恒压、恒流、恒阻电子负载的设计

本科生毕业论文（设计）题目恒压、恒流、恒阻电子负载的设计姓名王俊楠学号2010416014院系电气信息及其自动化学院专业电气工程及其自动化指导教师曹佃国职称副教授年月日曲阜师范大学教务处制目录摘要.....................................................................1关键词...................................................................1Abstract.................................................................1Keywords................................................................1引言.....................................................................11电子负载的原理........................................................22电子负载电路设计......................................................22．1核心处理器.........................................................22．2恒压负载电路.......................................................32．3恒流负载电路.......................................................32．4恒阻负载电路.......................................................42．5继电控制模式转换...................................................52．6显示模块...........................................................52．7键盘模块...........................................................62．8D/A转换模块........................................................72．9采样模块的设计.....................................................93软件设计.............................................................103．1LCD显示模块驱动...................................................103．1．1SPI接口时序写数据/命令.........................................103．1．2Nokia5110的初始化..............................................113．2D/A转化程序.......................................................123．3电压电流A/D采样程序..............................................134结论.................................................................13致谢....................................................................13参考文献：..............................................................131恒压、恒流、恒阻电子负载的设计电气工程及其自动化专业学生王俊楠指导教师曹佃国摘要：随着科学技术迅速发展，人们对负载的要求越来越高，传统技术面临着极大的挑战。电子负载将电力电子技术和微机控制技术有机地结合起来，它能替代传统负载。电子负载以单片机为控制芯片，可切换工作于恒压、恒流、恒阻三种模式。电子负载的设计包括硬件和软件两部分，硬件设计了恒压电路模块、恒流电路模块、恒阻电路模块、D/A输出控制电路、电压电流检测电路、键盘电路、显示模块等，软件设计包括LCD显示模块、D/A转化程序、电压电流采样程序等，通过软硬件的协调配合实现整个设计。关键词：电子负载；恒压；恒流；恒阻TheDesignofanElectronicLoadwithConstantVoltage,ConstantCurrentandConstantResistanceStudentmajoringinElectricalEngineering&AutomationWangJunnanTutorCaoDianguoAbstract：Withtherapiddevelopmentoftechnology,thedemandforloadwasincreasing,traditionaltechnologyfacesgreatchallenges.Electronicloadcombinespowerelectronicsandmicrocomputercontroltechnique,cansubstitutetraditionalload.ThiselectronicloadusingMCUascontrolchip,canworkinconstantvoltage,constantcurrent,andconstantresistancemodes.Theelectronicloadfocusesontwoparts,hardwareandsoftware.Hardwareoftheelectronicloadareconstantvoltagecircuit,constantcurrentcircuit,constantresistancecircuit,D/Aoutputcontrolcircuit,voltageandcurrentdetectioncircuit,keyboardmodule,displaymodule.ThesoftwaredesignincludesLCDdisplaymodule,D/Aconversionprocess,voltageandcurrentsamplingprocedures.Thedesignwasachievedthroughcoordinationofhardwareandsoftware.Keywords:Electronicload；Constantvoltage；Constantcurrent；Constantresistance引言在电路中，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储存或消耗掉。电子负载是利用电子元件吸收电能并将其消耗的一种负载。电子元件一般为功率场效应管（PowerMOS）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等功率半导体器件。由于采用了功率半导体器件替代电阻等作为电能消耗的载体，使得负载的调节和控制易于实现，能达到很高的调节精度和稳定性。同时通过灵活多样的调节和控制方法，不仅可以模拟实际的负载情况，还可以模拟一些特殊的负载波形曲线，测试电源设备的动态和瞬态特性。这是电阻等负载形式所无法实现的。电子负载可以模拟真实环境中的负载（用电器）。它有恒流、恒阻、恒压和恒功2率，以及短路，过流，动态等功能，电子负载分为直流电子负载和交流电子负载，由于电子负载的应用方面问题，直流电子负载应用比较广泛，本文主要介绍直流电子负载。电子负载与传统的模拟电阻性负载相比具有节能、体积小、重量轻、成本低、效率高等优点，由于电子负载所具有的性能特点和优点，电子负载被越来越多地应用到各种试验场合。因此，电子负载的研究具有广阔的市场和广泛的应用前景1电子负载的原理电子负载的原理是控制内功率MOSFET或晶体管的导通量（占空比），靠功率管的耗散功率消耗电能的设备，它能够准确检测出负载电压，精确调整负载电流。它的基本工作方式有恒压、恒流、恒阻这几种。选用矩阵键盘，功能齐全且直接输入方便快捷。通过键盘输入来控制继电器实现恒压、恒流的模式转换。通过键盘输入分别设定恒压、恒流电路模块的工作参数。通过手动调节设定恒阻模式工作参数。电压电流检测电路获取电压电流信号，利用A/D转换把模拟信号转换为数字信号，采用STC89C52单片机作为核心控制器，控制液晶显示，同时通过比较实际值与设定值调节负载输入信号，形成闭环控制回路。整个系统有恒压电路模块、恒流电路模块、恒阻电路模块、D/A输出控制电路、A/D电压电流检测电路、键盘电路、显示电路模块，通过软、硬件的协调配合，实现了整个设计。电子负载原理图如图1所示。图1电子负载原理图2电子负载电路设计2．1核心处理器核心处理器负责控制与协调其他各个模块工作，并进行简单的数字信号处理。在整3个电子负载系统中，主控器是系统的控制中心，其工作效率的高低关系到系统效率的高低以及系统运行的稳定性。设计过程中用单片机作为主控制器。电子负载系统的主控制器选用STC89C52。STC89C52单片机在系统中主要实现以下功能:恒压、恒流、恒阻电路模块的设定值通过D/A转换输出；经A/D转换实际工作电压电流；监控实际电压电流并实时调节；控制LCD显示；接收键盘输入等。表1为电子负载系统中STC89C52的I/O口分配连接情况。STC89C52各引脚分布情况见图6。表1单片机I/O口分配I/O口应用I/O口应用P0.0--P0.74×4矩阵键盘输入P2.2—P2.7A/D采样输入P1.0—P1.3D/A转换输出XTAL1--XTAL2时钟输入P1.0—P1.4液晶显示模块RESET单片机复位信号2．2恒压负载电路电路的运放选用OP07，该双极性运算放大器低噪声，低输入失调电，低输入偏置电流，开环增益高，稳定度高。在定电压工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定的负载电压而定，此时负载电流将会增加直到负载电压等于设定值为止，即负载电压保持设定值不变。系统会通过电压电流采样点将实际电路工作状态反馈至控制器，并有控制器将实际值与设定值比较实时调节负载输入信号，使工作在设定状态。恒压负载电路原理图如图2所示，D/A输入电压信号U1后，与MOS管上的电压经R3与R2分压后送入运放IN+的值进行比较，则MOS管上的电压取决于U1，实现负载端口电压恒定为4U1。如给定U1为1V，R2为3kΩ，R3为1kΩ，则负载电压恒定为4V。改变U1即可改变恒压值，U1由MCU控制输入。图2恒压负载电路原理图2．3恒流负载电路电路的运放选用OP07,该双极性运算放大器低噪声，低输入失调电，低输入偏置电流，开环增益高，稳定度高。在定电流工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所4设定的电流值而保持恒定，与输入电压大小无关，即负载电流保持摄定值不变。系统会通过电压电流采样点将实际电路工作状态反馈至控制器，并由控制器将实际值与设定值比较实时调节负载输入信号，使工作在设定状态。图3中R1为取样电阻,当给定一个信号D/A输入U2时，如果R1上的电压小于U1，也就是OP07的-IN小于+IN，OP07加大输出，使MOS加大导通使R1的电流增大。如果R3上的电压大于U2时，-IN大于+IN，OP07减小输出，也就减小了R1上的电流，这样电路最终维持在恒定的给定值U2上，也就实现了恒流工作。如给定U2