1、 2012年山東省電子設計競賽 直流電子負載的設計制作（F題） 目錄摘要3一、方案論證與設計41.1模塊方案比較51.1.1負載參數預置方案51.1.2 電路設計方案51.2 自動過流保護設計81.3 顯示方案選擇8二、軟件設計及流程8 2.1 主程序流程圖：10 2.2定時中斷流程圖10三、測試結果及分析11 3.1 恒電壓模式測試11 3.2 恒電流模式測試11 3.3 測試器件.11四、設計總結和心得12附錄一13 直流電子負載的設計制作 摘要 本設計是基于TI公司的MSP460程控的電子負載，具有恒流、恒壓、恒阻三種工作模式，通過矩陣鍵盤預先設定電子負載的值，手動開關和單片機結合實現三

2、種負載模式的轉換。恒流源工作模式時，不論輸入電壓如何變化（在一定范圍內），流過該電子負載的電流依據所設定的電流值而保持恒定，與測量端輸入電壓的大小無關。恒壓工作模式及恒阻工作模式的特性與恒流工作模式類似。 系統包括控制電路(MCU)、驅動隔離電路(PWM波)、主電路、采樣電路、顯示電路等；能夠檢測被測電源的電流值、電壓值；各個參數都能直觀的在液晶屏上顯示。關鍵詞：電子負載；單片機（MCU）；電子負載 ；數/模轉換；電壓電流采樣 一、方案論證與設計 電子負載用于測試直流穩壓電源、蓄電池等電源的性能。我們設計的電子負載有恒流和和恒壓以及恒阻以三種工作模式模式，可手動切換。恒流方式時不論輸入電壓如何

3、變化（在一定范圍內），流過該電子負載的電流恒定，且電流值可設定。工作于恒壓模式時，電子負載端電壓保持恒定，且可設定，流入電子負載的電流隨被測直流電源的電壓變化而變化。如圖1-1所示： 圖1-1 整體設計框圖 如圖1-1所示，恒流模塊和恒壓模塊共用一個功率MOS管，并且通過數字開關實現兩種模式的轉換，用A/D轉換器把電路中的電壓電流的模擬信號轉換為數字信號，然后通過單片機來程控設置電壓電流的步進值，用液晶屏顯示即時電壓電流。我們采用了TI公司所提供的MSP430單片機，精密運放INA128P。1.1模塊方案比較1.1.1負載參數預置方案方案一：通過手動調節滑動變阻器來調節恒流和恒壓兩種模式下的電

4、壓，其缺點是調節耗時費力，準確度不高。操作簡單易懂，但是由于步進值難以手動調節控制，所以基本上無法實現恒阻調節。 方案二：利用A/D轉換把模擬信號轉換為數字信號，再利用單片機設置電壓電流的步進值來修改電壓電流參數，此方案節省了硬件設計，增加了單片機程序控制，操作技術要求高，節省時間。 通過比較，方案二簡單，容易實現，而且采用的芯片和器件較少，經濟實用，故我們采用方案二來完成電路參數的預置。1.1.2 電路設計方案 恒壓模式： 在恒定電壓工作模式時，電子負載所流入的負載電流是依據所設定的負載電壓而定恒壓模式時，電子負載端電壓保持恒定，且可設定。流入電子負載的電流隨被測直流電源的電壓變化而變化，即

5、負載電壓保持設定值不變。 圖1.2 恒壓模塊示意圖 圖1-2中 MOS 管上的電壓經 R1 與 R2 分壓后送入LM358，通過調節負載的值來調節電壓值，其輸出電壓的值來控制MOS管的導通程度，實現MOS管漏源電壓的穩定。根據圖1.2分析可得： （1.2.1)其中U1為運放負端的輸入電壓值。 恒流模式： 在恒電流工作模式時，電子負載所流入的負載電流依據所設定的的電流值而保持恒定不變，與輸入電壓的大小無關，即負載電流值保持定值不變。 圖1.3 恒流模塊示意圖 如圖1.3，這樣的電路很容易獲得穩定以及精準的電流，R1是取樣電阻，Vref為給定的信號。該電路的工作原理是：當給定一個Vref，若R1上

6、的電壓小于Vref,則其運放的正端輸入大于負端，此時其輸出增大，當R1上的電壓大于Vref時，即運放的正端輸入小于負端，使得輸出電壓減小，從而達到穩定輸出電流的目的。實際中是單片機控制對VREF端的步進值來得到Vref,對R1的放大K倍得到負端電壓再與Vref比較從而得到一個Vref對應流R1一個恒流值。 恒阻模式： 在恒阻模式工作時，電子負載 流入的負載電流依據所設定的負載電阻和輸入電壓的大小而定，此時的負載電流與輸入的電壓呈線性比例，比值就是所設定的負載電阻，即負載電阻保持不變。定電阻模式應用在測試電壓源或電流源和電源激活測試，用于測試電源的啟動與限流特性，相應于滑線變阻器，不易受溫度影響

7、。 圖1-4 恒阻模塊原理示意圖由1-4圖 可知LM358同相輸入端的電壓為： UB=I*R1 （1.2.2）電阻R4可以分壓，AB段分的的電壓為U+；所以有： UB=U+=I*R5 （1.2.3）由上有（假設R4被分為R5和R6兩部分）： U1=（1+R4/R5）*I （1.2.4）顯然U1與I成比例關系，所以電阻值恒定。1.2 自動過流保護設計當負載電流增大時，取樣電壓增大，LM358反相輸入端電壓增大，電流繼續增大。當反相端電壓大于所設定過流保護電流的基準電壓(同相端輸入電壓)時，LM358輸出低電平，與場效應管共同作用使得負載電流減小，起到保護作用。過流保護的設計有利于保護電路正常平穩

8、的運行，是一個好的電路設計中不可缺少的一部分。如圖5.1所示，在電流較小時，滑動變阻器R12的分壓大于零，LM358輸出低電平，但當電流較大時，2腳會變成小于零，1腳輸出高電平，進而進行限流的作用。1.3 顯示方案選擇方案一：電壓和電流的顯示都可以選用數碼管，由于發光二極管基本屬于電流敏感元件，其正想壓降分散性很大，并且還和溫度有關，為保證數碼管具有良好的亮度均勻，就需要其有恒定的工作電流，且不能受到溫度等其他的影響。而且數碼管只能顯示簡單的數字，其電路復雜，占用資源多，顯示信息少，不宜顯示大量的信息。 方案二：使用功能更好的液晶顯示屏12864，增加信息顯示的可讀性，看起來更加方便美觀，而字

9、符液晶顯示模塊，有更明顯的優點：微功耗小，超薄輕巧，顯示信息量大，字跡美觀而且容易控制，省電，無輻射，畫面柔和不傷眼睛，而且十分的人性化和智能化。受到更多人的接受和歡迎。 由以上分析可知，我們選用方案二。 二、軟件設計及流程 。此電子負載除了要完成作為負載的功能以外，還要實現I/U數據采集、測量與顯示的任務，并且相對誤差小于5%。我們采用TI公司的MSP460來控制電子負載，主控電路由單片機、時鐘電路、晶振電路組成的單片機最小系統構成軟件設計中，電壓電流采集數據經A/D 轉換后送入MSP430 單片機，與設定值進行比較同時對電壓和電流參數進行顯示. 程序采用數據環形緩沖技術，當有中斷服務程序出

10、現時，程序會把讀到的值存放到一個環形緩沖隊列中，主程序不停的查詢環形緩沖隊列中是否有中斷服務程序的出現，若有，則按順序讀程序并處理. 程序起始段定義了電壓采集函數、電流采集函數、顯示函數、定時初始化函數、定時器中斷函數和采集數據存入的數組。主程序流程圖： 2.2定時中斷流程圖 通道1采集恒流值儲存顯示返回Y通道0采集恒壓值儲存顯示1秒定時到？ 圖2.1 單片機程序流程圖 三、測試結果及分析 在恒流模式下，將選擇開關打到恒流模式，設定恒流值后，改變穩壓源的輸出，觀察顯示的電流和電壓值并記錄數據，測試結果見表一；在恒壓模式下，改變穩壓源的輸出，觀察顯示的電流和電壓值并記錄數據，測試數據見表二。恒壓

11、模式下系統基本功能滿足恒壓范圍1.0020.0V的設計要求，恒流模式下滿足電流設置和調節范圍是從100mA到2.00A，并且誤差小于5%，達到題目的要求。3.1 恒電壓模式測試 表3.1 恒電壓測試記錄電流 實際值電壓值1V 4V7V10V13V15V17V20V0.10A0.83.56.59.512.514.516.519.50.50A1.13.76.69.712.814.716.519.61.00A1.34.06.99.912.914.816.919.71.50A1.64.37.210.113.014.917.219.92.00A1.94.57.410.313.315.317.520.1

12、表3.1 恒壓模式下負載電壓設定值隨電源輸出電流的變化3.2 恒電流模式測試表3.2 恒流測試記錄電壓值 實際值（v）電流值0.1A0.4A0.7A1.0A1.3A1.5A1.7A2.0A1V0.100.400.701.011.010.991.00A1.955V0.100.410.691.021.101.301.502.1010V0.130.400.701.031.321.321,.482.0115V0.110.420.721.021.331.521.711.9920V0.100.440.711.051.351.551.732.02 表3.2 恒流模式下負載電流設定值隨電源輸出電壓的變化測試結果分析：由表3.1和3.2可知，電壓的設置和調節范圍在1.00V20.0V之間， 如我們利用表3.1，選取V=10v，可得 相對誤差為：（9.5-9.9)/9.9*100%=4%在題目所要求的范圍內，達到了題目的要求。3.3 測試器件 此次我們進行測試所采用的器件有：直流穩壓電源，數字萬用表，示波器等等。 四、設計總結和心得 設計是基于TI公司的MSP430的單片機控制的電子負載，采用矩陣鍵盤的輸入選擇不同的工作模式，工作參數，能夠直接檢測被測電源的電壓值、電流值，并在液晶顯示屏上顯示出來。在設計中，還通過單片機程序控制功率的