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直流电子负载报告
摘要
本系统主要以89c52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。
数字程控调节负载参数,并可手动切换恒流与恒压工作模式。
系统包括控制电路(MCU)、输入模块、显示模块、恒压电路、恒流电路、恒阻电路、功率控制电路等,同时具备自动过载保护设计。
能够检测被测电源的电流值与电压值并同时显示。
关键词:
电子负载单片机(MCU)D/AA/D恒压恒流恒阻
Abstract
Thissystemistocontrolcoremainlywith89c52monolithicmachine.Howconstantcurrentischanged(withincertainrange)timewaydisregardingimportingvoltage,isflowspasttheconstant,andvoltaicelectriccurrentvalueowinganelectronloadsbutissetsup.WhenjobYuHengcontrolsway,electronloadsholdvoltagekeepingtheelectriccurrentconstant,atpresent,settingup.Systemincludesthecontrolcircuit(MCU),enteringmodule,displaymodule,constantvoltagecircuit,constantcurrentcircuit,perseverancehindercircuit,powercontrolcircuitetc.,haveautomationoverloadprotectiondesignatthesametime.Beabletocheckelectriccurrentvalueandvoltagevaluethepowersourceismeasuredandshowatthesametime.
Keywords:
Theloads,monolithicmachine(MCU),D/A,A/D,Constantvoltage,Constantcurrent,Theperseveranceishindered.
一、引言
随着科技的发展,传统电源检测技术过于落后,为准确检测电源的可靠性和带载能力,将电力电子技术和微机控制技术结合起来制成新型直流电子负载。
使用单片机数字程控负载参数,在不同模式下,检测电源的电压或电流性能。
二、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1欧大功率电阻;康铜丝具有功率大,受热情况下其阻值改变不大,所以采用康铜丝代替(其阻值采用LCR数字电桥精确测量)。
(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
(2)总体思路
利用单片机及其外围电路,包括4×4矩阵键盘、液晶显示等。
键盘设定负载参数并显示,搭建电压/电流检测、电压/电流比较以及功率控制电路,模块化实现恒压、恒流、恒阻,并加入自动过载保护。
用单片机切换不同的工作状态。
(3)总体电路图见附录一
三、电路设计
1、硬件设计及理论计算
(1)单片机与运放供电
变压器通过整流、滤波、稳压产生所需电压。
图1(见附录一)中电路提供±15V电源,主要用于运放电路。
图2(见附录二)中电路提供+5V电源,用于单片机、液晶显示、键盘。
(2)恒压模块
选用运放LM358,将同相输入端与输出端采用正反馈电路,在反馈电路中加入电阻,R1与R2并联实现分压。
使得取样电阻上的电压稳定,实现输出电压与理论值相同。
又由于运放的反相输入端的信号来自于单片机的输出,稳定度与精度均很高。
原理图如图3所示。
单片机设定负载参数。
A点电压恒满足①式
UA=4U0①
例如当单片机给出2V电压时,A点电压为8V。
Q2为大功率三极管,利用Q1放大电流驱动Q2形成反馈。
此时调节待测电源输入电压值,经过调整电路,A点电压保持8V不变。
(3)恒流模块
选用运放LM358,将反相端输入端与输出端采用负反馈电路,运放的同相输入端的信号来自于单片机的输出,稳定度与精度均很高。
原理图如图所示,图中输出端取样电阻为1欧大功率电阻;康铜丝具有功率大的性能,受热情况下其阻值改变不大,所以采用康铜丝代替(其阻值采用LCR数字电桥精确测量)。
单片机设定负载参数。
B点电流恒满足②式
IB=U0/R1②
例如当单片机给出2V电压时,B点电压也为2V,R1等于1Ω。
通过两个放大器调整电路,此时无论待测电源输入为何值,B点电流恒为2V/1Ω=2A。
(4)恒阻模块
CD段电流较小,可以忽略不计,所以LM358同相输入端电压U+=I·R5
电阻R4可以分压,CD段分得的电压等于U+。
所以有UCD=U+=I·R5
③
显然U1与I成比例关系,所以电阻值恒定。
(5)比较和检测电路分析
连接运放LM324形成反馈构成比较器,通过AD芯片检测电路。
(6)功率控制方法
如图3、4所示,为了提高电路中电流的大小,我们采用三极管S9014放大电流,驱动大功率三极管3DD15D起到功率控制的作用。
同时用到了大的散热器,提高了整个电路的工作效率。
(7)自动过载保护设计
当负载电流增大时,取样电压增大,LM324反相输入端电压增大,电流继续增大。
当反相端电压大于所设定过流保护电流的基准电压(同相端输入电压)时,LM324输出低电平,与场效应管共同作用使得负载电流减小,起到过流保护作用。
2、软件设计及流程
此电子负载除了要完成作为负载的功能以外,还要实现I/U数据采集、测量与显示的任务。
且显示分辨力至少具有三位数,相对误差小于5%。
软件流程图:
1、测试仪器
电流表C31-A,万用表MF47,数字万用表VC890D,直流稳压电源YB1731C
2、测试方法
常温下实验室测试。
将直流电源连接电子负载,在恒压、恒流、恒阻模式下,设定负载参数,分别测量计算负载电压、电流与电阻,并绘制伏安特性曲线图。
3、测试数据记录
(1)恒压测试电压设定值:
2.75V
电源电压V
0.65
0.85
1.50
2.05
2.75
2.90
3.57
3.82
4.26
4.89
A点电压V
2.73
2.76
2.76
2.75
2.77
2.74
2.75
2.74
2.77
2.75
电压设定值:
18.6V
电源电压V
2.00
3.58
7.62
2.05
12.5
17.1
19.2
20.5
21.1
25.6
A点电压V
18.2
18.5
18.7
18.7
18.7
18.9
18.3
18.6
18.6
18.9
(2)恒流测试电压设定值:
0.50V此时电流理论值为0.50V/1Ω=0.50A
电源电压V
0.50
1.52
2.61
3.55
4.67
5.66
6.81
7.11
8.34
9.88
B点电流A
0.48
0.50
0.48
0.49
0.49
0.50
0.53
0.50
0.50
0.49
电压设定值2.50V:
电流理论值2.50V/1Ω=2.50A
电源电压V
0.65
0.85
1.50
2.05
2.75
2.90
3.57
3.82
4.26
4.89
A点电压V
2.38
2.49
2.50
2.48
2.50
2.50
2.48
2.50
2.77
2.75
(3)恒阻测试
电源电压V
2.00
2.80
3.45
4.11
5.50
6.72
7.02
8.25
9.00
9.88
电流表值A
1.03
1.37
1.68
2.03
2.82
3.43
3.50
4.11
4.57
5.01
电阻Ω
1.94
2.04
2.05
2.02
1.95
1.95
2.01
2.01
1.96
1.97
4、测试结果分析
恒压:
电子负载端电压保持恒定,且可设定。
恒流:
不论输入电压如何变化,流过该电子负载的电流值恒定且可设定。
恒阻:
不论输入电压如何变化,流过该电子负载的电压与电流的比例恒定。
受实验室环境与器材限制,稍有误差。
五、总结与体会
设计的以AT89S52单片机为控制核心的电子负载,能够直接检测被测电源的电流值、电压值。
负载参数可以设定,且各个数据均能直观的在数码管上显示。
当然,在实验的过程中也出现了许多问题,如对电阻功率的大小考虑欠妥以致一开始测试的数据偏差较大等。
由于时间的仓促以及实验条件与自身能力所限,本设计还存在着许多不足。
负载参数的设置与读出范围也有待扩大,同时可以加入功率显示模块等以便更全面地测试电源性能。
附录一
总体电路图
附录二
部分单片机控制程序(汇编语言):
RSEQUP2.4
RWEQUP2.5
EEQUP2.6
SJEQUP0
ADC_CONEQU0BCH
ADC_RESEQU0BDH
P1ASFEQU9DH
AUXR1EQU0A2H
;============================================
;主程序
;============================================
ORG0000H
AJMPMAIN
ORG000BH
LJMPT0_INT
ORG0030H
MAIN:
MOVSP,#60H
MOVR3,#20
ORLADC_CON,#80H
LCALLD4MS
MOVA,#03H
ORLP1ASF,A
ANLAUXR1,#0FBH
MOVTMOD,#01H
MOVTH0,#4CH
MOVTL0,#00H
SETBEA
SETBET0
MOVR2,#10
MAIN1:
LCALLD4MS
DJNZR2,MAIN1
MOVSJ,#38H
LCALLENABLE
MOVSJ,#38H
LCALLENABLE
MOVSJ,#08H
LCALLENABLE
MOVSJ,#01H
LCALLENABLE
MOVSJ,#06H
LCALLENABLE
MOVSJ,#0CH
LCALLENABLE
MOVSJ,#80H
LCALLENABLE
MOVDPTR,#DIANY
LCALLWRITE1
MOVSJ,#0C0H
LCALLENABLE
MOVDPTR,#DIANL
LCALLWRITE1
SETBTR0
MAIN2:
LCALLUAD_RES
LCALLU_SHOW
LCALLIAD_RES
LCALLI_SHOW
LCALLKEY
CPLA
JZMAIN2
MOVA,40H
CJNEA,#0FH,MAIN3
LCALLSET_U
LJMPMAIN2
MAIN3:
CJNEA,#0DH,MAIN2
LCALLSET_I
LJMPMAIN2
;============================================
;液晶显示相关子程序
;============================================
ENABLE:
CLRRS
CLRRW
CLRE
LCALLD4MS
SETBE
RET
WRITE1:
MOVR1,#00H
A1:
MOVA,R1
MOVCA,@A+DPTR
MOVSJ,A
LCALLWRITE2
INCR1
CJNER1,#10H,A1
RET
WRITE2:
SETBRS
CLRRW
CLRE
LCALLD100US
SETBE
RET
;=================================================================
;电压AD结果转换保存
;================================================================
UAD_RES:
MOVA,30H
CJNEA,#40,AR_1
AR_1:
JNCAR_2
MOVDPTR,#TAB1
LCALLAD_RES1
LJMPAD_END
AR_2:
CJNEA,#80,AR_3
AR_3:
JNCAR_4
MOVDPTR,#TAB2
CLRC
SUBBA,#40
LCALLAD_RES1
LJMPAD_END
AR_4:
CJNEA,#120,AR_5
AR_5:
JNCAR_6
MOVDPTR,#TAB3
CLRC
SUBBA,#80
LCALLAD_RES1
LJMPAD_END
AR_6:
CJNEA,#160,AR_7
AR_7:
JNCAR_8
MOVDPTR,#TAB4
CLRC
SUBBA,#120
LCALLAD_RES1
LJMPAD_END
AR_8:
CJNEA,#200,AR_9
AR_9:
JNCAR_10
MOVDPTR,#TAB5
CLRC
SUBBA,#160
LCALLAD_RES1
LJMPAD_END
AR_10:
CJNEA,#240,AR_11
AR_11:
JNCAR_12
MOVDPTR,#TAB6
CLRC
SUBBA,#200
LCALLAD_RES1
LJMPAD_END
AR_12:
MOVDPTR,#TAB7
CLRC
SUBBA,#240
LCALLAD_RES1
AD_END:
RET
AD_RES1:
MOVR1,#5
MOVR0,#34H
MOVB,#6
MULAB
A_R1:
MOVB,A
MOVCA,@A+DPTR
MOV@R0,A
MOVA,B
INCR0
INCDPTR
DJNZR1,A_R1
RET
;=================================================================
;电流AD结果转换保存
;================================================================
IAD_RES:
MOVA,31H
CJNEA,#40,IAR_1
IAR_1:
JNCIAR_2
MOVDPTR,#TAB11
LCALLIAD_RES1
LJMPIAD_END
IAR_2:
CJNEA,#80,IAR_3
IAR_3:
JNCIAR_4
MOVDPTR,#TAB21
CLRC
SUBBA,#40
LCALLIAD_RES1
LJMPIAD_END
IAR_4:
CJNEA,#120,IAR_5
IAR_5:
JNCIAR_6
MOVDPTR,#TAB31
CLRC
SUBBA,#80
LCALLIAD_RES1
LJMPIAD_END
IAR_6:
CJNEA,#160,IAR_7
IAR_7:
JNCIAR_8
MOVDPTR,#TAB41
CLRC
SUBBA,#120
LCALLIAD_RES1
LJMPIAD_END
IAR_8:
CJNEA,#200,IAR_9
IAR_9:
JNCIAR_10
MOVDPTR,#TAB51
CLRC
SUBBA,#160
LCALLIAD_RES1
LJMPIAD_END
IAR_10:
CJNEA,#240,IAR_11
IAR_11:
JNCIAR_12
MOVDPTR,#TAB61
CLRC
SUBBA,#200
LCALLIAD_RES1
LJMPIAD_END
IAR_12:
MOVDPTR,#TAB71
CLRC
SUBBA,#240
LCALLIAD_RES1
IAD_END:
RET
IAD_RES1:
MOVR1,#5
MOVR0,#39H
MOVB,#6
MULAB
IA_R1:
MOVB,A
MOVCA,@A+DPTR
MOV@R0,A
MOVA,B
INCR0
INCDPTR
DJNZR1,IA_R1
RET
附录三
实物图
参考文献
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[5]何希才著《新型集成电路及其应用实例》科学出版社,2003
[6]徐爱钧著《智能化测量控制仪表原理与设计》北京航空航天大学出版社,2006
[7]孙肖子,邓建国,陈南等著《电子设计指南》高等教育出版社,2006
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