.07.23(简易直流电子负载).doc

XX年全国大学生电子设计竞赛简易直流电子负载（C题）【XX组】XX年X月X日摘 要简易直流电子负载重要由恒流电路、电压电流控制电路、输出过压保护电路、电源电路和单片机控制与显示系统五部分构成直流电子负载是以MOS管电压转换电流原理为核心，以硬件反馈实现恒流为基本，以单片机控制为中心的高精度作品恒流部分的控制端采用运算放大器LM324接成闭环反馈控制形式，并用大功率MOS管作为恒流电路调节管，用水泥电阻做采样电阻，具有良好的调控线性和稳定性稳压电源部分设立由多种单电源为各部分电路供电显示部分采用液晶显示屏，可以直观、以便地显示设定电流和实测电流数据系统达到了恒流稳定性高的效果，实时显示电压电流，输出电流为100mA~1000mA，步进为10mA直流负载热稳定性高，工作过程中基本不会因发热而产生偏差，且可以持续很长时间，具有过压保护功能，成本低廉，可靠性高核心字：电子负载；恒流电路；电压电流检测电路；过压保护电路目 录1设计方案的论证与选择 31.1系统整体方案 31.2 各部分方案的论证及选择 42电路原理分析与计算 52.1恒流电路部分 52.2控制电路部分 62.3电源电路部分 72.4过压保护部分 82.5键盘与显示部分电路 94测试措施与测试成果 104.1测试措施 104.2测试条件及仪器 104.3 测试成果及分析 114.3.1测试成果 114.3.2测试分析 125设计总结 12参照文献 13附录1整体电路图 14附录2源程序 15附录3测试数据 15附录4 元件清单 16简易直流电子负载（C题）【XX组】1设计方案的论证与选择1.1系统整体方案本系统重要由单片机控制模块、电源模块、键盘与显示模块、恒流模块以及过压保护模块构成，以恒流电路为核心，用键盘对单片机进行控制，再通过单片机内部D/A输出控制MOS管等电路产生恒定电流，当直流稳压电源在一定范畴内变化时，流过本直流电子负载的电流保持恒定。

同步该系统设计了过压保护电路，过压阈值为18V，实现了对恒流电路的有效保护电路中的功率部分采用了MOSFET场效应管，较好地实现了电流调节电路采用简朴的7805、7812和7912对控制电路供电电路相对较简朴，不仅成本低、器件易购，并且稳压效果较好总体来说，整个电路可以良好的实现其设计功能直流电子负载电路系统总体框图如图1-1所示： 图1-1 直流电子负载系统整体框图1.2 各部分方案的论证及选择1、恒流控制部分方案一：采用UC3843作为控制核心本方案采用TI公司的PWM控制芯片UC3843来控制MOS管IFRP460的开关，从而将提供的15V电源电压转换成方波脉冲信号，脉冲频率由外围电路中控制端电容电阻参数来拟定方案二：采用单片机编程生成脉冲信号采用TI公司的MSP430G2单片机编程，通过取反语句，循环语句，并通过对时间的设定可以实现固定频率的方波脉冲的产生 方案三：采用tl494作为控制核心……..2、电源电路部分方案一：采用三端固定式的集成稳压器78XX系列此方案用集成稳压器制作电源的电路相对较简朴，不仅成本低、器件易购，并且三端稳压集成块的稳压效果较好局限性的地方是三端稳压集成块输出电流规定不能太大，但该电路中电流值较小，对其作用并无影响。

方案二：采用三端可调式的LM317集成稳压器LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，输出电压在1.25V~37V范畴内持续可调，可以提供超过1.5A的电流，线性调节率为0.01%，负载调节率为0.1%，纹波克制比为80dB，是一种使用以便、应用广泛的集成稳压块其原理十分简朴，达到的稳压精度很高，但电路比较复杂方案三：运用串联型可调稳压电路提供电源直流型稳压电源由电源变压器、整流滤波电路以及稳压电路构成，低噪声、低纹波、有良好的负载调节率，能得到稳定的直流电压，但是该电路的稳压部分需要的电子器件较多，体积很大，对器件的性能规定较高，电路构造复杂，效率也很低，仅合用于小功率的场合由于STC12C5A60S2单片机需要4.5V~5.5V电压供电，而三端固定式的集成稳压器输出电压的电压偏差为5%，即在4.75V~5.25V之间；而恒流部分、电流检测部分和显示部分等电路需要5V电压供电，综上述分析，对比后采用电路相对简朴的方案一 3、输出过压保护部分方案一：通过单片机直接进行电压的检测直接将待测电压通过A/D模块解决后传送给单片机进行检测方案二：通过运放及相应的电阻构成电压比较器对电压进行相应的解决，将基准电压加在运放的同相端，当运放输入端电压超过基准电压时，运放输出端控制继电器自动断开，从而断开外接电源输入端，最后起到过压保护的功能；当运放输入端电压不不小于基准电压时，此时外接电源正常接入电子负载，电路正常工作。

通过度析，方案一要检测的电压很有也许要高于单片机的最大输入电压，严重时也许把单片机烧毁同步，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成果而方案二则否则，当电压过大时，可以运用电阻串联的形式构成分压电路，将电压按一定比例减小，同步运用运算放大器的虚断特性，在很大限度上减少了被测电路其电流对检测成果的影响因此采用方案二2电路原理分析与计算2.1恒流电路部分 电路原理图如图2-1所示，恒流电路重要由负载电阻R1、运放LM324以及功率管Q1三部分构成MOS型晶体管的特点是特别适合于开关状态工作，具有导通电流的能力，且当MOS管导通电压一定期，其通流的能力不变，即流过MOS管电流的大小为固定值，由于它正向导通时的电阻极小，并且开关速度快由于设计所需电流范畴100mA～1000mA，步进为10mA，过压阈值为18V±0.2V，电路中所需的MOS管的承受电压必须不小于18V,通流能力必须不小于1A，而IRF540MOS管的漏源电压VDSS=100V,漏极电流ID=28A,满足设计规定根据闭环同相放大电路的深度负反馈概念，通过反馈电阻Rf和负载电阻R1构成负反馈电路，控制电压Vin通过运放U1输出的电压基本保持恒定；再根据闭环同相放大电路的虚短概念，即Vp=Vn，运放的反相输入端电压将等于控制电压，即控制MOS管之间的栅源电压为定值，从而使流过Q1和负载电阻R1的电流的大小保持恒定，即控制恒流源输出电流。

当最电流为1000mA时： Vo=(R3+R4)*Imax 得到输入运放同相端的电压为：Vi=Vo/(1+R3/R4)=2V当电流为100mA时由上式可得:Vi=0.2V其她在100mA—1000mA之间的电流可通过单片机控制是输入到运放同相端的电压在0.2—2V之间即可达到目的由于单片机A/D采样输入电压最大值不超过5V，而流过负载电阻的电流最大为1000mA,根据R=U/I得，即R不不小于等于5Ω；由P=I2*R得，当R=5Ω时，P=5W，因此R1≤5Ω，PR1≥5W均符合规定，鉴于以上考虑，由于条件限制，最后选用了2Ω/50W的水泥电阻作为负载电阻图2-1 恒流电路原理图2.2控制电路部分电路原理图如图2-2所示,控制电路部分由STC12C5A60S2单片机、DAC0832数模转换器、运算放大器LM324构成STC12C5A60S2单片机是数控电子负载的核心部件，通过单片机内部A/D对采样负载电阻端电压、端电流的数据进行采集、解决，通过液晶显示屏显示数据DAC0832数模转换器，将检测到的电压电流模拟信号转化成数字信号传送给单片机，完毕实时的显示和其她控制电流检测通过图2-1中检流电阻R1对负载电流进行检测，将电流信号通过运放LM324转换成更加易于检测的电压信号，输出的电压与输入的控制信号反相，最后通过由运算放大器LM324构成的反相器将电压取反，即与控制信号同相，且幅值不变。

图2-2 控制电路原理图整流滤波部分电路原理图如图所示，由于接受线圈接受到的信号频率与发射线圈发射的信号频率相似，仍然为频率较高的脉冲信号，因此需要对接受线圈接受到的脉冲信号进行整流滤波解决，转变成直流电供应2只串联LED灯负载使用电路先将接受线圈接受到交流脉冲信号经由4只FR207快恢复二极管搭成的桥式整流电路，得到脉冲直流电压，再通过470uF/25V的电解电容和0.1uF的瓷片电容进行滤波解决后最后得到相对平滑的直流电压，用以供应负载LED灯使用电路原理图如图2-3所示，由于该系统采用了STC12C5A60S2单片机、DAC0832数模转换器、LM324运算放大器等电路部分，需要﹢5V、±12V的直流电压，因此本设计额外设计了一种输出电压分别为±12V、﹢5V的稳压电源，电源电路重要分为变压器部分、整流部分、滤波部分、以及78XX、79XX系列的三端固定式稳压部分由于要为双电源运放供电，因此要采用三抽头的变压器从而得到相位相反的两15V的交流电源输入到下一级的整流桥，变压器的输出为18V 再通过整流管将输出的交流电转换成为脉动直流电，电路中的C2、C1、C8电解电容器就是将脉动直流中的交流成分滤除，从而输出的电压随着交流输入端和负载输出端的变化而变化，因此，采用78XX系列集成稳压器构成的稳压电路，通过稳压芯片稳压后，输出的基本为稳定直流，可以满足设计电路的供电规定。

通过7812输出电压为12V，通过7912输出电压为-12V，通过7805输出电压为5V电路中C10、C11、C13、的作用为消除输入端引线的电感效应，避免集成稳压器自己振荡，还可以克制输入侧的高频脉冲干扰，一般选择0.1～1uF的陶瓷电容器；输出端电容器C14、C15、C12为高频去耦电容器用于消除高频噪声，一般选择0.1～2.2uF的陶瓷电容器；输出端电容器C4、C3、C12用于改善稳压电路输出端的负载瞬态响应，根据负载的变化状况，一般选用100～1000uF的电解电容器D9、D10、D11是保护二极管，用来避免在输出端电压高于输入端电压时，电流逆向通过稳压器而损坏器件该电源内阻小，线性度好，电压稳定，噪音极低，输出波纹小 图2-3 电源电路图2.4过压保护部分为了达到规定，作品要具有过压保护功能，过压阈值电压为18V±0.2V因此，系统过压保护电路采用LM324芯片实现，用LM324稳压管提供2.5V基准电压，将其加在运放的同相端，当输入端电压超过2.5V时，输出端电路将自动断开，当输入端电压不不小于2.5V时，此时输出端电路正常工作根据电路中阻值可计算出运放的输入端电压一般将达到2.3V，保证电路正常工作。

如图2-5所示，当输入电压高于18V时，过压保护电路可自动中断高输入电压，以保护电流源部分由于输入电压最大可达到18V，不能直接进行采样检测，需要先将输入电压进行衰减降压，再通过A/D通道进行采用检测，同步使用比较器来控制高输入电压的中断本设计运用1M4Ω和150KΩ的电阻R3、R4串联对其进行分压衰减，输入电压Vi最大值为18V，故过压保护电路的比较器的基准电压VREF为： 代入。