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1、2010电子竞赛报告修直流电子负载 参赛队号 2010078 直流电子负载 摘要 本设计由内置12位A/D、D/A的高性能、低功耗单片机C8051F120组成系统控制核心，显示单元采用12864液晶显示器作为系统的工作模式和运行数据显示屏，通过软件设计可工作于恒压、恒流、恒阻三种模式。采用CS005XL霍尔传感器检测电流，以电压的形式反馈至单片机，进而控制D/A输出，提高了电流测量精度。恒阻模式采用与恒流模式相同的工作电路，单片机控制电压与电流的比值恒定。采用CPU散热器为功率器件散热，系统长期运行稳定。系统工作电压范围为500-40000mV，电压分辨率10mV；工作电流范围1-4000mA
2、，电流分辨率1mA，既符合设计要求又有所发挥。另外，设计还增加了保护电路和声音报警电路等实用功能。 关键词：C8051F-120单片机 霍尔传感器 散热器 一、 引言 直流电子负载用途广泛，可用于直流电源供应器的电源稳定性、负载稳定性、输出电压调整和瞬态特性等参数的测试，也可用于电容器、充电器、电池等充放电过程的参数测试及功率电子元器件的参数测试等。电子负载的种类是多种多样的，选择适合的电子负载是电源类研发或者生产中一个重要的方面。针对设计要求，综合考虑多方面因素，我们设计了一个符合要求又有所发挥的直流电子负载。 二、 系统结构原理框图 本系统由以下部分组成：核心控制电路、功率控制电路、电压、
3、电流采样电路、运放比较电路、LCD显示电路和报警电路。系统总体结构框图如图1所示： LCD单单单单单单单单单单单单单单单单单单单D/A单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单图1 系统结构框图 1 三、 方案论证及比较 1. 核心系统方案设计 方案一：采用C8051F120单片机作为核心控制单元，内部包含12位A/D、D/A转换功能，精确度高。通过软件编程可以实现对电压、电流和电阻预设置、 A/D采样比较、D/A输出、LCD显示、过压控制、过流控制和过功率控制等多种功能，并且外围电路简单,控制效果好。 方案二：采用纯硬件方式控制设计电路，电压、电流预设置通过调节电位器实现，电流、电压取样反
4、馈值送入比较电路，实现恒压、恒流和恒阻的功能，电路相对比较复杂，且可实现的功能有限，在短时间内制作会比较粗糙，工作量较大。 通过比较，采用方案一可以很好地完成设计基本任务，同时可以实现多种扩展功能，所以我们选择方案一。 2. 显示界面方案 本设计我们采用单片机控制显示界面，可以采用LED数码管显示或LCD点阵显示。 方案一：用12864 LCD显示，LCD是点阵式的显示，可以有汉字、数字、波形等多种方式显示，灵活性大，且同一界面可以同时显示电压、电流、功率等多种参数。 方案二：用LED数码管显示，LED是笔划显示方式，虽然直观性好，视角大，但是该方式只能显示特定汉字和数字，若想进行多位显示，需
5、要多个数码管，功耗较大。 经过以上方案比较，选择方案一。 3. 功率控制方案 方案一：用N沟道增强型MOS管作为功率管。功率MOS管具有正温度系数，当结温升高时通态电阻增大，有自限流作用，所以功率MOSFET热稳定性好。 方案二：双极型三极管作为功率管。三极管具有负温度系数，温度越高，导通电压越小，电流越大，热稳定度比MOS管差。在功率控制电路中要求功率尽可能大，其饱和压降一般大于1V。 综上所述，我们采用方案一。 四、 硬件设计及参数计算 1. 采样电路的设计及参数计算 本系统采样电路包括电压采样电路和电流采样电路。下面对两部分电路分别介绍。 1.1电流采样电路 实际电路中，电流采样是通过C
6、S005XL霍尔传感器将电流信号转换为 2 电压信号反馈回单片机控制单元电路中。CS005XL额定电流5A，输出电压4V，其比值大小为1.25。其电路图如图2所示： O+Q1IRF640CS005LXO-12VR850K+12V图2 电流采样电路 1.2电压采样电路 电压采样是将采样电阻上的电压反馈给电压输入端，电压采样电路如图3所示：调整R6可较正采样电压数值。 ADCR65KR433KQ1IRF640图3 电压采样电路等效 2. 功率管控制 2.1 恒压模式控制电路 恒压模式电路可以等效为一个同相比例放大电路，电路图如图4所示： O+R4A/DC11103 +00R65K33KQ1TL08
7、2IRF640D/A-R310KC9103图4 恒压模式电路 2.2 恒流模式控制电路 3 恒流模式电路和恒压模式电路一样可以等效为同相比例放大电路,恒流模式电路包括电流检测电路，其电路图如图5所示： Q1IRF640D/A+0R547K0CS005LXO-12VR850KR710KA/DC12103-+12VC10103图5 恒流模式电路 2.3 模式转换电路 系统工作模式转换时，由单片机控制继电器自动切换模式电路。电路图如图6所示： +12V恒压模式K1R102KD1IN4148 Q29013R547K恒流模式图6 模式转换电路 3. 系统散热 等效负载工作时，消耗的功率比较大，功率管的散
8、热是非常重要的。例如，端电压20V，电流3A时，MOS管功率达到60W。 本设计采用带风扇的PC机CPU散热器作为功率管的散热装置，散热能力可达100W，保障系统长期稳定运行。 4. 控制系统供电电路 控制系统由交流220V经WD10-220D12开关电源模块，输出12V直流电压，经滤波后供给运放和电流传感器使用。12V电压经三端稳压器7805输出5V电压，供给单片机使用。电源电路图如图7所示： 4 +R1100+12VC1220UFC4334C2220UF220VWD10-220D127805R2100+-12VC3220UFC5334C6334C7334+5VC8220UF图7 电源电路
9、五、 软件设计 软件流程图见附图1。此设计使用低功耗增强型51单片机C8051F120，组成的电路可以实现以下三个功能： 1.采样输出电流、电压并在LCD上显示。单片机通过内部自带的12位A/D对等效负载的电压和电流进行采样，将采集回来的数值在单片机内部进行处理后送液晶屏进行电压、电流、实际功率的显示。 2.设定恒压、恒流和恒阻运行模式及参数。通过键盘设定预设值送给单片机，单片机通过内部自带D/A将数字量转换成相应的模拟量输出，当电流大于3A或电压大于20V时，单片机就会启动过流提示，蜂鸣器发出报警信号。如果功率超过设定的最大功率，那么在恒压模式下就降低电压，在恒流模式下就减小电流，同时蜂鸣器
10、报警。 3.当电压、电流或功率大于某一数值时进行报警，且报警声随着数值的增大而变得急促。 六、 测试数据及分析 1. 测试使用的仪器：SG1732直流稳压稳流电源，VC9801A+数字万用表等。 2. 测试数据 、恒压模式 预设电压 稳压原电压 3V 10V 5 3.01 3.03 212 0642 10 3.02 3.03 779 2.361 20 3.8 3.12 1.91 5.95 15 9.98 10.12 0.561 5.67 20 10.1 10.3 1.13 11.6 30 10.3 10.4 2.24 23.3 实测电压 显示电压 显示电流 显示功率 5 预设电压 稳压原电压
11、15V 20V 20 15.1 15.2 0.557 8.47 30 15.2 15.2 1.68 25.5 40 15.5 15.6 2.72 42.4 25 20.1 20.5 0.558 11.4 35 20.7 20.9 1.13 23.6 40 21.1 21.3 2.25 48.1 实测电压 显示电压 显示电流 显示功率 、恒流模式 模式选择 预设电流 恒流模式 100 97 98 2.91 500 502 505 14.39 1500 1501 1520 38.91 3000 2961 2965 62.26 4000 3930 3927 31.41 实测电流 显示电流 显示功率
12、3. 测试结果分析 测试结果显示系统达到了预期效果，系统显示数据稳定，精度较高，符合题目要求。 七、 结论 本设计通过C8051F120单片机精确控制，系统达到1mA的电流分辨率和10mV的电压分辨率，工作电压范围0.5V40V，工作电流范围04A；具有恒压模式、恒流模式、恒阻模式，完全达到了题目的各项要求。 除此之外，系统具有高压和大电流工作状态声音提示功能和功率限制工作模式。散热系统采用PC机的CPU散热器，即使系统长期工作功率在60W的状态下，系统工作温度依然低于60度，性能稳定。 6 附录 附录1：系统软件流程图 开始初始化扫描键盘NO有键按下YES键值查询确认键数字键模式键A/D转换，比较，D/A输出LCD显示附录2：直流电子负载整机原理图 +R1100+12VC1220UFC43347805R2100+-12VC3220UFC5334C6334C7334+5VC8220UFC2220UF220VWD10-220D12O+R65K0 +0VO-INC11103TL082 -R433KD/A-OUT1Q1IRF540C8051F-120D/A-OUT2IO-INR102KQ29013R310KC91030+0R547K+12V-12VR850KCS005LXO-D1IN4148K1R710KC12103-C10103 7
