2012年江苏省大学生电子设计竞赛（TI杯）简易直流电子负载（C题）
设计报告
二O一二年八月八日
摘要：本系统设计的直流电子负载，以TI的MSP430F169单片机为主控芯片，包括控制器、矩阵键盘、液晶显示、恒流电路、辅助电源电路、电压电流检测电路。系统以比例—积分调节作为恒流控制核心，电流采样采用TI提供的ADS1115和INA282芯片，辅助电源采用TI提供的TPS54331和LM2576电源芯片。以三极管TIP42C为功率器件，通过控制其基极电流达到控制负载电流的目的。本系统还扩展了简单的恒阻、恒压、动态带载以及描绘U-I特性曲线的功能。本报告着重阐述了系统框架、工作原理、软硬件设计，并给出了系统各项数据测试表。测试结果表明，该系统具有稳定性强、调节速度快的特点，很好地达到了题目要求的性能指标。
关键词：直流电子负载恒流恒阻恒压动态带载 U-I特性曲线
Abstract：The design of the system DC electronic load involves the master chip--TI's MSP430F169 MCU controller, matrix keyboard, LCD, constant current circuit, the auxiliary power supply circuit, voltage and current detection circuit. System to proportional - integral adjustment as a constant current control core, proportional to speed up the adjustment speed, integral system without static error.The current sample provided by TI ADS1115 and INA282 chip. Auxiliary power is provided by TI TPS54331 and the LM2576 power chip. Transistor TIP42C power devices controlled by controlling the base current to achieve the purpose of load current. The system also extends the simple constant resistance, constant voltage and simulate dynamic load. This report focuses on a systems framework, working principle, hardware and software design, and gives the system the data test sheet. The test results show that the system stability, adjust the speed and quickness, a good performance to the subject requirements.
Key words：DC Electronic Load constant current constant resistance constant pressure Dynamic load U-I characteristic curve
一、系统方案
1.1赛题分析
题目要求实现一个恒定电流工作模式的直流电子负载，并且电流值能够任意设定，同时还要求实时检测电压值和电流值，并且达到一定的精度，系统还要求能够实现检测直流稳压电源的负载调整率。设计中利用PI调节使得负载电流恒定，利用MSP430F169控制器实现电流设定和功能切换，以TIP42C三极管为功率器件，通过控制其基极电流来控制负载电流。电压采样采用简易的电阻分压电路，电流采样采用TI提供的高精度、宽共模范围的电流采样芯片INA282，通过单片机检测空载和满载时的两个电压值可以顺利计算出直流稳压电源的负载调整率。
1.2核心技术
系统以PNP型三极管TIP42C为功率器件，用来消耗直流稳压电源提供的功率；以比例—积分调节来调节电路电流，一是使得电路电流恒定、二是使得电路电流跟随给定的变化；以MSP430F169为主控器，来实现电压电流采样、电流值设定以及工作模式选择。
1.3系统结构与功能
键盘与显示
MSP
430
F169
D/A给定PI功率
器件
RW
直流稳压
电源
电流检测电压检测
A/D采样
图1 系统结构示意图
系统以TIP42C为功率器件，以PI调节为恒流控制核心，以MSP430F169为主控制器，可以实现键盘设定、液晶显示、DA给定以及电压电流的采样。
1.3.1恒流模式
当设定一个电流值之后，单片机通过内部计算给出相应的DA值，此时PI 开始起调节作用，最后实现给定端与输入端达到一定，从而实现输出电流跟随给定的变化。（Rw为0欧姆）
1.3.2恒阻模式
在恒流模式基础之上进行简单的扩展之后，可以实现恒阻模式。当设定负载等效的电阻值之后，单片机根据检测到的输入端电压计算出应该给定的电流值，从而实现恒阻模式。（Rw为0欧姆）
1.3.3恒压模式
恒压模式采用比较法，当设定电压值之后，单片机比较设定值与检测值的大小，当实际值比设定值小时，通过减小DA值来减小电路电流，从而减小电阻Rw 上的压降来增加电子负载上的电压，从而实现恒压控制。（Rw不为0）
1.3.4动态带载
系统可以简单地模拟一个动态负载，实现负载电流按照梯形图样变化，动态负载的相关参数可以简单设置，同时单片机还可以通过电流采样芯片将电流波形在12864液晶上画出来。
1.3.5 U-I特性曲线描绘
在测量负载调整率时，系统还可以显示稳压电源输出电压与输出电流的关系。当电流在0到1A变化时，DA每改变一次，测量一次稳压电源输出电压，并将此曲线在12864液晶上实时描绘出来。
1.4实现方法与方案选择
1.4.1主控制器
方案一：使用89C51单片机，由于51单片机编程较简单，通俗易懂，但是要想达到本题要求需要外加DA芯片。
方案二：使用MSP430F169单片机， MSP430 单片机是 16 位的单片机，采用了精简指令集（ RISC ）结构，只有简洁的 27 条指令，功能强，运行的速度快。同时自带DA，因此可以简化外围电路。同时430功耗低，符合时代要求。
综合可虑我们选择方案二。
1.4.2 AD采样电路
方案一：采样MSP430F169单片机自带的12位AD采样功能，根据计算难以达到题目要求的精度。
方案二：采用TI公司提供的16位高精度AD采样芯片ADS1115，此芯片的精度明显高于单片机自带的AD采样功能。
两者相比方案二能够更好地满足题目的要求。
1.4.3恒流主电路
利用TIP42C三极管作为电路的功率器件，电路的功率基本上耗散在功率器件上，恒流理论上可以通过软件实现，也可以通过硬件实现。
方案一：软件实现恒流，单片机实时监测主回路电流，然后与基准值比较，根据比较结果改变DA的给定值。软件实现较灵活，调节时间较长，精度高。
方案二：硬件实现恒流，通过经典的比例—积分调节来实现恒流控制，这样在软件方面可以简化很多，同时PI调节能够迅速调节主回路电流，使得主回路电流跟随给定变化。
方案三：软件与硬件共同实现恒流。PI调节实现电流快速跟定，软件实现微调，使精度更高。
综合考虑响应速度和精度，选择方案三。
1.4.4负载电流采样
方案一：采用康铜丝采样电流，普通运放构成差分放大电路，将康铜丝上的压降进行一定的比例放大送进AD，此方案简单，但康铜丝具有一定的温漂，普通运放的精度较低。
方案二：采用0.01欧姆的精密电流采样电阻，精密电流采样电阻的精度可以达到1%。采用TI公司提供的电流监视芯片INA282，此芯片的共模抑制比为140dB，±1.4%的精度误差。
为了更好地达到题目要求的精度，我们选择方案二。
二、分析计算
2.1 AD的计算
AD采用数字滤波的方法，一方面是多次测量求平均，减小随机误差，另一方面，对数据进行排序后去除最大值与最小值，减小毛刺对测量的影响，两种方法共同作用，使AD测量出的数据更加稳定与准确。
2.2 DA的计算
本题要求DA数据与电流大小实现一一对应的关系，及输入一个电流值即可映射出对应的DA数据。由于误差的存在，DA数据与电流值难以实现完全线性关系，所以程序中采用分段线性拟合的方法，对不同值段的电流分别拟合其映射关系，使DA数据与电流对应的更加准确。对于运用此种方法之后还存在的小误差，我们在程序里加了一个微调，可以实现电流精确设定。
三、电路设计
3.1电路机理 3.1.1主电路原理图
TIP42C 为功率器件，INA282进行电流监视，运放实现电压放大和PI 调节，Q3实现主回路关断。
1
2
3
4
A
B
C
D
4
3
2
1
D
C
B
A
Title
N u mb er
R ev isio n
Size A
D ate:9-A u g -2012 Sh eet o f
File:I:\2012省赛\2012省赛.d db
D raw n B y :
3
2
1
8
4
U 1A
TL 082
-12V +12V R 4
10k
R 5
10k
Q 2S9013
Q 1
TIP42C
G ND
R 10.01R V +
I--IN
1
G ND
2
R EF23O UT
5
V +
6
R EF1
7+IN 8U 2
INA 282I-I+G ND
+5V G ND
IO
5
67
U 1B
TL 082
IO
R 810k R 1310k
C 2
104
IF_A D G ND
R 111M
R 91k
Q 3S9013
R 121k
R 710k
G ND
SH U TD OW N
R 3
100k R 1050
R 610k
R 2
100k
G ND
V _A D
C 1
224
G ND C 3
103
12
J8C ON 2
I+
C 4
104
G ND
C 5
104G ND C 6104
图2 主电路原理图
3.1.2 AD 采样电路
采用TI 提供的ADS1115AD 采样芯片，精度完全达到题目的要求。
1
2
3
4
A
B
C
D
4
32
1
D
C
B
A
Title
N u mb er
R ev isio n
Size A 4D ate:9-A u g -2012 Sh eet o f File:
C :\U sers\b q l\
D eskt op \2012竞赛准备.d db D raw n B y :
A DD R 1
A LER T/R DY 2G ND
3A IN 0
4
A IN 1
5
A IN 2
6
A IN 3
7
V DD 8SD A
9
SC L
10
U 1A DS 1115IDG SR
V DD
G ND
C 21u F L1
10u H
C 3104R 110k
R 210k R 310k V DD
12
J1V DD
G ND
1
234J2
G ND
12345678
J3G ND
C 5103
C 6103
C 7103C 8103
R 41k R 51k R 61k R 71k
G ND
C 1106
图3 AD 采样电路原理图
3.1.3辅助电源
INA282和ADS1115采用LPS54331供电。
1
2
3
4
5
6
A
B
C
D
6
54321Title
N u mb er R ev isio n
Size B
D ate:9-A u g -2012 Sh eet o f File:C :\U sers\bq l\Desk to p\2012竞赛准备.d d b D raw n B y :
EN 3SS 4
C OMP 6G N
D 7V SEN S
E 5
PH 8B OO T 1V IN 2U 1
TP S54331
C 110u F
C 210u F
C 3103
12J112V
G ND
R 1300K
R 2
43K
C 5103G ND
C 4104
D 1
1N 5822
L110u H
C 6102
C 747p F
R 320K
G ND
G ND
R 40R
R 510K
R 6100K
12J25V
G
ND G ND
+C 847u F
+C 947u F
输入欠压为9.97V
R 3*10K
R 7102D 2LE D
G ND
图4 辅助电源
3.2实现功能与指标
3.2.1恒流工作模式的电流设置范围为50mA ～1100mA ，电流值任意设定，设置精度为±1%。具有开路模式设置。
3.2.2在恒流工作模式下，当电子负载两端电压变化14V 时，输出电流变化
的绝对值小于变化前电流值的1％。
3.2.3具有过压保护和自启动功能，过压保护电压为18V ±0.03V 。自启动电
压为15±0.03V
3.2.4能实时测量并数字显示电子负载两端的电压，电压测量精度为±0.02%，分辨力为0.1mV 。
3.2.5能实时测量并数字显示流过电子负载的电流，电流测量精度为±0.2%，分辨力为0.1mA 。
3.2.6具有直流稳压电源负载调整率自动测量功能，测量范围为0.01%～80%，测量精度为±1%。
3.2.7能简单地工作于恒阻模式、恒压、动态带载模式以及简单地描绘U-I 特性曲线。
四、程序设计
4.1软件功能结构
开始
键盘扫描
电流设置
自动测量负载调整率
手动测量负载调整率
发挥
恒阻模式
恒压模式
模拟动态负载
电压表校准
电流表校准
U-I特性曲线
电压检测
电流检测
图5 总体框架图
4.2主要模块实现流程
开始
输入设定的电
流值
换算成对应的D/A值并输出给定电压
微调电流值
结束
开始
测量32次
对32次测量值排
序
去除最大值和最
小值后求平均
返回平均值
结束
开始
测量空载电压U0
测量额定电压Un
负载调整率=（U0-Un）
/U0*100%
结束
图6 电流设定图7 电流测量图8 负载调整率测量
开始
测量实际电流值
实际流值>设定电
流值
DA 减小
延时
DA 增加
t++
N
Y
t<10
结束
N
Y
图9 电流测量微调
开始
输入设定阻值R_SET
While （1）
测量电压计算所需电流值
给定电流
h=0
h<5计算实际阻值
R_read
R_read 增大I 输入“退出” 结束 N Y 减小I h++ N 图10 恒阻模块 开始 输入设定电压U_set While (1) 测量实际电压值U_read U_read 增加电流 减小电流 输入“退出” 结束 Y N N Y 开始 输入设定参数 DA 按给定参数规律变化 每140ms 采样电流并在液晶上实时显示 保持图像 输入“退出” 结束 Y N 图11 恒压模块 图12 模拟动态负载模块 五、测试方案 5.1电流电压校准方法 5.1.1电压校准方法 我们通过改变电源箱的输入电压，测量多组数据来进行电压采样校准，为了使测量能够达到一定的精度，我们使用六位半的数字万用表，将电表实测电压值与AD采样寄存器里面的数字量进行线性拟合，得到一条直线，根据这条直线在单片机里进行一定的运算，从而将实际电压值在电表里显示出来。 5.1.2电流校准方法 系统要校准两组电流值，设定电流和实测电流，实际电流与实测电流。校准实际电流与实测电流，我们运用了与电压校准一样的方法。在校准设定电流与实测电流时，我们将DA给定的数字量与实测电流数据一一记录下来，分析数据之后，发现线性度不是很好，为了达到题目要求达到的精度，我们采取了分段线性化，将整体数据分成十段。为了使精度更高，我们在程序里面进行了一个小的补偿，这样设定电流值和实测电流值之间的误差可以小到0.2mA。 5.2测试仪器直流稳压电源YB1731C5A 示波器TDS210 六位半数字万用表TH1961 四位半数字万用表VC9806+ 三位半数字万用表VC890D 六、测试结果 6.1数据测量与分析 6.1.1结果表明在100mA到1000mA之内可以实现电流任意设定，分辨力为1mA，精度小于±1%。电流测量的分辨力为0.1mA，精度小于±0.2%。 表1：电流设定与测量数据 设定电流mA 实际电流mA 设定精度AD测量电流mA 测量误差测量精度1000 1002.1 0.2100% 1000.6 -1.5 -0.1497% 950 952.6 0.2737% 951.3 -1.3 -0.1365% 900 901.1 0.1222% 900.1 -1.0 -0.1110% 850 851.0 0.1176% 850.4 -0.6 -0.0705% 800 800.1 0.0125% 799.9 -0.2 -0.0250% 750 750.7 0.0933% 750.7 0.0 0.0000% 700 699.8 -0.0286% 700.1 0.3 0.0429% 650 650.4 0.0615% 650.9 0.5 0.0769% 600 599.2 -0.1333% 599.7 0.5 0.0834% 550 550.5 0.0909% 551.3 0.8 0.1453% 500 499.0 -0.2000% 499.7 0.7 0.1403% 450 450.2 0.0444% 451.0 0.8 0.1777% 400 399.5 -0.1250% 400.2 0.7 0.1752% 350 350.2 0.0571% 350.6 0.4 0.1142% 300 300.8 0.2667% 300.7 -0.1 -0.0332% 250 250.5 0.2000% 250.1 -0.4 -0.1597% 200 200.6 0.3000% 201.0 0.4 0.1994% 150 150.1 0.0667% 150.1 0.0 0.0000% 100 100.5 0.5000% 100.9 0.4 0.3980% 6.1.2结果表明，分辨力为0.1mV,测量精度小于±0.02%。 表2：输入电压测定与显示 实际电压V 测量电压V 测量误差测量精度 17.9093 17.9096 0.0003 0.0017% 16.8508 16.8505 -0.0003 -0.0018% 15.9278 15.9279 0.0001 0.0006% 14.8369 14.8370 0.0001 0.0007% 13.7259 13.7265 0.0006 0.0044% 12.7124 12.7130 0.0006 0.0047% 11.6121 11.6135 0.0014 0.0121% 10.6390 10.6406 0.0016 0.0150% 9.2162 9.2152 -0.0010 -0.0109% 8.3448 8.3438 -0.0010 -0.0120% 7.1537 7.1530 -0.0007 -0.0098% 6.1392 6.1388 -0.0004 -0.0065% 5.0936 5.0929 -0.0007 -0.0137% 4.0078 4.0075 -0.0003 -0.0075% 6.1.3结果完全满足题目要求 表3：过压保护与自启动测量 过压保护设定值过压保护实际值自启动设定值自启动实际值18V 17.97V 15 15.03V 6.1.4结果表明电压在5到17V之间变化时，输出电流变化小于变化前的1% 表4:电流稳定效果测量 恒定电流值mA 电源电压输出电流变化值mA 输出电流变化百分比1000 5V~17V 1.4 0.1400% 900 5V~17V 2.0 0.2222% 800 5V~17V 2.0 0.2500% 700 5V~17V 2.0 0.2857% 600 5V~17V 1.8 0.3000% 500 5V~17V 1.6 0.3200% 400 5V~17V 1.2 0.3000% 300 5V~17V 0.6 0.2000% 200 5V~17V 1.1 0.5500% 100 5V~17V 1.4 1.4000% 6.1.5结果表明，负载调整率测量范围很大，测量精度满足题目要求 表5:负载调整率测量 空载电压串联 电阻 额定电压额定电流 实际调整率 （%） 测量调整率 （%） 测量精度 9.3630 0 7.8652 1000 16.00 15.77 1.42% 9.3459 1 6.8440 1000 26.77 26.64 0.4857% 9.3315 2 5.7820 1000 38.04 38.01 0.0732% 9.3340 5 2.7672 1000 70.35 70.48 -0.1797% 9.3459 8 1.7337 1000 81.45 81.44 0.0118% 9.3422 10 1.5640 1000 83.26 83.23 0.0345% 6.2误差分析 测试过程中，我们利用六位半的高精度万用表来进行数据校准，利用最小二 乘法将数据模拟成一条直线，再利用单片机进行微调，实际测量结果均能满足题 目要求。由于电表本身的参数不同，换用不同的电表将使得测量误差变大，为了 减小误差，系统还有电表校准功能。 6.3性价比与功能分析 本系统以常用的三极管为功率器件，以TI提供的电流监测和AD采样芯片来进行电压和电流采样，以平时常用的MSP430F169为主控制器，功耗低，以常用的12864液晶来进行相关数据的显示，以TI提供的电源芯片来提供辅助电源。总体来讲，本系统的主要器件均为TI提供和平时常用器件，节约成本，同时系统功耗很低。 七、总结与展望 7.1完成程度 按照本题设计好的方案，所有指标均能达到题目的要求，同时还扩展了恒阻、 恒压、模拟动态带载以及U-的功能。 7.2存在问题 由于本题对精度的要求较高，在校准时我们用了六位半的数字万用表，但考 虑到不同电表的精度和误差不同，为了防止比赛测试时电表带来的系统误差，我 们在程序上做了一个小小的调整，可以对电表值进行一定的校准。 7.3设想与展望 电子负载是一个模拟的负载，可以用来检测直流稳压电源的的性能和相关参 数，还可以模拟各种动态负载。本题要求实现恒流模式，经小组努力，我们简单地实现了恒阻、恒压模式、动态带载模式，同时还可以简单地描绘U-I特性曲线。如果时间允许，可以将其他三个模式做到和恒流模式一样精准，使得误差大大地减小，精度大大地提高。 结束语 经过四天三夜的辛勤努力，我们实现了题目的要求。某些性能的参数已经超过了题目的要求，同时还扩展了许多功能。但由于时间紧，工作量大，系统还存在许多可以改进的地方，比如电路布局和抗干扰方面还有很大的提升空间。相信经过改进，性能还会有进一步的提升。本次竞赛极大的锻炼了我们，虽然遇到了很多困难和阻碍，但总体上成功与挫折交替，困难与希望并存，我们将继续努力争取更大的进步。 参考文献： [1]华成英，童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.5 [2]谭浩强.C程序设计[M].北京：清华大学出版社，2005 [3]洪利，章扬，李世宝.MSP430单片机原理与应用实例详解[M].北京：北京航空航天大学出版社 简易直流电子负载设计与总结报告 湖北仙桃职业学院：杨青林胡炎何方 指导教师：刘祖云刘明江 简易直流电子负载的设计与总结报告 摘要 本系统设计的是直流电子负载，以TI公司16位的单片机MSP430为控制核心，由按键模块，D/A转换模块，恒流源模块、以及液晶显示模块等主要外围电路构成。通过对DA的控制，达到对恒流值在一定范围内的控制，流过该电子负载的电流恒定，且电流值可设定。之后通过内部AD的采集模块将实际端电压、端电流值送到单片机控制模块，能够检测被测电源的电流值、电压值；各个参数通过显示模块加以显示。本设计着重阐述了系统框架、工作原理、软硬件设计，并给出了系统测试表。测试结果表明，该系统具有稳定性强、调节速度快的特点，很好的满足了提出的性能指标。 关键词：恒流源、TM12864Z-1液晶、D/A、采样电路（电压采样、电流采样）、键盘、被测电源。 一.系统结构原理图 本系统由以下部分组成：电源电路、单片机、功率控制电路、电压、电流采样电路、D/A输出、键盘输入、液晶显示电路。系统总体结构框图如图1所示： 二.方案比较与论证 1. 主控芯片 方案一：选用ATMEL公司的AT89C51作为该系统的微控制器。51单片机软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，单片机为8位机，价格便宜，成本低，控制简单。但51单片机功耗较高、运行速度慢、储存空间小内存只有8Kb，片内资源少，存储容量小，难以存储大容量的程序和实现快速精准的反应、控制、计算。使用AT89C51需外接两路AD转换电路，实现较为复杂。 方案二：选用TI公司MSP430单片机作为该系统的微控制器。MSP430单片机是16位的单片机，数据处理速度快，耗能低，保密性能好，内存空间大，抗干扰性好，内部集成资源丰富，存储容量大，低电源电压（1.8V—3.6V），支持多个中断源，可任意嵌套，时钟系统灵活，具有A/D转换等电路。 考虑到本系统对单片机性能要求较高，本设计采用了方案二，选用MSP430单片机作为直流电子负载微控制器。 直流电子负载设计报告 （侯进高业林伍贯礼）指导老师周晓波王森 摘要：本文论述了直流电子负载的设计思路和过程。本电子负载采用AT89S51 单片机作为系统的控制芯片，可实现以下功能：电子负载有恒流和恒压两种模式，可手动切换。恒流方式时不论输入电压如何变化（在一定范围内），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，流入电子负载的电流随被测直流电源的电压变化而变化。AD模块接受电路电压和电流模拟信号，转化为数字信号，经液晶模块同步显示电压和电流。包括控制电路(MCU)、驱动隔离电路(PWM波)、主电路、采样电路、显示电路、基准电路等；能够检测被测电源的电流值、电压值；各个参数都能直观的在数码管上显示。 关键词：电子负载；单片机（MCU）；模数（A/D）.PWM. 一，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。如电炉子将电能转化为热能；电灯将电能转化为光能；蓄电池将电能转化为化学能；电机将电能转化为动能。这些都是负载的真实表现形式。负载的种类繁多，但根据其在电路中表现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。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（Power MOS）、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。二，总体方案论证与设计 电子负载用于测试直流稳压电源、蓄电池等电源的性能。设计和制作一台电子负载，有恒流和和恒压两种模式，可手动切换。恒流方式时不论输入电压如何变化（在一定范围内），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，流入电子负载的电流随被测直流电源的电压变化而变化。外接12V稳压电路。 要求： （1）负载工作模式：恒压（CV）、恒流（CC)两种模式可选择。 （2）电压设置及读出范围：1.00V~20.0V。 （3）电流设置及读出范围：100mA~3.00A。 （4）显示分辨能力及误差：至少具有3位数，相对误差小于5%。 简易直流电子负载设计报告 摘要：本文论述了简易直流电子负载的设计思路和过程。直流电子负载采用MSP430G2553单片机作为系统的控制芯片，可实现以下功能：在恒流（CC）模式下，不管电子负载两端电压是否变化，流过电子负载的电流为一个设定的恒定值。AD模块接收电路电压和电流模拟信号，转化为数字信号，经液晶模块12864同步显示电压和电流。系统包括控制电路(MCU)、驱动隔离电路(PWM波)、主电路、采样电路、显示电路、基准电路等；具有过压保护功能;能够检测被测电源的电流值、电压值；具有直流稳压电源负载调整率自动测量功能；各个参数都能直观的在液晶模块上显示。 关键词：电子负载；单片机（MCU）；模数（A/D）.PWM波. 一、引言 电子负载用于测试直流稳压电源的调整率，电池放电特性等场合,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（Power MOS）、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。 二，总体方案论证与设计 设计和制作一台电子负载，在恒流（CC）模式下，不管电子负载两端电压是否变化，流过电子负载的电流为一个设定的恒定值。 要求： （1）负载工作模式：恒流（CC)模式； （2）电压设置范围：0～10V； （3）电流设置范围：100mA～1000mA，设置分辨率为10mA，设置精度为±1%； （4）直流稳压电源负载调整率：测量范围为0.1%～19.9%，测量精度为±1%。 （5）显示分辨能力及误差：至少具有3位数，相对误差小于5%。 恒流模块和恒压模块共用一个基准电压12v，并且通过开关实现两种模式的转换，用A/D转换器把电路中的电压电流的模拟信号转换为数字信号，然后通过单片机来程控从而重置电压电流，用数码管液晶显示同时呈现即时电压电流。原理图如下所示。 2013全国 大学生电子设计竞赛 直流电子负载系统(高职高专组F) 摘要 本设计以STC89C52单片机为核心控制系统，采用了DA输出控制电路、AD电压电流检测电路、显示电路、键盘电路。通过运放、负反馈控制环路来控制MOSFET的栅极电压使其内阻变化，从而实现恒流工作模式。MOS管既作为电流的控制器件同时也作为被测电源的负载，控制部分采用STC89C52单片机来完成，设定值通过键盘输入送往单片机，再通过DA输出电路产生基准电压送往PI控制器与实际电压相比较，用A/D转换器把电路中的电压电流的模拟信号转换为数字信号，通过单片机来控制转化，然后用液晶显示显示出即时的电压电流。关键词：电子负载；单片机；恒流模式；A/D转换；D/A转换 Abstract: This design with the core of STC89C52 MCU , using Da output control circuit, ad voltage and current detection circuit, display, keyboard, https://www.doczj.com/doc/3a28758.html,ing negative feedback control loop amplifier, to control grid voltage of the MOS to its internal resistance change, resulting in constant current mode of operation.MOS both as a current control devices at the same time as the measured power load control part using stc89c52 single - chip computer to complete the set value input from the keyboard to the SCM, and then by DA output circuit voltage sent to the PI controller with the actual voltage compared.In A / D converter circuit for voltage and current analog signals into digital signals by single - chip Microcomputer to control the conversion, and then use the LCD display shows the instantaneous voltage and current. Key word :electronic load ; MCU; constant current mode ; Ad conversion ; DA conversion 直流电子负载设计基础 电子负载基本工作原理： 1.恒压模式 2.恒流模式 3.恒阻模式 4.恒功率模式 恒流 图中R1为限流电阻，R1上的电压被限制约0.7V，所以改变R1的阻值就可以改变恒流值，在上图中 我们知道，在串联电路中，各点电流相同，电路要恒流工作，只要在串联回路里控制流过一个元 件的电流就可以达到我们所控制的恒流输出。 上图是一个简易的恒流电路，通常用在一些功率较小及要求不高的场合里应用，那么在一些应用 中这种电路就无能为力了，如：在输入电压为1V输入电流为30A，那么对于这样的要求这样的电 根本无法保证工作。这样的电路调节输出电流也不是很方便。 这个图是一个最常用的恒流电路，这样的电路更容易获得稳定及精确的电流值，R3为取样电阻,VREF是给定信 号，电路工作原理是：当给定一个信号时VREF，如果R3上的电压小于VREF，也就是OP07的-IN小于+IN，OP07加输出大，使MOS加大导通使R3的电流加大。如果R3上的电压大于VREF时，-IN大于+IN，OP07减小输出，也就降了R3上的电流，这样电路最终维持在恒定的给值上，也就实现了恒流工作。 如给定VREF为10mV，R3为0.01欧时电路恒流为1A，改变VREF可改变恒流值，VREF可用电位器调节输入或用DAC 芯片由MCU控制输入，采用电位器可手动调节输出电流。如采用DAC输入可实现数控恒流电子负载。 电路仿真验证 在上图中我们给定了Vin为4V-12V变化的电压信号，VREF给定50mV 的电压信号，在仿真结果中输入电流一真保持在5A，电路实现了恒流 作用。 恒压电路 一个简易的恒压电路，用一个稳压二极管就可以了。 这是一个很简易的图，输入电压被限制在10V，恒压电路在用于测试充 电器时是很有用的， 我们可以慢慢调节电压测试充电器的各种反应。图是10V是不可调的，请看下图可调直流 恒压电子负载电路： 2012年江苏省大学生电子设计竞赛（TI杯）简易直流电子负载（C题） 设计报告 二O一二年八月八日 摘要：本系统设计的直流电子负载，以TI的MSP430F169单片机为主控芯片，包括控制器、矩阵键盘、液晶显示、恒流电路、辅助电源电路、电压电流检测电路。系统以比例—积分调节作为恒流控制核心，电流采样采用TI提供的ADS1115和INA282芯片，辅助电源采用TI提供的TPS54331和LM2576电源芯片。以三极管TIP42C为功率器件，通过控制其基极电流达到控制负载电流的目的。本系统还扩展了简单的恒阻、恒压、动态带载以及描绘U-I特性曲线的功能。本报告着重阐述了系统框架、工作原理、软硬件设计，并给出了系统各项数据测试表。测试结果表明，该系统具有稳定性强、调节速度快的特点，很好地达到了题目要求的性能指标。 关键词：直流电子负载恒流恒阻恒压动态带载 U-I特性曲线 Abstract：The design of the system DC electronic load involves the master chip--TI's MSP430F169 MCU controller, matrix keyboard, LCD, constant current circuit, the auxiliary power supply circuit, voltage and current detection circuit. System to proportional - integral adjustment as a constant current control core, proportional to speed up the adjustment speed, integral system without static error.The current sample provided by TI ADS1115 and INA282 chip. Auxiliary power is provided by TI TPS54331 and the LM2576 power chip. Transistor TIP42C power devices controlled by controlling the base current to achieve the purpose of load current. The system also extends the simple constant resistance, constant voltage and simulate dynamic load. This report focuses on a systems framework, working principle, hardware and software design, and gives the system the data test sheet. The test results show that the system stability, adjust the speed and quickness, a good performance to the subject requirements. Key words：DC Electronic Load constant current constant resistance constant pressure Dynamic load U-I characteristic curve Product Guide AC ＆DC Power System Power for the better life 上海汉升电源系统有限公司 地址：上海市闵行区召楼路号3286销售热线：(021)34902073 (021)34902079传真：(021)34902073-816 (021)34902079-816网址：..www handsunpower com S H A N G H A I H A N D S U N P O W E R S Y S T E M C o.,L T D 邮编：201112 公司总机：(021)55091913 24小时服务热线：400-688-0619 企业概况 Company p r o f i l e 3286号。 0102 D C E L 系列直流电子负载是专门为直流电源老化、测试及储能蓄电池性能测试开发的电子负载。电子负载能量逆变馈网， 实现能量回收， 节能环保！ 广泛应用于直流电源、电池、电力电子设备检测等用途。 直流电子负载 电子负载吸收能量逆变馈网回收，节能环保，噪声低宽电压输入范围操作模式 恒定模式：恒流、恒阻、恒压、恒功率负载 瞬变模式：恒流、恒阻、恒压、恒功率瞬变负载，循环高精准度电流、电阻、功率、电压设定与测量快速电流切换仿真动态电流功能通道独立保护功能 放电绿色回馈能量，电流谐波<3%(额定)，对电网基本无谐波污染 配备功能齐全的上位机软件，用户自定义测试流程报表数据分析功能 产品特点： 上位机软件功能列表 注：如有特殊要求或定制其他规格请致电咨询；如规格尺寸更改，恕不另行通知。 广泛应用于直流电源老化、测试、性能检测 电力电子设备测试 DC-DC 、AC-DC 电源转换器测试 电池模块组放电、检测等 科研机构、实验室、高校等机构 应用领域： 直流电子负载设计制作（F题） 青岛大学庄翠竹刘丙坤郑龙 专家点评:本系统设计的直流电子负载采用MSP430F2616 作为系统的主控芯片，实现了恒压、恒流和恒阻三种工作模式，并且可以在三者之间通过键盘进行程序模式切换。思路严谨，创意新颖，测试结果可信。论文撰写格式尚待规范。 中国海洋大学信息学院程凯副教授 摘要 本电子负载采用 MSP430F2616 单片机作为系统的控制芯片，可实现以下功能：有恒压、恒流和恒阻三种模式，并且可以在三者之间通过键盘输入程控切换。通过按键及DA转换设置电压、电流、电阻的基准；模拟电路部分主要采用比较器控制负载回路上的主控NMOS管栅压，从而控制其导通情况即回路等效阻抗；AD对输出电压、电流采样并通过液晶显示；最后增加了过载保护、短路保护和过热保护。在实现基础功能的基础上，CV范围扩大为0-35V，CC扩大为0-4A，CR范围为1-99Ω，并且增加了通过无线模块实现的手持显示器。 关键词：直流电子负载无线 MSP430F2616 一、方案论证与设计 系统框图： 电流检测 电压检测 AD 采样 MCU 显示 键盘 DA 输出 无线控制 控制电路 图1 直流电子负载系统实现框图 该系统实现框图如上图1所示，包括主控器、键盘、显示电路、MOSFET 功率电路和信号处理电路五个部分，信号处理模块包括信号调整电路和信号调理电路。图1中的待测电源是直流电子负载的待测电源，不属于直流电子负载的系统组成。 1.主控器模块的设计方案与选择 主控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。 方案一：采用ATMEL 公司的AT89C51。51单片机价格便宜，应用广泛，使用AT89C51需外接两路AD 转换电路，实现较为复杂。 方案二：采用TI 单片机MSP430F2616。MSP430F2616比普通51单片机快8～12倍，尤其是其单片机内部有12位ADC 和12位DAC,可以省去外接两路A/D 转换电路，并且有丰富的 I/O 口，大大提高了系统的整体性能和集成度。 选择方案二以TI 单片机MSP430F2616位控制核心，组成单片最小系统。 2. 恒流工作模式的设计方案与选择 方案一：完全采用数字反馈控制的恒流源方案 这种电路是完全通过数字反馈实时调整由于负载变化带来的电流变化，并不以基本的恒流电路为基础。原理图如图2所示。 取样电阻R 串入负载回路，放大取样电阻两端的电压，通过A/D 转换可以得到负载回路的电流值，控制器采用一定的控制算法调节D/A 输出的电压值，放大后直接作为负载的电源使用。 这种方案在控制原理上较简单，原则上可以用在任意控制要求中。但是缺点是电路本身不具备恒流特性，负载变化引起的电流变化完全依赖数字反馈来调整。受控制器运算速度、模数/数模转换精度和速度影响，抗负载波动能力差。所以不采用图2所示全 2020年简易电子直流负载精编版 简易直流电子负载（C题） 摘要：本系统设计的是恒流（CC）工作模式的简易直流电子负载，是以单片机STC89C52为主控芯片，包括控制器、独立按键、显示电路、MOSFET功率电路、恒流电路、电压电流检测电路和保护电路。由单片机输出给定的电流值，并经过运算处理控制D/A输出，控制MOSEFT漏极电流，从而使直流电子负载的电流处于设定值。设计着重阐述了系统框架、工作原理、软硬件设计，并给出了系统测试表。测试结果表明，该系统具有稳定性强、调节速度快的特点，很好的满足了提出的性能指标。 关键词：电子负载；恒流；功率电路；信号处理 1.系统方案论证 1.1各种方案比较与选择 1.1.1主控器模块的设计方案与选择 方案一：采用纯硬件控制电路，虽然避免了软件的设置，但电路难度增加，且成本也高，也不利于实时调整电路。 方案二：采用单片机STC89C52。STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。且指令代码完全兼容传统8051。 综合考虑选择方案二以宏晶单片机STC89C52为核心，组成单片最小系统。 1.1.2 显示模块的设计方案与选择 方案一：采用数码管显示。数码管成本较低，对环境要求低，编程也容易。但所显示的信息量有限，一般信息量越大，占的I/O口也越多。 方案二：采用1602液晶显示。采用液晶显示，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强。功耗也低，显示的信息量也多。 根据题目要求，需要显示电压、电流等多种信息，数码管已不能满足要求故选择方案二，本系统采用的点阵式LCD型号为1602。 1.1.3 MOSFET功率电路的设计方案与选择 简易直流电子负载 制作小组：程建 刘满 文超炜 指导老师：张志俊 田微 摘要 本设计是由运算放大器OP07作为电压放大器，MOS管IRF540作为恒流负载，78XX系列稳压芯片提供电源，；STM32作为主控制器检测电流电压，实现电子负载过压保护并能自动测量负载调整率；12864作为显示器实时显示电子负载电压、电流、电流精度和过压阈值。本系统能保持稳定的电流特性，高精度的电流、电压测量和显示，具有过压保护功能和友好的人机界面。 关键词：OP07 IRF540 STM32 12864 一、系统方案 电子负载用于测试直流电源、蓄电池等电源的性能，其工作方式有横流、恒压和横阻三种模式，因为本题的要求，故将电子负载作为横流模式，其主电路包括开环电压放大器、横流负载和测量显示。 1.1主电压放大器的选择 方案一：OP07 OP07是双电源供电的高精度低噪声运算放大器，当其工作于开环线性放大区时，其正负输入端的电压值及其接近，经实测为0.001V的差值，因而可以提高电流精度，其性价比高。 方案二：OPA2227 OPA2227为TI公司的高精度仪放，但在实际测量中，其开环放大区的正负输入端电压差值大，不利于对输出电流精度的控制，其价格相对较贵。 综上，选用方案一。 1.2横流负载的选择 方案一：IRF540 IRF540为N沟道MOS管，通过控制V DS和V GS的关系使其工作于恒流区，其参数值为V DSS=100V，I D=23A,R DS(ON)≤77mΩ。对于本题电压阈值18±0.2V，最大电流1A来说足够。 方案二：IRF630 IRF630同为N沟道MOS管，其参数值为V DSS=200V，I D=9A,R DS(ON)≤400mΩ，对于本题来说也足够，但其能通过的最大开关电流小于IRF540,而导通内阻又远大于IRF540，故其在通过持续电流的最大值比IRF540小，导通损耗比IRF540大，对于散热的要求高。 综上，选用方案一。 1.3主控制器的选择 方案一：STM32 简易直流电子负载（C题） 【本科组】 摘要 本系统以STM32F103VET6为控制核心，采用D/A TLV5616控制运放LM358驱动N沟道增强型P-MOSFET CSD17505Q5A，通过负反馈实现直流电子负载的恒流工作模式。同时采用电流并联检测芯片INA282将电流反馈至MCU，通过A/D 采样检测实际电流与D/A设定电流的差值，利用PID控制实现无净差控制，提高了电流控制的精度。其中PID参数通过遗传算法进行自整定，预设了一组较优PID参数，在实际高精度测量中，也可以通过重新整定更新PID参数。系统工作电压范围0.2-18V，电压分辨率为0.5mV，精度恒为±0.25mV，工作电流范围0-1000mA，分辨率0.2mA，精度恒为±0.1mA，在满足设计要求的情况下具备了很高的恒流精度。另外，通过对继电器的控制，实现了过压保护与自恢复功能，还具备声光报警等实用功能。 在大功率的应用需求中，本系统可以通过多个P-MOSFET并联扩流很方便的实现。同时在不改变电路的情况下，通过软件更新还可实现直流电子负载的恒阻和恒功率方式运行。 关键词：直流电子负载；恒流模式；高精度高分辨率；PID参数自整定 一、系统方案 本系统主要由MCU控制模块、恒流模块、电压采样模块、电流采样模块、A/D D/A 转换模块、电源模块组成，下面分别就这几个模块进行方案论证及选择。 1.1电子负载及恒流方案的论证与选择 本题要求制作一台恒流（CC）工作模式的简易直流电子负载。即在电压输入低于18V的情况下，实现100mA~1000mA的恒流工作控制。 方案一：传统电子负载。运用传统的电子负载设计方式，利用电力电子器件的特性，通过分析等值电路，用电力电子元件搭建电子电路来模拟负载，可以实现定电流特性。但传统方案调节不够方便、精确。 方案二：PWM控制型电子负载。单片机输出一定占空比的PWM控制信号，控制功率电路MOS管的导通和关断时间，让功率消耗在串接的电阻上，来获得实际所需的工作电流、电压。电路中的检测电路为电压、电流负反馈回路，通过A/D采集到单片机，与预置值进行比较，作为单片机进一步调节PWM占空比的依据。此方案开关管工作在开关状态，损耗小，发热低，但电路纹波较大，不利于实现恒流负载的精确控制。 图1 PWM控制型电子负载 方案三：能量回馈型电子负载。待测电源通过DC/DC升压电路变换为高压直流电，再通过逆变变为交流回馈到电网。此方案能实现电能的再生利用，多用在大功率的直流电子负载上。在小功率、低电压直流电子负载中应用此方案，DC/DC部分要完成将低压电能变为可供逆变器输入的高压，输入端的低压大电流、输出端的高压低电流导致设计难度变大，且采用逆变方案节省的能量也很有限，性价比很低。 9.2 简易直流电子负载 电子负载仪是电源制作和电池性能测试必不可少的一种仪器。它是由电子器件组成的模拟负载，用来检测各类电源带负荷特性和化学电源输出性能的仪器。在恒电流测试时加以同步计时，就可精确测出电池容量值。 9.2.1 功能要求 设计和制作一台恒流（CC）工作模式的简易直流电子负载。 技术要求： 电流设置范围为100mA～1000mA ，设置分辨率为10mA，设置精度为±1%。 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%。 具有过压保护功能，过压阈值电压为18V±0.2V。 能实时测量并数字显示电子负载两端的电压，电压测量精度为±（0.02%+0.02%FS ），分辨力为1mV。 能实时测量并数字显示流过电子负载的电流，电流测量精度为±（0.1%+0.1%FS），分辨力为1mA。 具有直流稳压电源负载调整率自动测量功能，测量范围为0.1%～19.9%，测量精度为±1%。为方便，本题要求被测直流稳压电源的输出电压在 10V以内。 9.2.2总体方案论证 系统的关键在设计恒流源电路和高精度A/D转换电路。 1.恒流源电路方案 【方案一】恒流源可以通过一个经典的数控稳压源来实现。在输出回路串联一个电流取样电阻，通过实测电流与给定电流的比较，运用恰当的控制算法，调整输出电压使实测与给定两个电流相等，就可以达到恒流的目的。此种方案最大的问题是：不论是输入电源电压变化，还是负载变化，都要经过一段时间才能使电流稳定。 【方案二】最好的方案是一个硬件的闭环稳流电路，稳流的过程几乎不需要时间。图9.2.1就是一个典型电路。根据集成运放虚短的概念可得： I L ≈ V i / R R为电流取样电阻，由于R固定，因此I L完全由V i决定，只要V i不变，则I L不变，这就是恒流原理。对某一特定的V i下的I L，无论是V CC或是R L变化，利用负反馈的自动调节作用，都能维持I L的稳定。 全国大学生电子设计竞赛 2018年TI杯模拟电子系统设计邀请赛 简易直流电子负载（C题） 1．任务 设计并制作直流电子负载，其结构如图1所示。被测电源为输出电压可调的直流稳压电源，额定电压不小于30V，额定电流不小于2A。测控电路采用一路+5V电源供电。负载模拟电路工作在恒流模式，可设定直流电子负载电流I I，。 图1 直流电子负载结构示意图 2.要求 （1） II在100~1000mA范围内可步进调整，步进值为100mA。（10分） （2）使II保持设定值，电流控制精度优于1%。（20分） （3）当UI从15V增加至20V时，要求II的变化率不大于1%。（20分） （4）能够测量并显示II，测量精度优于0.2%+2个字。（20分） （5）能够测量并显示UI，测量精度优于0.2%+2个字。（20分） （6）具有过压保护功能，动作电压UI（th）=（24±0.2）V。（5分） （7）其他。（5分） （8）设计报告（10分） 项目 主要内容 满分 系统方案 方案描述，电路图，软件流程图 3 理论分析与计算 负载模拟电路参数计算 测控电路参数计算 4 测试结果 测试结果，测试结果分析 3 总分 10 3．说明 （1） 要求负载模拟电路功率器件工作在线性状态，II 为连续电流。 （2） 要求（2）中电流控制的相对误差 式中II 为实测电流、II0为设定值。 （3） 要求（3）中电流变化率Su=(I20-I15)/ I15，式中I15为UI=15V 时的实测电流、I20为UI=20V 的实测电流。 （4） 装置应能连续安全工作足够长时间，测试期间不能出现过热等故障。 （5） 制作时应合理设置测试点和接线端子（参考图1），以方便测试。 TI杯大学生电子设计竞赛题目：简易电子直流负载 年级： 学校： 组长： 组员： 组员： 2012年8月7日 简易直流电子负载 摘要：本系统以MSP430单片机系统为平台，设计和制作一台恒流工作模式的简易直流电子负载。采用了具有高共模抑制比电流分流监控器INA282实现对采样电阻两端电压的提取，同时由单片机输出指令电压，通过反馈回路输出电压控制三功率极管的电流，使电路自动调节，进而实现要求的高精度恒流负载制作；采用高精度A/D采样，同时加入过压检测保护，以及休眠模式，最终达到题目的指标要求。 关键词：MSP430 电流分流监控器高精度恒流源 一、 方案论证与比较 根据系统设计要求分析，本系统主要包括电流监控模块，恒流控制反馈环模块，AD 采样及显示模块，方案论证主要围绕恒流源电路模块展开。 1.1 恒流源 方案一：通过单片机产生PWM 控制3525产生不同幅度的电压进而控制MOS 管导通与关断，从而产生恒流源。 方案二：通过单片机控制三极管的基极电压大小，进而控制其I C ，从而实现恒流源的制作。 方案一中，3525可能存在输出偏差，且MOS 管线性区比较窄，使MOS 管无法在题目要求的范围内产生稳定的恒流源，对于三极管来说，其线性区比较宽，可以用单片机控制外加反馈回路，从而产生恒流源，因此选择方案二。 1.2 电流监视模块 方案一：采用微功耗仪表放大器INA122,对采样电阻两端电压进行提取，该放大器可通过调节外接电阻控制输出电压增益，增益可由5调节至10k 。 方案二：使用高精度电流分流监控器INA282，当两个参考端都接地时，可实现稳定50倍电压增益。 方案一中仪表放大器存在共模输入电压必须远小于电源电压的问题，致使输入电压不能过大，不能够满足本题要求，相比于方案一，方案二可输入电源轨电压，且精度更高，因此选用方案二。 1.3 反馈环路 方案一：将采样电压及基准电压同时输入运放LM358，通过PI 环反馈回路调节输出电压，从而实现对电流的调节。 方案二：通过比较器LM393对单片机输出的基准电压及采样电阻的两端电压 图1 方案一框图 图2 方案二框图 简易直流电子负载设计报告 一，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。如电炉子将电能转化为热能；电灯将电能转化为光能；蓄电池将电能转化为化学能；电机将电能转化为动能。这些都是负载的真实表现形式。负载的种类繁多，但根据其在电路中表现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。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（Power MOS）、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。二，总体方案论证与设计 电子负载用于测试直流稳压电源、蓄电池等电源的性能。设计和制作一台电子负载，有恒流和和恒压两种模式，可手动切换。恒流方式时不论输入电压如何变化（在一定范围内），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，流入电子负载的电流随被测直流电源的电压变化而变化。外接12V稳压电路。 要求： （1）负载工作模式：恒压（CV）、恒流（CC)两种模式可选择。 （2）电压设置及读出范围：1.00V~20.0V。 （3）电流设置及读出范围：100mA~3.00A。 （4）显示分辨能力及误差：至少具有3位数，相对误差小于5%。 恒流模块和恒压模块共用一个基准电压12v，并且通过开关实现两种模式的转换，用 A/D转换器把电路中的电压电流的模拟信号转换为数字信号，然后通过单片机来程控从而重置电压电流，用数码管液晶显示同时呈现即时电压电流。原理图如下所示。 摘要 本系统主要以89S52单片机为控制核心。恒流方式时不论输入电压如何变化（在一定范围内），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。工作于恒压模式时，电流随电压变化，并且其比值为一固定不变的常数，且可设定.ADC0832采集数据，在数码管上显示数据，并可手动切换恒流恒压横阻工作模式。 。 一、系统方案 1、方案比较与选择 （1）恒压模式设计 方案一：使用开关稳压电源方式。这种方式效率较高，应用也比较普遍。但在实际测试的过程中，发现纹波较大，不易控制。故不采用此方案。 方案二：采用晶闸管，通过控制电路改变晶闸管导通角以实现恒压工作方式，性能稳定。但价格较高，不宜使用。 方案三：采用LM324组成比较器，三极管上的电压经过R1与R2的分压送入运放正向输入端与给定值比较。 （2）恒流模式设计 方案一：采用电流互感器对电流回路上器件的磁场进行反馈，构成恒流模块。然而该电路的实现形式比较复杂，考虑到竞赛的时间限制，不采用此方案。 方案二：采用恒流二极管构成恒流模块，简单易行。但恒流二极管的恒流特性并不是非常好且电流规格比较少，价格又比较昂贵。故此方案也不可行。 方案三：选用运放LM358，将反相端输入端与输出端采用负反馈电路，在反馈电路中加入可调电阻，使得取样电阻上的电流可以微调，实现输出电流与理论值相同，大大提高了输出电流的精度，又由于运放的同相输入端的信号来自与数模转换模块的运放输出，稳定度很高。所以采用方案三。原理图如图所示，图中输出端取样电阻为0.5欧大功率电阻； （3）恒阻模式设计 方案一：可以在恒流电路的基础上通过MCU检测到的输入电压来计算电流，达到恒阻的目的。但这种方法响应较慢，只适用于输入变化较慢，且要求不高的时候，所以不予采用。 方案二：搭建硬件电路实现。通过可调电阻分压，并使用运放构成反馈，经过三极管调整电路达到恒阻效果。选用方案二。 （4）负载参数调节设计 方案一：人工预置。使用电位器设置负载参数。电位器调节较为麻烦，且数值不宜掌控，偏差较大。不予选用。 方案二：数字程控设置。运用单片机采集I/U数据，简洁清晰，精度较高。故选用方案二。 2、总体方案描述 （1）系统工作流程框图 “简易直流电子负载”设计报告 摘要：本系统设计制作了一台恒流工作模式的简易直流电子负载。通过按键、LCD显示，AD/DA模块、恒流电路及功率器件搭建电路。运用MSP430G2553单片机精确控制恒流电流值，可以满足基本要求（1）、（2）、（3）；自制了一个符合发挥部分（1）的稳压电源，通过测量达到了发挥部分（2）的要求，通过改变负载电阻Rw达到发挥部分（3）的要求。本系统能够把负载两端电压、流过负载电流和负载调整率直观的在LCD上显示，具有便携（电池供电），精确等特点。 关键字：恒流功率器件AD/DA MSP430G2553 负载调整率 一、模块设计方案 1.1 单片机系统 方案一、使用AT89C51单片机系统，At89C51是一个低功耗的CMOS8位单片机，片内含有4K bytes存储器和128bytes的随机数据存储器，片内集成通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元。 方案二、使用MSP430g2553单片机系统，其可在1.8~3.6V的低电压范围内工作，具有超低功耗的特点；有5种节能方式和基本时钟模块配置；内置16位定时器，多达20个支持触摸感测的I/O引脚和欠压检测器，MSP430g2553功耗低。 综合考虑，方案二中单片机系统，性价比高，运行速度高；所以采用方案二。 1.2DA模块 方案一、使用DAC0832，最常用的器件，易于使用，硬件接口简单，编程容易，缺点精度只有8位，达不到设计要求。 方案二、TI公司生产的TLV5616。这是一个12位的数模转换器。带有灵活的4线串行接口，可以无缝连接TMS320，SPI，QSPI和Mircrowire串行口。数字和模拟电源分别供电，电压范围2.7V~5.5V。输出缓冲是2倍增益rail-to-rail输出放大器，输出放大器是AB类以提高稳定性和减少建立时间。rail-to-rail输出和关电方式非常单电源、电池供电应用。通过控制字可以优化建立时间和耗化比且精度达到设计要求。综合考虑，我们选用方案二。 1.3恒流电路模块 方案一、采用稳压器来构成恒流源，LM7805是三端固定式集成稳压器，输出的电流I=（Uo’/R1+I2）;式中I2是7805的静态电流，数值非常之小，当R1较小I1较大时，I2可忽略不计；当R2变化时，LM7805改变自身的电压差来维持电压不变。该电路结构简单，但不能实现数控。如图1. 第一章绪论 在电子技术应用领域,经常要对开关电源、线性电源、UPS 电源、变压器、整流器、电池、充电器等电子设备进行测试，如何对其输出特性进行可靠、全面且比较简单、快捷的测试，一直是仪表测试行业研究的问题。传统的测试方法中一般都采用电阻、滑线变阻器、电阻箱等充当测试负载，但这些负载不能满足我们对负载多方面的要求，如：恒定电流的负载；带输出接口的负载；随意调节的负载、恒功率的负载、动态负载；多输出端口的负载等。现在有一种新型多功能的电子负载，可据实际应用中对负载特性的要求进行设置，满足了我们对负载的各种要求，解决了开发研制测试中的困难。 电子负载即电子负荷。凡是能够消耗能量的器件,可以广泛地称为负载。电子负载能消耗电能，使之转化成热能或其它形式的能量。静态的电子负载可以是电阻性(如功率电阻、滑线变阻器等) 、电感性、电容性。但实际应用中，负载形式就较为复杂，如动态负载，消耗功率是时间函数，或电流、电压是动态的，也可能是恒定电流、恒定电阻、恒定电压，不同峰值系数(交流情况下)，不同功率因数或瞬时短路等。电子负载就是在实际应用中负载比较复杂的情况下而设计生产的测试设备。它能替代传统的负载，如电阻箱、滑线变阻器、电阻线、电感、电容等。尤其对吸收恒定电流或以恒定电压吸收电流，或电压电流都要在设定范围突变等传统方法不能解决的领域里，更能显示出优越性能。 直流电子负载可以具备恒定电流、恒定电阻、恒定电压、动态负载及短路负载等工作方式。本课题主要讨论恒压和恒流两种模式。 第二章总体设计方案 需要设计一个直流负载，可以实现恒压和恒流两种模式，并可以切换，且电压值和电流值都可以设定在一定范围内。本实验采用的是手动切换两种模式的方式。恒压、恒流两种模式都是采用运算放大器和反馈网络所组成的电路而实现的，其中，电路中的反馈网络是以场效应管为核心而构成的可调式放大电路，并增加了软启动电路和电压补偿电路进行补充。 可调式放大电路就是指放大电路根据输出要求的需要改变经过反馈电路的反馈信号，以达到输出需求。 软启动电路可以使电压由零慢慢提升到额定电压，这样电路在启动过程中的启动电流，就由过去过载冲击电流不可控制变成为可控制。 电压补偿电路即功率因数的补偿，电流在经过负载会消耗部分能量，以致最终得到的结果和预期值有较大差距，电压补偿电路则可以弥补损失。 简易直流电子负载（C题） 摘要：本系统设计的是恒流(CC）工作模式的简易直流电子负载，是以单片机STC89C52为主控芯片，包括控制器、独立按键、显示电路、MOSFET功率电路、恒流电路、电压电流检测电路和保护电路。由单片机输出给定的电流值，并经过运算处理控制D/A输出，控制MOSEFT漏极电流，从而使直流电子负载的电流处于设定值。设计着重阐述了系统框架、工作原理、软硬件设计，并给出了系统测试表.测试结果表明，该系统具有稳定性强、调节速度快的特点,很好的满足了提出的性能指标。 关键词：电子负载；恒流；功率电路；信号处理 1.系统方案论证 1。1各种方案比较与选择 1.1.1主控器模块的设计方案与选择 方案一：采用纯硬件控制电路,虽然避免了软件的设置，但电路难度增加，且成本也高，也不利于实时调整电路。 方案二：采用单片机STC89C52.STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。且指令代码完全兼容传统8051。 综合考虑选择方案二以宏晶单片机STC89C52为核心，组成单片最小系统. 1.1.2显示模块的设计方案与选择 方案一:采用数码管显示.数码管成本较低,对环境要求低，编程也容易。但所显示的信息量有限,一般信息量越大，占的I/O口也越多. 方案二：采用1602液晶显示.采用液晶显示,画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强。功耗也低，显示的信息量也多。 根据题目要求，需要显示电压、电流等多种信息，数码管已不能满足要求故选择方案二，本系统采用的点阵式LCD型号为1602. 1。1。3MOSFET功率电路的设计方案与选择 方案一：采用IRF540场效应管。IRF540属于高电压，大电流的N通道增强型场效应功率晶体管，栅极电压与漏极电流关系如图2所示。 图1栅极电压与漏极电流关系 方案二:采用TI的CSD17505Q5A.N通道MOSFET管。栅极电压与漏极电流关系如图3所示。2012年TI杯简易直流电子负载解析
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