【正文】 28－29[6] 丁銳霞。2022自制電子負(fù)載儀(5)計(jì)量技術(shù) 付永杰23(6)實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理高等教育出版社，[3] 朱金剛模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)北京參考文獻(xiàn)[1] 張毅剛 最后，我要再一次感謝錢老師，沒(méi)有他一路上耐心的指導(dǎo)，和他為我們上的自動(dòng)控制系統(tǒng)課程。我也要感謝我寢室的段慧同學(xué)對(duì)本次設(shè)計(jì)的軟件部分給予了關(guān)心和幫助，當(dāng)我碰到問(wèn)題，她細(xì)心的幫我，尋找錯(cuò)誤的地方，修改電路，分析電路，修改程序等等，這些對(duì)我做本次設(shè)計(jì)提供了很多方便之處，在此對(duì)段慧表達(dá)深深的謝意。真的要感謝趙老師，在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中給我的啟發(fā)和幫助。此外，還要感謝趙永科老師，當(dāng)錢老師去開(kāi)會(huì)或者上課時(shí)，看到趙永科老師在實(shí)驗(yàn)室，我去問(wèn)他問(wèn)題。不僅如此，錢老師還在工作精神和為人處世上給予我們諄諄教誨，使我們明白和懂得了作為一個(gè)電子專業(yè)的畢業(yè)生所應(yīng)保有的心態(tài)和品質(zhì)。經(jīng)常下班時(shí)間到了，他還耐心的為我講解問(wèn)題，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中錢老師給予了我耐心細(xì)致的指導(dǎo)。同時(shí)整個(gè)設(shè)計(jì)也只研究電子負(fù)載的恒流工作模式，還可以進(jìn)一步改進(jìn)和設(shè)計(jì)，增加其他工作模式，比如恒壓、恒阻和恒功率模式，提高電子負(fù)載的實(shí)用性。但是，本設(shè)計(jì)還存在著很多不足，由于時(shí)間的倉(cāng)促以及自身能力所限，本文只是對(duì)電子負(fù)載一些較淺的研究，通過(guò)運(yùn)放 PI 調(diào)節(jié)器組成的負(fù)反饋來(lái)控制 MOSFET 的柵極電壓，從而達(dá)到其內(nèi)阻變化的目的，改變 MOS 管的導(dǎo)通量。在額定使用環(huán)境下，恒流方式時(shí)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。（6）用 10 位串行 A/D 電壓電流檢測(cè)。（4）能夠直接檢測(cè)被測(cè)電源的電流、電壓及功率值，各個(gè)參數(shù)都能直觀的在液晶上顯示。（2）能夠?qū)崿F(xiàn)恒流模式的的正常工作。為了解決該問(wèn)題，把實(shí)現(xiàn)方法由查詢按鍵按下改為“查詢按鍵釋放” ，即可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)按鍵功能。(2)按鍵程序開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)方法為查詢按鍵按下后開(kāi)始調(diào)用響應(yīng)程序。 軟硬件綜合調(diào)試根據(jù)單片機(jī)分配好的 I/O 口，將所有的硬件電路和程序連起來(lái)檢查，將整個(gè)程序載入，觀察整個(gè)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能是否都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，修改出錯(cuò)、不合適的程序或者更改元件型號(hào)或者重新設(shè)計(jì)局部電路。 將控制程序各功能模塊，包括顯示模塊、鍵盤輸入模塊、D/A 模塊、A/D 模塊等分別載入運(yùn)行，將發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題立即找出程序中所對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤或不妥之處，反復(fù)進(jìn)行修改完善，直到可以完成所要求的功能。還有就是我檢測(cè)變量值，比如我寫(xiě)了一個(gè)程序，一秒鐘變量 i 加一，我在 keil 的 watch widow 中監(jiān)測(cè) i 的變化，按說(shuō)全速運(yùn)行時(shí) i 的值應(yīng)該在監(jiān)測(cè)窗口中可以看出來(lái)是一直變化的，但是現(xiàn)在還是和我說(shuō)的仿真時(shí)間一樣，全速運(yùn)行時(shí)根本不變化，直到我暫停全速運(yùn)行，值才看出變化。比如說(shuō)，一些參數(shù)未定設(shè)定等小問(wèn)題導(dǎo)致整個(gè)程序編譯不通過(guò)。編好程序后先分個(gè)個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試。 軟件調(diào)試軟件的錯(cuò)誤只有在運(yùn)行中才會(huì)完全暴露出來(lái)，因此各個(gè)模塊的軟件程序分段進(jìn)行調(diào)試。整個(gè)硬件調(diào)試過(guò)程是為了驗(yàn)證各功能模塊的設(shè)計(jì)和制作的正確性，是否能夠正常工作，基本的數(shù)據(jù)傳輸是否有錯(cuò)誤。將電路分成控制電路、鍵盤輸入部分、顯示電路、主電路和檢測(cè)電路。根據(jù)設(shè)定好的參數(shù)的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行分塊調(diào)試。后來(lái)將比較器改為了 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)。但后來(lái)經(jīng)過(guò)老師的講解，才發(fā)現(xiàn)自己犯了嚴(yán)重的錯(cuò)誤。利用比較的結(jié)果作用在 MOS 管柵極上，從而達(dá)到其內(nèi)阻變化的目的，形成一個(gè)反饋的電路。同時(shí)也是電子負(fù)載實(shí)現(xiàn)恒流方式的關(guān)鍵部分。后來(lái)經(jīng)過(guò)老師和上網(wǎng)查找資料，終于明白這種電阻是一種錳銅電阻，專門運(yùn)用于電流采樣電路中，能夠承受較大功率，并且其電阻較小，對(duì)于電流的分流作用影響較小，從而對(duì)電路的影響較小。同時(shí)采樣電阻的選擇時(shí)也出現(xiàn)了一點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)于找的一些資料，看到采樣電阻的選取都很小，小到毫歐。MOS 管在這里既作為電流的控制器件同時(shí)也作為被測(cè)電源的負(fù)載。在畫(huà)電路原理圖過(guò)程中是分模塊設(shè)計(jì)的，根據(jù)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)思路，合理選取芯片的參數(shù)。為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，先后進(jìn)行了以下三個(gè)階段的調(diào)試工作:硬件調(diào)試、軟件調(diào)試、軟硬件聯(lián)合調(diào)試。先按下鍵盤的開(kāi)始鍵，單片機(jī)只執(zhí)行按鍵查詢、LCD 顯示等功能。允許輸入的鍵盤查詢流程范圍為 0――，超出的數(shù)在確認(rèn)時(shí)能自動(dòng)清零重新輸入，說(shuō)明輸入數(shù)據(jù)無(wú)效。如圖 36 所示為按鍵處理子程序流程圖。鍵盤識(shí)別采用逐行掃描方式，對(duì)每一行進(jìn)行掃描，當(dāng)掃到某列有點(diǎn)平變化是則讀取鍵值并處理。當(dāng)鍵盤按下確認(rèn)后，設(shè)定值送往單片機(jī)數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)后送 TLC5615 進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)化，有數(shù)送入時(shí) scs=0；sclk=0 即對(duì) SPI 時(shí)序做初始化，開(kāi)始產(chǎn)生上升沿，數(shù)據(jù)被鎖存,形成 DA 輸出。 D/A 轉(zhuǎn)化程序由于 TLC5615 是串行輸出的，且其輸出采用的是 SPI 總線模式，所以現(xiàn)對(duì) SPI時(shí)序做初始化，初始化完后即可調(diào)用將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬輸出。主機(jī)的數(shù)據(jù)從主機(jī)的 MOSI 移出，從從機(jī)的 MOSI 移入；從機(jī)的數(shù)據(jù)從從機(jī)的 MISO 移出，從主機(jī)的呱 50 移入。主機(jī)和從機(jī)將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入相應(yīng)的移位寄存器。CS 線號(hào)線:此信號(hào)通過(guò)硬件控制選擇一個(gè)特殊的從設(shè)備，沒(méi)有被選中的從設(shè)備不予 SPI 總線交互通信。MISO 信號(hào)線:數(shù)據(jù)從 SPI 總線的從設(shè)備輸出，然后從 SPI 的主設(shè)備輸入。SCK 根據(jù)傳輸?shù)拿恳晃粊?lái)循環(huán)。SPI 中 4 線的功能如下:SCK 信號(hào)線:由 SPI 總線上的主設(shè)備產(chǎn)生。LCD 控制程序遵循 SPI 傳輸協(xié)議。 液晶顯示子程序如圖 33 所示為液晶顯示子程序流程圖，液晶顯示采用的是 Nokia 液晶屏，體積不大，當(dāng)對(duì)其初始化及復(fù)位成功后就可調(diào)用相應(yīng)的顯示子程序?qū)σ@示的內(nèi)容進(jìn)行顯示。對(duì)于電流的檢測(cè)將電流轉(zhuǎn)化為電壓進(jìn)行檢測(cè)，然后在TLC1549AD 轉(zhuǎn)換過(guò)程中轉(zhuǎn)化回電流，最后送往液晶顯示出來(lái)。 電壓電流 A/D 采樣程序設(shè)計(jì)如圖 32 所示為電壓電流采樣流程圖，先復(fù)位時(shí)序成功后，啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換口，再送十個(gè)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行串行采樣，當(dāng)?shù)谑畟€(gè)時(shí)鐘信號(hào)下降沿到來(lái)時(shí)，判斷 A/D 轉(zhuǎn)化是否完成，若采樣完成，將模擬輸入量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，送往顯示，測(cè)出電壓值、實(shí)際電流值和功率值。⑻使用 TKS 硬件仿真器對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行硬件仿真。⑹糾正程序中的書(shū)寫(xiě)和語(yǔ)法錯(cuò)誤并重新編譯連接。⑷打開(kāi)/建立程序文件。⑵為工程選擇目標(biāo)器件。尤其 C 編譯工具在產(chǎn)生代碼的準(zhǔn)確性和效率方面達(dá)到了較高的水平，而且可以附加靈活的控制選項(xiàng)，在開(kāi)發(fā)大型項(xiàng)目時(shí)非常理想。 Keil IDE μVision2 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境是 Keil Software 開(kāi)發(fā)的基于 80C51 內(nèi)核的微型處理器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，內(nèi)嵌多種符合當(dāng)前工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)工具。C 語(yǔ)言較方便，通俗易懂。CC1C14 為濾波電容，CCCCC1C12 為分別輸入端和輸出端濾波電容。經(jīng)過(guò) 220V 交流電降壓后通過(guò)整流橋的作用，之后通過(guò) 7812 輸出+12V 和通過(guò) 7912 輸出12V 的直流電壓供給運(yùn)放工作，再通過(guò) 7805 輸出+5V 的直流電壓供給單片機(jī) A/D、D/A 芯片工作。T11234DC7C97812~220V7805C12VCC618TL431R22250C147912C13C6470uFC11C1012V+12VC8圖 220 電源電路原理圖如圖 220 所示為電源電路原理圖。如圖 218 所示為 TL431 符號(hào)，圖 219 為 TL431 輸出 電壓連接圖。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從 Vref（）到 36V 范圍內(nèi)的任何值。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。短路保護(hù)。帶散熱片時(shí)，輸出電流可達(dá) 1A。利用 TL431 輸出 電壓作為輸入基準(zhǔn)源供TLC5615 進(jìn)行 DA 轉(zhuǎn)換。運(yùn)放和其它元器件也可以工作在 024V 電壓下，A/D、D/A 轉(zhuǎn)換芯片可以工作在 5V 電壓下。 電源電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)電源設(shè)計(jì)包含 3 個(gè)方面的內(nèi)容:一是電源功耗，二是電源電壓，三是電源管理。由 IRFP460MOS 管的飽和漏源電流 Id=22A 取整個(gè)電子負(fù)載設(shè)計(jì)的電流范圍為 020A，根據(jù)錳銅采樣電阻的阻值 歐姆，可算出功率的最大值為 100W，故整個(gè)設(shè)計(jì)的功率范圍為 0100W。這是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，也是電子負(fù)載的核心部分。如圖 215 所示為 N 溝道增強(qiáng)型 MOS 管的轉(zhuǎn)移特性曲線，如圖 216 所示為 N 溝道增強(qiáng)型 MOS 管的輸出特性曲線。（3）MOS 管子的耐壓比雙極型管于低、常很少超過(guò) 1000V、雙極型管子可以做到1600V 以下。（2）由于 MOS 管是電壓控制器件，它不像雙極型晶體管那樣，在基區(qū)有可能積存大量少數(shù)載流子，從而影響高速開(kāi)關(guān)。和雙極型晶體管相比，MOS 管柵極是絕緣的、在高頻工作時(shí)雖然有柵極電流存在。MOS 型晶體管的特點(diǎn)是特別適合于開(kāi)關(guān)狀態(tài)工作，因?yàn)樗驅(qū)〞r(shí)的電阻極小，而且開(kāi)關(guān)速度快，所以是一種理想的開(kāi)關(guān)元件。場(chǎng)效應(yīng)管是一種單極型晶體管，它只有一個(gè) PN 結(jié)，在零偏壓的狀態(tài)下，它是導(dǎo)通的，如果在其柵極(G)和源極(S)之間加上一個(gè)反向偏壓(稱柵極偏壓)，在反向電場(chǎng)作用下，PN 變厚(稱耗盡區(qū))，溝道變窄，漏極電流變小。方案二：采用 IRFP460 芯片，TIP122 芯片效率比方案低，總功耗相對(duì)較高。 功率耗散 MOS 管的選型方案一：采用 MTY25N60E MOS 管，它常用于電力領(lǐng)域的應(yīng)用。所以MOSFET 適合模擬一些變化速度較快，但電流不大的實(shí)際負(fù)載。用MOSFET 作可變電阻具有工作速度快，可靠性控制靈敏等優(yōu)點(diǎn)，而且既無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)，也無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，噪聲低、壽命長(zhǎng)。其次，晶體管還存在溫度系數(shù)為負(fù)的問(wèn)題，所以在使用過(guò)程中還需要考慮溫度補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。即通過(guò)將恒壓、恒流、恒阻誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，再送入邏輯或控制電路，用選中的誤差信號(hào)來(lái)調(diào)整晶體管的內(nèi)阻，以達(dá)到模擬變化負(fù)載的目的。通過(guò)基極電流可以控制集電極電流，從而可以達(dá)到控制晶體管作為一個(gè)可變負(fù)載的目的。對(duì)于 PI 調(diào)節(jié)器，如圖214 所示的 PI 調(diào)節(jié)器，取 R1R12=40K，R13=60K ,C= Kp=R13／R11= （26） TI= RC= （26） 所以本設(shè)計(jì)的 PI 調(diào)節(jié)器的 Kp 取 ，TI 取 。通常在 Kp 不變的情況下，TI 越大，即積分作用越弱，閉環(huán)系統(tǒng)的超調(diào)量越小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢。2．積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。1．比例環(huán)節(jié)即時(shí)成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。反復(fù)調(diào)節(jié)，消除穩(wěn)態(tài)誤差，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差的調(diào)節(jié)。作為控制器，比例積分調(diào)節(jié)器兼顧了快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。因此，比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，又克服了各自的缺點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，互相補(bǔ)充。此后，隨著電容 C 被充電，開(kāi)始體現(xiàn)積分作用，Uex 不斷線性增長(zhǎng)，直到達(dá)到輸出限幅值或運(yùn)算放大器飽和。R11R12R14R13OP37UfC5VREF60K40K40K12V12V K p i U i nU i nU e xU e x mtU e x0圖 213 PI 調(diào)節(jié)器 214 PI 調(diào)節(jié)器的輸出特性如圖 213 所示為 PI 調(diào)節(jié)器，PI 調(diào)節(jié)器的輸出電壓 Uex 由比例和積分兩個(gè)部分組成，在零初始狀態(tài)和階躍輸入信號(hào)作用下，其輸出電壓的時(shí)間特性如圖 214 所示，由圖可以看出比例積分作用的物理意義。這樣組成的反饋系統(tǒng)誤差很大、精度低，只能控制 MOS 管的通或斷，就只有全導(dǎo)通或全關(guān)閉兩種極值情況，很難準(zhǔn)確的消除誤差實(shí)現(xiàn)其恒流模式的控制。 PI 調(diào)節(jié)器對(duì)于電子負(fù)載的設(shè)計(jì)需要較高的精確度，同時(shí)控制 MOS 管的導(dǎo)通量的變換也需要一個(gè)不停的變化調(diào)節(jié)過(guò)程，而不是傳統(tǒng)的采用運(yùn)放比較器組成的反饋電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng) R17 上的電壓降 Uf 即實(shí)際值大于設(shè)定值 VERF 時(shí)，通過(guò)PI 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，減小 MOS 管的導(dǎo)通角，減小 MOS 管的導(dǎo)通量，使 MOS 管的內(nèi)阻增大，流過(guò)電阻 R17 的電流減小，則電壓降 Uf 慢慢減小并等于設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)電子負(fù)載的恒流工作模式；當(dāng) R17 上的電壓降 Uf 即實(shí)際值小于設(shè)定值 VERF 時(shí)。R1910KQ2IRFP46046132 785U4TLC154946132 785U5TL