/0.25 （2-4）</p><p>　　采樣電阻R17的電阻為0.25歐姆，為錳銅采樣電阻，阻值較小，但可以承受大功率，采樣電阻分流對整個(gè)電路影響較小。采樣電阻R17電流－電壓轉(zhuǎn)換元件(I/V converter)，落在R17上的電壓降通過PI調(diào)節(jié)器與

66、基準(zhǔn)電壓（VERF）比較，控制MOS管的導(dǎo)通量變化與截止，從而達(dá)到保持電流恒定的目的。這種電阻適用于高功率及高電流的電源供應(yīng)器，電路板的電路偵測，具有穩(wěn)定性佳，低溫度系數(shù)，散熱性好的特性。</p><p><b>　　輸入的模擬量采樣</b></p><p>　　圖2-10 tlc1549引腳圖 </p><p&

67、gt;　　圖2-11 tlc1549時(shí)序圖</p><p>　?。?）TLC1549工作原理</p><p>　　TLC1549具有6種串行接口時(shí)序模式，這些模式是由I／O CLOCK周期和CS定義。根據(jù)TLC1549的功能結(jié)構(gòu)和工作時(shí)序，其工作過程可分為3個(gè)階段：模擬量采樣、模擬量轉(zhuǎn)換和數(shù)字量傳輸。如圖2-11所示為TLC1549的時(shí)序圖。</p><p>　　

68、（2）輸入模擬量采樣</p><p>　　在第3個(gè)I／O CLOCK下降沿，輸入模擬量開始采樣，采樣持續(xù)7個(gè)I／O CLOCK周期，采樣值在第10個(gè)I／O CLOCK下降沿鎖存。</p><p><b>　?。?）數(shù)字量得傳輸</b></p><p>　　當(dāng)片選CS由低電平變?yōu)楦邥r(shí)，I／O CLOCK禁止且A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出DATA

69、OUT處于高阻狀態(tài)；當(dāng)串行接口將CS拉至有效時(shí)，即CS由高變?yōu)榈蜁r(shí)，CS復(fù)位內(nèi)部時(shí)鐘，控制并使能DA-TA OUT和I／O CLOCK，允許I／O CLOCK工作并使DATA OUT脫離高阻狀態(tài)。串行接口把輸入／輸出時(shí)鐘序列供給I／O CLOCK并接收上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果。首先移出上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量對應(yīng)的最高位，下一個(gè)I／O CLOCK的下降沿驅(qū)動。DATA OUT輸出上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量對應(yīng)的次高位，第9個(gè)I／OCLOCK的下降沿將按次序

70、驅(qū)動DATA OUT輸出上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量的最低位，第10個(gè)I／OCLOCK的下降沿，DATA OUT輸出一個(gè)低電平，以便串行接口傳輸超過10個(gè)時(shí)鐘；I／O CLOCK從主機(jī)串行接口接收長度在10～16個(gè)時(shí)鐘的輸入序列。CS的下降沿，上一次轉(zhuǎn)換的MSB出現(xiàn)在DATA OUT端。10位數(shù)字量通過DATA OUT發(fā)送到主機(jī)串行接口。為了開始傳輸，最少需要10個(gè)時(shí)鐘脈沖，如果I／OCLOCK傳送大于10個(gè)時(shí)鐘，那么在第10個(gè)時(shí)鐘的下降沿，內(nèi)

71、部邏輯把DATA OUT拉至低</p><p>　　2.6 電流取樣PI控制器等組成的負(fù)反饋控制模塊</p><p>　　電子負(fù)載的核心實(shí)質(zhì)是一個(gè)電流取樣PI控制器組成的負(fù)反饋控制環(huán)路，也是電子負(fù)載的功率控制電路。MOS管在這里既作為電流的控制器件同時(shí)也作為被測電源的負(fù)載。采樣電阻R17電流－電壓轉(zhuǎn)換元件(I/V converter)，落在R17上的電壓降通過PI調(diào)節(jié)器與基準(zhǔn)電壓（VER

72、F）比較，控制MOS管的導(dǎo)通量變化與截止，從而達(dá)到保持電流恒定的目的。</p><p>　　圖2-12電流取樣PI控制器等組成的負(fù)反饋控制電路</p><p>　　如圖2-12所示為電流取樣PI控制器等組成的負(fù)反饋控制電路。這個(gè)電路中，設(shè)定值與實(shí)際值相比較。當(dāng)R17上的電壓降Uf即實(shí)際值大于設(shè)定值VERF時(shí)，通過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，減小MOS管的導(dǎo)通角，減小MOS管的導(dǎo)通量，使MOS管的內(nèi)阻

73、增大，流過電阻R17的電流減小，則電壓降Uf慢慢減小并等于設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)電子負(fù)載的恒流工作模式；當(dāng)R17上的電壓降Uf即實(shí)際值小于設(shè)定值VERF時(shí)。通過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，增大MOS管的導(dǎo)通角，增大MOS管的導(dǎo)通量，使MOS管的內(nèi)阻減小，流過電阻R17的電流增大，則電壓降Uf慢慢增大并等于設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)電子負(fù)載的恒流工作模式，這是一個(gè)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)過程。</p><p>　　2.7 PI調(diào)節(jié)器</p&g

74、t;<p>　　對于電子負(fù)載的設(shè)計(jì)需要較高的精確度，同時(shí)控制MOS管的導(dǎo)通量的變換也需要一個(gè)不停的變化調(diào)節(jié)過程，而不是傳統(tǒng)的采用運(yùn)放比較器組成的反饋電路來實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的僅靠比較器來比較設(shè)置值與實(shí)測值，比較后的輸出作用于MOS管。這樣組成的反饋系統(tǒng)誤差很大、精度低，只能控制MOS管的通或斷，就只有全導(dǎo)通或全關(guān)閉兩種極值情況，很難準(zhǔn)確的消除誤差實(shí)現(xiàn)其恒流模式的控制。所以需要一個(gè)更加精確的調(diào)節(jié)器來控制MOS管的導(dǎo)通量，使其導(dǎo)通角能

75、夠在可承受電壓范圍內(nèi)，按照偏差的大小，對實(shí)測值與給定值的偏差分別進(jìn)行比例和積分運(yùn)算，取其和構(gòu)成連續(xù)信號以控制調(diào)節(jié)導(dǎo)通角的增大或縮小達(dá)到設(shè)定值等于實(shí)際值。</p><p>　　圖2-13 PI調(diào)節(jié)器 2-14 PI調(diào)節(jié)器的輸出特性</p><p>　　如圖2-13所示為 PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓Uex由比例和積分兩個(gè)部分組成，在零初始狀態(tài)和階

76、躍輸入信號作用下，其輸出電壓的時(shí)間特性如圖2-14 所示，由圖可以看出比例積分作用的物理意義。當(dāng)突加輸入電壓Uin時(shí)，由于開始瞬間電容C相當(dāng)于短路，反饋回路只有電阻R1，使輸出電壓Uex突跳到KPIUin。此后，隨著電容C被充電，開始體現(xiàn)積分作用，Uex不斷線性增長，直到達(dá)到輸出限幅值或運(yùn)算放大器飽和。這樣，當(dāng)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用比例積分調(diào)節(jié)器后，在突加輸入偏差信號△Un的動態(tài)過程中，在輸出端Uct立即呈現(xiàn)Uct=KPI△Un，實(shí)現(xiàn)快速控

77、制，發(fā)揮了比例控制的長處；在穩(wěn)態(tài)時(shí)，又和積分調(diào)節(jié)器一樣，又能發(fā)揮積分控制的作用，△Un=0，Uct保持在一個(gè)恒定值上，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差。</p><p>　　因此，比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，又克服了各自的缺點(diǎn)，揚(yáng)長避短，互相補(bǔ)充。比例部分能夠迅速響應(yīng)控制作用，積分控制則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。作為控制器，比例積分調(diào)節(jié)器兼顧了快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。故PI調(diào)節(jié)器應(yīng)用在電子負(fù)載的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)

78、對MOS導(dǎo)通角的有效控制，具有積分作用的調(diào)節(jié)器，只要被調(diào)量即電子負(fù)載電路中的實(shí)測值與設(shè)定值之間有偏差，其輸出就會不停的變化。反復(fù)調(diào)節(jié)，消除穩(wěn)態(tài)誤差，實(shí)現(xiàn)無靜差的調(diào)節(jié)。</p><p>　　PI調(diào)節(jié)器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差</p><p>　　e(t)= r(t)—c(t) （2-5）</

79、p><p>　　將偏差的比例（P）和積分（I）通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，其控制規(guī)律為</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　其中u(t)為PI控制器的輸出，e(t)為PI調(diào)節(jié)器的輸入，Kp為比例系數(shù)，TI為積分時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　1．比例環(huán)節(jié)即時(shí)成比例的反映控制系統(tǒng)

80、的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。通常隨著Kp值的加大，閉環(huán)系統(tǒng)的超調(diào)量加大，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，但是當(dāng)Kp增加到一定程度，系統(tǒng)會變得不穩(wěn)定。</p><p>　　2．積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之越強(qiáng)。通常在Kp不變的情況下，TI越大，即積分作用越弱，閉環(huán)系統(tǒng)的超調(diào)量越小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢。</

81、p><p>　　本次電子負(fù)載設(shè)計(jì)，為了較快且更加精確的消除誤差。對于PI調(diào)節(jié)器，如圖2-14 所示的PI調(diào)節(jié)器，取R11、R12=40K，R13=60K ,C=0.75uF</p><p>　　Kp=R13／R11=1.5 （2-6）</p><p>　　TI= RC=0.03S （2-6

82、）

83、 所以本設(shè)計(jì)的PI調(diào)節(jié)器的Kp取1.5，TI取0.03S。</p><p>　　2.8 功率電路模塊</p><p>　　2.8.1 電子模擬負(fù)載方式的選擇</p><p>　　方案一：晶體管式電子模擬負(fù)載：晶體管是通過一定的工藝，將兩個(gè)PN結(jié)結(jié)合在一起的器件。通過基極電流可以控制集電極電流，從而可以達(dá)到控制晶體管作為一個(gè)可變負(fù)載的目的。大功

84、率晶體管構(gòu)成的功率恒流源充當(dāng)負(fù)載，通過吸收電源提供的大電流，從而模擬復(fù)雜的負(fù)載形式。即通過將恒壓、恒流、恒阻誤差信號經(jīng)過放大，再送入邏輯或控制電路，用選中的誤差信號來調(diào)整晶體管的內(nèi)阻，以達(dá)到模擬變化負(fù)載的目的。由于晶體管屬于電流控制性器件，在控制變化速度上較慢，因此適合模擬一些電流恒定或是變化緩慢的實(shí)際負(fù)載。其次，晶體管還存在溫度系數(shù)為負(fù)的問題，所以在使用過程中還需要考慮溫度補(bǔ)償?shù)膯栴}。</p><p>　　方案

85、二：場效應(yīng)管式電子模擬負(fù)載：場效應(yīng)晶體管(MOSFET)工作在不飽和區(qū)時(shí)，漏極與源極之間的伏安特性可以看作是一個(gè)受柵一源電壓控制的可變電阻。用MOSFET作可變電阻具有工作速度快，可靠性控制靈敏等優(yōu)點(diǎn)，而且既無機(jī)械觸點(diǎn)，也無運(yùn)動部件，噪聲低、壽命長。MOSFET的通態(tài)電阻較大，且負(fù)載電流較小。所以MOSFET適合模擬一些變化速度較快，但電流不大的實(shí)際負(fù)載。</p><p>　　綜合電子負(fù)載的特性，故選擇方案二場效

86、應(yīng)管式電子模擬負(fù)載。</p><p>　　2.8.2 功率耗散MOS管的選型</p><p>　　方案一：采用MTY25N60E MOS管，它常用于電力領(lǐng)域的應(yīng)用。專為高電壓、高速開關(guān)芯片，可以應(yīng)用于電力供應(yīng)、電機(jī)控制、PWM變流器等領(lǐng)域。</p><p>　　方案二：采用IRFP460芯片，TIP122芯片效率比方案低，總功耗相對較高。其通用參數(shù)為： <

87、;/p><p>　?。?）漏極－源極擊穿電壓Vdss=500V</p><p>　?。?）靜態(tài)導(dǎo)通電阻Rds(on)=0.25</p><p>　?。?）漏源連續(xù)導(dǎo)通電流Id=22A</p><p>　?。?）功   率：Ptot=278W（5）極   性：NPN</p><p>

88、　　鑒于MOS管的良好開關(guān)特性，在此次設(shè)計(jì)中，對被測電源功率的控制，也就是對電流的控制，故選用方案二。</p><p>　　場效應(yīng)管是一種單極型晶體管，它只有一個(gè)P-N結(jié)，在零偏壓的狀態(tài)下，它是導(dǎo)通的，如果在其柵極(G)和源極(S)之間加上一個(gè)反向偏壓(稱柵極偏壓)，在反向電場作用下，P-N變厚(稱耗盡區(qū))，溝道變窄，漏極電流變小。當(dāng)反向偏壓達(dá)到一定時(shí)，耗盡區(qū)將完全溝道“夾斷”，此時(shí)場效應(yīng)管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。<

89、/p><p>　　MOS型晶體管的特點(diǎn)是特別適合于開關(guān)狀態(tài)工作，因?yàn)樗驅(qū)〞r(shí)的電阻極小，而且開關(guān)速度快，所以是一種理想的開關(guān)元件。</p><p>　　（1）柵極控制功率小。和雙極型晶體管相比，MOS管柵極是絕緣的、在高頻工作時(shí)雖然有柵極電流存在。但其值甚小，所以柵極的輸入功率也很小。</p><p>　?。?）由于MOS管是電壓控制器件，它不像雙極型晶體管那樣，在

90、基區(qū)有可能積存大量少數(shù)載流子，從而影響高速開關(guān)。所以同樣功率的管子，MOS型的開關(guān)速度要比雙極型管子快得多。</p><p>　　（3）MOS管子的耐壓比雙極型管于低、常很少超過1000V、雙極型管子可以做到1600V以下。</p><p>　?。?）MOS管子不像雙極型管子那樣存在明顯的二次擊穿現(xiàn)象，所以在中、低壓情況下，其工作的可靠性要高—些，過電壓保護(hù)的設(shè)計(jì)也可以簡單一些。如圖2-1

91、5所示為N溝道增強(qiáng)型 MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線，如圖2-16所示為N溝道增強(qiáng)型MOS管的輸出特性曲線。</p><p>　　圖2-15 N溝道增強(qiáng)型 MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線 圖2-16 N溝道增強(qiáng)型MOS管的輸出特性</p><p>　　圖2-17 N溝道增強(qiáng)型 MOS管</p><p>　　電子負(fù)載的恒流控制，它的功率控制電路主要包括場效應(yīng)管（MOSFE

92、T)、電流取樣PI控制器、運(yùn)放等組成負(fù)反饋控制環(huán)路。這是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，也是電子負(fù)載的核心部分。如圖2-17所示為 N溝道增強(qiáng)型 MOS管，MOS管不僅作為電流控制器，而且作為被測電源的負(fù)載，IRFP460為N溝道增強(qiáng)型MOS管，所以整個(gè)設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)是根據(jù)IRFP460MOS管的參數(shù)進(jìn)行選定的。由IRFP460MOS管的飽和漏源電流Id=22A取整個(gè)電子負(fù)載設(shè)計(jì)的電流范圍為0-20A，根據(jù)錳銅采樣電阻的阻值0.25歐姆，可算出功率

93、的最大值為100W，故整個(gè)設(shè)計(jì)的功率范圍為0-100W?？紤]到有時(shí)候被測電源電壓較大，在漏極－源極擊穿電壓Vdss=500V的基礎(chǔ)上，整個(gè)設(shè)計(jì)的電壓范圍設(shè)為0-50V。</p><p>　　2.9 電源電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　單片機(jī)電源設(shè)計(jì)包含3個(gè)方面的內(nèi)容:一是電源功耗，二是電源電壓，三是電源管理。電源電壓的設(shè)計(jì)主要針對系統(tǒng)需求的不同電壓進(jìn)行的電源分配，在電子負(fù)載系統(tǒng)中，單片機(jī)

94、的工作電壓是1.7-4.5V;運(yùn)放和其它元器件也可以工作在0-24V電壓下，A/D、D/A轉(zhuǎn)換芯片可以工作在5V電壓下。本電路設(shè)計(jì)中利用HCPL－78XX 、79XX系列的 3 端正穩(wěn)壓電路和具有良好熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源TL431實(shí)現(xiàn)整個(gè)電源電路的設(shè)計(jì)。利用TL431輸出2.5V電壓作為輸入基準(zhǔn)源供TLC5615進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換。</p><p>　　HCPL－ 78XX 系列為 3 端正穩(wěn)壓電路內(nèi)含過

95、流、過熱和過載保護(hù)電路。帶散熱片時(shí)，輸出電流可達(dá) 1A。具有過熱保護(hù);短路保護(hù);輸出晶體管 SOA保護(hù)。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。</p><p>　　圖2-18 TL431符號 圖 2-19 TL431輸出2.5V電壓連接圖</p><p>　　TL431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源。它的輸出

96、電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2Ω，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表、運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等等。如圖2-18所示為TL431符號，圖2-19為 TL431輸出2.5V電壓連接圖。將Cathode（負(fù)極）與Reference（參考端）連接起來，會得到VKA = Vref =2.5V，2.5V作為輸入基準(zhǔn)源供TLC5615DA進(jìn)

97、行轉(zhuǎn)換。</p><p>　　圖2-20 電源電路原理圖</p><p>　　如圖2-20所示為電源電路原理圖。電源電路利用78XX系列集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路，利用串聯(lián)輸出不同的電壓，供電路各個(gè)部分工作。經(jīng)過220V交流電降壓后通過整流橋的作用，之后通過7812輸出+12V和通過7912輸出-12V的直流電壓供給運(yùn)放工作，再通過7805輸出+5V的直流電壓供給單片機(jī)A/D、D/A芯片工作

98、。最后通過串聯(lián)具有良好熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源TL431產(chǎn)生2.5V的直流電壓，作為D/A轉(zhuǎn)換的輸入基準(zhǔn)電壓。C6、C13、C14為濾波電容，C7、C8、C9、C10、C11、C12為分別輸入端和輸出端濾波電容。</p><p>　　第三章 電子負(fù)載軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)都是采用Keil開發(fā)軟件，C語言程序。C語言較方便，通俗易懂。而且本系統(tǒng)采用的是模

99、塊化編程思路，使得程序更具有移植性和可讀性。 </p><p>　　Keil IDE μVision2集成開發(fā)環(huán)境是Keil Software開發(fā)的基于80C51內(nèi)核的微型處理器軟件開發(fā)平臺，內(nèi)嵌多種符合當(dāng)前工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)工具?？梢酝瓿蓮墓こ探?、管理、編譯和鏈接，目標(biāo)代碼的生成，軟件仿真，硬件仿真等完整的開發(fā)流程。尤其C編譯工具在產(chǎn)生代碼的準(zhǔn)確性和效率方面達(dá)到了較高的水平，而且可以附加靈活的控制選項(xiàng)，在

100、開發(fā)大型項(xiàng)目時(shí)非常理想。</p><p>　　Keil軟件開發(fā)的流程：</p><p><b>　?、沤⒐こ?。</b></p><p>　?、茷楣こ踢x擇目標(biāo)器件。</p><p>　?、窃O(shè)置工程的配置參數(shù)。</p><p>　　⑷打開/建立程序文件。</p><p>&l

101、t;b>　　⑸編譯和鏈接工程。</b></p><p>　?、始m正程序中的書寫和語法錯(cuò)誤并重新編譯連接。</p><p>　　⑺對程序中某些純軟件的部分使用軟件仿真驗(yàn)證。</p><p>　?、淌褂肨KS硬件仿真器對應(yīng)用程序進(jìn)行硬件仿真。</p><p>　　圖3-1 軟件主程序流程圖 圖3-2

102、電壓電流采樣流程圖 </p><p>　　主程序軟件流程如圖3-1所示，在圖3-1中軟件首先進(jìn)行DA、AD、LCD液晶顯示、控制變量初始化，再調(diào)用鍵盤掃描處理程序，在沒有按下沒有按下自動調(diào)節(jié)啟動停止按鍵時(shí)，默認(rèn)為功能設(shè)置，此時(shí)單片機(jī)只預(yù)置數(shù)據(jù)輸入、按鍵查詢、預(yù)置數(shù)據(jù)LCD顯示等功能；而當(dāng)按下該按鍵1次后，單片機(jī)將轉(zhuǎn)為執(zhí)行負(fù)載調(diào)節(jié)、A/D采集、實(shí)際數(shù)據(jù)LCD顯示等功能。</p><p>

103、;　　3.1 電壓電流A/D采樣程序設(shè)計(jì)</p><p>　　如圖3-2所示為電壓電流采樣流程圖，先復(fù)位時(shí)序成功后，啟動A/D轉(zhuǎn)換口，再送十個(gè)時(shí)鐘信號進(jìn)行串行采樣，當(dāng)?shù)谑畟€(gè)時(shí)鐘信號下降沿到來時(shí)，判斷A/D轉(zhuǎn)化是否完成，若采樣完成，將模擬輸入量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，送往顯示，測出電壓值、實(shí)際電流值和功率值。</p><p>　　TLC1549是串行轉(zhuǎn)化，同樣對時(shí)序有嚴(yán)格要求，復(fù)位時(shí)序成功后，即可進(jìn)

104、入采樣，采樣后在經(jīng)過處理。對于電流的檢測將電流轉(zhuǎn)化為電壓進(jìn)行檢測，然后在TLC1549AD轉(zhuǎn)換過程中轉(zhuǎn)化回電流，最后送往液晶顯示出來。檢流電阻選用的是100W 0.25歐姆的功率電阻。</p><p>　　3.2 液晶顯示子程序</p><p>　　如圖3-3 所示為液晶顯示子程序流程圖，液晶顯示采用的是Nokia 液晶屏，體積不大，當(dāng)對其初始化及復(fù)位成功后就可調(diào)用相應(yīng)的顯示子程序?qū)σ@

105、示的內(nèi)容進(jìn)行顯示。顯示的內(nèi)容可以采用取模軟件取出數(shù)組，將對應(yīng)的點(diǎn)顯示出，最終組合顯示出需要的字體或數(shù)字。</p><p>　　LCD控制程序遵循SPI傳輸協(xié)議。SPI是一個(gè)全雙工同步串行數(shù)據(jù)3線同步字節(jié)傳輸總線接口，加上片選共4線，是基于主/從工作模式的總線協(xié)議，有寫沖突保護(hù)和總線競爭保護(hù)，由Motorofa在其MC68HCXX系列中定義的標(biāo)準(zhǔn)接口。SPI中4線的功能如下:</p><p>

106、;　　SCK信號線:由SPI總線上的主設(shè)備產(chǎn)生。它可以調(diào)整數(shù)據(jù)比特流，設(shè)備可在不同的波特率下傳輸數(shù)據(jù)。SCK根據(jù)傳輸?shù)拿恳晃粊硌h(huán)。</p><p>　　MOSI信號線:數(shù)據(jù)從SPI總線的主設(shè)備輸出，然后從SPI的從設(shè)備輸入。</p><p>　　MISO信號線:數(shù)據(jù)從SPI總線的從設(shè)備輸出，然后從SPI的主設(shè)備輸入。只有一</p><p>　　個(gè)被選擇的從設(shè)備能驅(qū)

107、動從MOSO輸出。</p><p>　　CS線號線:此信號通過硬件控制選擇一個(gè)特殊的從設(shè)備，沒有被選中的從設(shè)備不</p><p>　　予SPI總線交互通信。</p><p>　　SPI主機(jī)和從機(jī)之間，主機(jī)通過將待通信的從機(jī)的CS引腳拉低，實(shí)現(xiàn)與從機(jī)的同步，主機(jī)啟動一次SPI通訊。主機(jī)和從機(jī)將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入相應(yīng)的移位寄存器。主機(jī)在SCK引腳上產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖以交換數(shù)

108、據(jù)。主機(jī)的數(shù)據(jù)從主機(jī)的MOSI移出，從從機(jī)的MOSI移入；從機(jī)的數(shù)據(jù)從從機(jī)的MISO移出，從主機(jī)的呱50移入。如圖2-2所示為單片機(jī)與LCD通信。</p><p>　　3.3 D/A轉(zhuǎn)化程序</p><p>　　由于TLC5615是串行輸出的，且其輸出采用的是SPI總線模式，所以現(xiàn)對SPI時(shí)序做初始化，初始化完后即可調(diào)用將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬輸出。</p><p>　

109、　如圖3-4為D/A轉(zhuǎn)化子程序流程圖。當(dāng)鍵盤按下確認(rèn)后，設(shè)定值送往單片機(jī)數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)后送TLC5615進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)化，有數(shù)送入時(shí)scs=0；sclk=0即對SPI時(shí)序做初始化，開始產(chǎn)生上升沿，數(shù)據(jù)被鎖存,形成DA輸出。在前10個(gè)時(shí)鐘內(nèi)輸入的是10位DA數(shù)據(jù)，后兩個(gè)時(shí)鐘周期為填充字節(jié)scs = 1；sclk = 0，scs的上升沿和下降沿只有在sclk為低的時(shí)候才有效，D/A轉(zhuǎn)化完成產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，轉(zhuǎn)換輸出至PI調(diào)節(jié)器控制MOS管