【正文】 /O口 應(yīng)用 I/O口 應(yīng)用 4 4 矩陣鍵盤輸入 — A/D采樣輸入 — D/A轉(zhuǎn)換輸出 XTAL1XTAL2 時鐘輸入 — 液晶顯示模塊 RESET 單片機復(fù)位信號 東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設(shè)計 7 單片機總控制電路如圖 21 所示 ： STC89C52 單片機在系統(tǒng)中主要實現(xiàn)以下功能 :設(shè)定值通過 D/A 轉(zhuǎn)換輸出基準(zhǔn)電壓；實際工作電壓、電流 A/D 采樣； LCD 顯示；鍵盤輸入等。 本次設(shè)計中要測量實際的電壓電流值，采用的是 Nokia 5110 液晶顯示模塊可以顯示出電壓電流等漢字，一面了然、外觀比較好看。 鍵盤模塊 方案一：非矩陣式鍵盤結(jié)構(gòu)比較簡單，使用方便，適合于較少開關(guān)量的輸入場合。 (2) 小數(shù)點鍵：本設(shè)計中精度要求較高，輸入的設(shè)定值會有需要帶小數(shù)點。 D/A 轉(zhuǎn)換器由 8位輸入鎖存器、 8位 DAC 寄存器、 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。 D/A 變換輸出采用 TLC5615 與單片機連接 設(shè)定值通過鍵盤輸入送往單片機，再通過 DA 輸出電路產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓送往 PI 控制器與實際電壓相 比較。但其占用端口多，轉(zhuǎn)換頻率低于 1M。從功率電路采集實際工作電壓和電流，反饋 到單片機，再通過液晶顯示出來，實現(xiàn)自動 循環(huán)的 調(diào)節(jié)。 這種 電阻 適用于高功率及高電流的電源供應(yīng)器，電路板的電路偵測，具有穩(wěn)定性佳，低溫度系數(shù)，散熱性好的特性 。 DATA OUT 輸出上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量對應(yīng)的次高位，第 9 個 I／ OCLOCK的下降沿將按次序驅(qū)動 DATA OUT 輸出上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量的最低位，第 10個 I／OCLOCK 的下降沿， DATA OUT 輸出一個低電平，以便串行接口傳輸超過 10 個時鐘； I／ O CLOCK 從主機串行接口接收長度在 10～ 16 個時鐘的輸入序列。 采樣 電阻 R17 電流－電壓轉(zhuǎn)換元件 (I/V converter)，落在 R17 上的電壓降通過 PI 調(diào)節(jié)器 與基準(zhǔn) 電壓 （ VERF）比較，控制 MOS 管 的導(dǎo)通 量變化 與截止，從而達到保持電流恒定的目的。所以需要一個更加精確的調(diào)節(jié)器來控制 MOS管的導(dǎo)通量，使其導(dǎo)通角能夠在可承受電壓范圍內(nèi)，按照偏差的大小，對 實測值 與給定值的偏差分別進行比例和積分運算，取其和構(gòu)成連續(xù)信號以控制 調(diào)節(jié)導(dǎo)通角的增大或縮小 達到設(shè)定值等于實際值 。故 PI 調(diào)節(jié)器 應(yīng)用 在電子負載的設(shè)計中， 實現(xiàn)對 MOS 導(dǎo)通角的有效控制， 具有積分作用的調(diào)節(jié)器，只要被調(diào)量 即電子負載電路中的實測值 與設(shè)定值之間有偏差，其輸出就會不停的變化。 本次電子負載設(shè)計，為了較快且更加精確的消除誤差。 方案二：場效應(yīng)管式電子模擬負載：場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)工作在不飽和區(qū)時，漏極與源極之間的伏安特性可以看作是一個受柵一源電壓控制的可變電阻。其通用參數(shù)為： （ 1）漏極－源極擊穿電壓 Vdss=500V （ 2）靜態(tài)導(dǎo)通電阻 Rds(on)=? （ 3）漏源連續(xù)導(dǎo)通電流 Id=22A （ 4） 功 率： Ptot=278W （ 5） 極 性： NPN 鑒于 MOS管的良好開關(guān)特 性，在此次設(shè)計中，對被測電源功率的控制，也就是對電流的控制，故 選用方案二 。所以同樣功率的管子， MOS 型的開關(guān)速度要比雙極型管子快得多。考慮到有時候被測電源電壓較大，在 漏極－源極擊穿電壓 Vdss=500V 的基礎(chǔ)上，整個設(shè)計的電壓范圍設(shè)為050V。具有過熱保護 。 將 Cathode（負極）與 Reference（ 參考端）連接起來，會得東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設(shè)計 20 到 VKA = Vref =， 作為輸入基準(zhǔn)源供 TLC5615DA進行轉(zhuǎn)換。 618T L 4 3 1負極參考端正極 618T L 4 31R 2 22502 . 5 V0 . 33 uFC 1 4In p u t 圖 218 TL431符號 圖 219 TL431輸出 TL431 是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源。本電路設(shè)計中利用 HCPL－ 78XX 、 79XX 系列 的 3 端正穩(wěn)壓電路 和具 有良好 熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源 TL431 實現(xiàn)整個電源電路的設(shè)計 。 UGS(th)2UGS(th)UGSIDOiDO U G S= 2 U G S ( t h ) 可 變 電阻 區(qū)I D Oi D預(yù) 夾 斷 軌 跡O夾 斷 區(qū)恒 流 區(qū)U DU G S= U G S ( t h )U G S 2 圖 215 N溝道增強型 MOS管的轉(zhuǎn)移 特性曲線 圖 216 N溝道增強型 MOS管 的輸出特性 Q2I R F P 4 6 0dgs 圖 217 N溝道增強型 MOS管 電子負載的恒流控制 ， 它 的功率控制電路主要包括場效應(yīng)管（ MOSFET)、 電流取東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設(shè)計 19 樣 PI 控制器、運放等組成 負反饋控制環(huán)路 。 （ 1）柵極控制功率小。 綜合電子負載的特性， 故 選擇方案二場效應(yīng)管式電子模擬負載。大功率晶體管構(gòu)成的功率恒流源充當(dāng)負載，通過吸收電源提供的大電流，從而模擬復(fù)雜的負載形式。通常隨著 Kp 值的加大，閉環(huán)系統(tǒng)的超調(diào)量加大，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，但是當(dāng) Kp增加到一定程度，系統(tǒng)會變得不穩(wěn)定。這樣，當(dāng)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用比例積分調(diào)節(jié)器后，在突加輸入偏差信號 △Un的動態(tài)過程中，在輸出端 Uct 立即呈現(xiàn) Uct=KPI△ Un，實現(xiàn)快速控制，發(fā)揮了比例控制的長處；在穩(wěn)態(tài)時，又和積分調(diào)節(jié)器一樣，又能發(fā)揮積分控制的作用， △ Un=0，Uct保持在一個恒定值上，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差。 通過 PI 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，增大 MOS 管 的導(dǎo)通 角， 增大 MOS 管的導(dǎo)通量，使 MOS 管的內(nèi)阻減小，流過電阻 R17 的電流增大 ， 則 電壓降 Uf 慢慢增大 并 等于 設(shè)定值，從而實現(xiàn)電子負載的恒流工作模式，這是一個 PI調(diào)節(jié)器 調(diào)節(jié)過程。在正常轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，即規(guī)定的時間內(nèi) CS 端由高電平至低電平的跳變可以終止該周期，器件返回初始狀態(tài) (輸出數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容保持為上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果 )。 （ 2）輸入模擬量 采樣 在第 3個 I／ O CLOCK 下降沿，輸入模擬量開始采樣，采樣持續(xù) 7 個 I／ O CLOCK周期，采樣值在第 10個 I／ O CLOCK 下降沿鎖存。 如 圖 29 所示 ,被試電源兩端的電壓 U 與電壓采樣點電壓 Ub的關(guān)系為 Ub=R19/( R19+ R18)U=10K/(10K+100K)U=1/11U （ 22） 所以 U=11Ub （ 23） R 1 91 0KQ2I R F P 4 6046132 785U4T L C 1 54 946132 785U5T L C 1 54 9R 1 81 00 KR+RUbU a 1GNDGNDV C C V C CV C CP 3. 2P 3. 3P 3. 4P 3. 5P 3. 6P 3. 7R 1 7o . 2 5R 1 1R 1 2R 1 4R 1 3O P 37O P 37UfC50 . 75 uFUaR 1 51KR 1 61K V R E F6 0K4 0K4 0K1 2VO P 37R 2 01KR 2 11K1 2VV C CU b 11 2V 1 2V 1 2V 1 2V 圖 29 電壓電流采樣電路原理圖 電流采樣電路 電流采樣電路中，首先借助采樣電阻 R17 將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸出送往A/D采樣 TLC1549 添加一個電壓跟隨器，不取到放大作用。 兩者相比， TLC1549 系列器件性能優(yōu)良、 速度快、 功耗低、精度高、可靠性好、接口簡便，實用價值高 ,同時與 10 位的 TLC5615 DA 輸出基準(zhǔn)電壓 精度相同，不會導(dǎo)致電路精度降低， 故選擇方案二。 VREF = 5N／ 1024 （ 21） （ N為輸入設(shè)定值的二進制數(shù) ） 東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設(shè)計 11 如 圖 28 TLC5615 的時序圖可以看出，當(dāng)片選 CS為低電平時，輸入數(shù)據(jù) DIN 由時鐘 SCLK 同步輸入或輸出，而且最高有效位在前，低有效位在后。 本設(shè)計需要測出電壓值、電流值，對設(shè)定值的精確度要求更高。 (5)復(fù)位清零鍵 :當(dāng)輸入有誤時，按下該鍵可以清除顯示屏。采用矩陣式鍵盤結(jié)構(gòu)可以最大限度地使用單片機的引腳資源， 矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場合 , 由行線和列線組成 , 按鍵位于行列的交叉點上， 節(jié)省 I/O 口， 因此 其 應(yīng)用十分廣泛。如圖 22所示為單片東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設(shè)計 8 機與 LCD 通信 過程 。 電壓和電流的顯示可以用數(shù)碼管，但數(shù)碼管 顯示的信息量有限 ，只能顯示簡單的數(shù)字，其電路復(fù)雜，占用 的系統(tǒng) I/O資源較多，顯示信息少，不宜顯示大量信息。 方案一： 采用 ATMEL 公司的 AT89C51,51單片機價格便宜，應(yīng)用廣泛，實現(xiàn)較為復(fù)雜。 本制作的電子負載，主要實現(xiàn)其恒流工作模式 ， 如 圖 13 所示為 方案三系統(tǒng)模塊框圖。 通過運放、 PI 調(diào)節(jié)器及 負 反饋 控制環(huán)路 ，能夠較精確的 控制 MOS管的導(dǎo)通量 ，實現(xiàn)無靜差的調(diào)節(jié)。 采用了 STC89C52 單片機作為核心控制器，設(shè)計了 DA輸出控制電路、AD 電壓電流檢測電路、鍵盤電路、液晶顯示電路和驅(qū)動電路，通過軟、硬件的協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)了整個設(shè)計。在額定使用環(huán)境下 ,恒流方式為 不論輸入電壓如何變化（在一定范圍內(nèi)），電子負載將根據(jù)設(shè)定值來吸收電流，流過該電子負載的電流恒定。若負載設(shè)定為1 kΩ , 當(dāng)輸入電壓在 1～ 10 V 變化時 , 電流變化則為 10～ 100 mA 。 它的基本工作方式有恒壓、恒流、恒阻、恒功率這幾種。交流電源出廠試驗通常采用電阻箱耗能的辦法，它存在調(diào)節(jié)不便、自動化程度低、耗電量大等缺點，而采用交流電子負載進行試驗可有效克服這些缺點，它可使試驗更加簡單、靈活，且大大降低試驗的成 本。為準(zhǔn)確檢測電源的可靠性和帶載能力，因此把電力電子技術(shù)和微機控制技 術(shù)有機地結(jié)合起來，實現(xiàn)電源的可靠檢測。 constantcurrent pattern。 本設(shè)計從直流電子負載系統(tǒng)方案分析入手，詳細討論了整個系統(tǒng)的硬件電路和軟件實現(xiàn)，并給出較為合理的解決方案。 本設(shè)計 能實現(xiàn) 電子負載的恒流控