【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(shí)鐘輸入 — 液晶顯示模塊 RESET 單片機(jī)復(fù)位信號(hào) 東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 單片機(jī)總控制電路如圖 21 所示 ： STC89C52 單片機(jī)在系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)以下功能 :設(shè)定值通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換輸出基準(zhǔn)電壓；實(shí)際工作電壓、電流 A/D 采樣； LCD 顯示；鍵盤輸入等。 本次設(shè)計(jì)中要測(cè)量實(shí)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(jiǎn)單，使用方便，適合于較少開關(guān)量的輸入場(chǎng)合。 (2) 小數(shù)點(diǎn)鍵：本設(shè)計(jì)中精度要求較高，輸入的設(shè)定值會(huì)有需要帶小數(shù)點(diǎn)。 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(jī)連接 設(shè)定值通過(guò)鍵盤輸入送往單片機(jī)，再通過(guò) DA 輸出電路產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓送往 PI 控制器與實(shí)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(shí)際工作電壓和電流，反饋 到單片機(jī)，再通過(guò)液晶顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 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(cè)，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(duì)應(yīng)的次高位，第 9 個(gè) I／ OCLOCK的下降沿將按次序驅(qū)動(dòng) DATA OUT 輸出上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量的最低位，第 10個(gè) I／OCLOCK 的下降沿， DATA OUT 輸出一個(gè)低電平，以便串行接口傳輸超過(guò) 10 個(gè)時(shí)鐘； I／ O CLOCK 從主機(jī)串行接口接收長(zhǎng)度在 10～ 16 個(gè)時(shí)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(guò) 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(dá)到保持電流恒定的目的。所以需要一個(gè)更加精確的調(diào)節(jié)器來(lái)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(duì) 實(shí)測(cè)值 與給定值的偏差分別進(jìn)行比例和積分運(yùn)算，取其和構(gòu)成連續(xù)信號(hào)以控制 調(diào)節(jié)導(dǎo)通角的增大或縮小 達(dá)到設(shè)定值等于實(shí)際值 。故 PI 調(diào)節(jié)器 應(yīng)用 在電子負(fù)載的設(shè)計(jì)中， 實(shí)現(xiàn)對(duì) 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(fù)載電路中的實(shí)測(cè)值 與設(shè)定值之間有偏差，其輸出就會(huì)不停的變化。 本次電子負(fù)載設(shè)計(jì)，為了較快且更加精確的消除誤差。 方案二：場(chǎng)效應(yīng)管式電子模擬負(fù)載：場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET)工作在不飽和區(qū)時(shí)，漏極與源極之間的伏安特性可以看作是一個(gè)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(jì)中，對(duì)被測(cè)電源功率的控制，也就是對(duì)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?？紤]到有時(shí)候被測(cè)電源電壓較大，在 漏極－源極擊穿電壓 Vdss=500V 的基礎(chǔ)上，整個(gè)設(shè)計(jì)的電壓范圍設(shè)為050V。具有過(guò)熱保護(hù) 。 將 Cathode（負(fù)極）與 Reference（ 參考端）連接起來(lái)，會(huì)得東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 到 VKA = Vref =， 作為輸入基準(zhǔn)源供 TLC5615DA進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 618T L 4 3 1負(fù)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(hào) 圖 219 TL431輸出 TL431 是一個(gè)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(jì)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(shí)現(xiàn)整個(gè)電源電路的設(shè)計(jì) 。 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(qiáng)型 MOS管的轉(zhuǎn)移 特性曲線 圖 216 N溝道增強(qiáng)型 MOS管 的輸出特性 Q2I R F P 4 6 0dgs 圖 217 N溝道增強(qiáng)型 MOS管 電子負(fù)載的恒流控制 ， 它 的功率控制電路主要包括場(chǎng)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(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 樣 PI 控制器、運(yùn)放等組成 負(fù)反饋控制環(huán)路 。 （ 1）柵極控制功率小。 綜合電子負(fù)載的特性， 故 選擇方案二場(chǎng)效應(yīng)管式電子模擬負(fù)載。大功率晶體管構(gòu)成的功率恒流源充當(dāng)負(fù)載，通過(guò)吸收電源提供的大電流，從而模擬復(fù)雜的負(fù)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(huì)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(hào) △Un的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，在輸出端 Uct 立即呈現(xiàn) Uct=KPI△ Un，實(shí)現(xiàn)快速控制，發(fā)揮了比例控制的長(zhǎng)處；在穩(wěn)態(tài)時(shí)，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(gè)恒定值上，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。 通過(guò) 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(guò)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(shí)現(xiàn)電子負(fù)載的恒流工作模式，這是一個(gè) PI調(diào)節(jié)器 調(diào)節(jié)過(guò)程。在正常轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，即規(guī)定的時(shí)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(gè) I／ O CLOCK 下降沿，輸入模擬量開始采樣，采樣持續(xù) 7 個(gè) I／ O CLOCK周期，采樣值在第 10個(gè) 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(diǎn)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(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸出送往A/D采樣 TLC1549 添加一個(gè)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(jiǎn)便，實(shí)用價(jià)值高 ,同時(shí)與 10 位的 TLC5615 DA 輸出基準(zhǔn)電壓 精度相同，不會(huì)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(jìn)制數(shù) ） 東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 如 圖 28 TLC5615 的時(shí)序圖可以看出，當(dāng)片選 CS為低電平時(shí)，輸入數(shù)據(jù) DIN 由時(shí)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(jì)需要測(cè)出電壓值、電流值，對(duì)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(shí)，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(jī)的引腳資源， 矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合 , 由行線和列線組成 , 按鍵位于行列的交叉點(diǎn)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(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 機(jī)與 LCD 通信 過(guò)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(jiǎn)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(jī)價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。 本制作的電子負(fù)載，主要實(shí)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(guò)運(yùn)放、 PI 調(diào)節(jié)器及 負(fù) 反饋 控制環(huán)路 ，能夠較精確的 控制 MOS管的導(dǎo)通量 ，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差的調(diào)節(jié)。 采用了 STC89C52 單片機(jī)作為核心控制器，設(shè)計(jì)了 DA輸出控制電路、AD 電壓電流檢測(cè)電路、鍵盤電路、液晶顯示電路和驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)軟、硬件的協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)設(shè)計(jì)。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(fù)載將根據(jù)設(shè)定值來(lái)吸收電流，流過(guò)該電子負(fù)載的電流恒定。若負(fù)載設(shè)定為1 kΩ , 當(dāng)輸入電壓在 1～ 10 V 變化時(shí) , 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(yàn)通常采用電阻箱耗能的辦法，它存在調(diào)節(jié)不便、自動(dòng)化程度低、耗電量大等缺點(diǎn)，而采用交流電子負(fù)載進(jìn)行試驗(yàn)可有效克服這些缺點(diǎn)，它可使試驗(yàn)更加簡(jiǎn)單、靈活，且大大降低試驗(yàn)的成 本。為準(zhǔn)確檢測(cè)電源的可靠性和帶載能力，因此把電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技 術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)電源的可靠檢測(cè)。 constantcurrent pattern。 本設(shè)計(jì)從直流電子負(fù)載系統(tǒng)方案分析入手，詳細(xì)討論了整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路和軟件實(shí)現(xiàn)，并給出較為合理的解決方案。 本設(shè)計(jì) 能實(shí)現(xiàn) 電子負(fù)載的恒流控