直流电子负载恒流源的设计毕业论文
学士学位论文
直流电子负载恒流源
的设计
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201 年月日（手填时间）
直流电子负载恒流源的设计DC electronic load current source
201 年月日
摘要
本设计最终实现直流电子负载恒流源的设计：在规定的使用环境中，无论输入电压在允许范围内如何变化，其输出都将按设定值保持电流恒定。输出电流的大小可以通过按键进行设定，设定值及与电路相关的物理量通过液晶LCD显示。
电子负载恒流源的基本原理是通过自动控制功率管的导通角和导通时间，依赖于功率管的耗散功率变化从而实现电路输出的电流恒定。单片机通过D/A转换后给出相应的电流作为基准电流，控制环路依赖这个基准电流和实际电流对功率管的导通角和导通时间进行控制，从而产生功率管的内阻变化最终实现输出电流的恒定。整个系统主要包括电源模块、设定数据输入模块、单片机处理模块、D/A 输出模块、反馈控制电路模块、A/D数据采集模块、显示模块，通过软硬件的协同配合来实现。
关键词：恒流源；恒流模式；PI调节器；D/A转换；A/D转换
Abstract
This design ultimately driven by the constant current source of DC voltage: used in a predetermined environment, regardless of how the input voltage is within the allowable variation range, the output will have a constant holding current setpoint. Magnitude of the output current can be set by pressing a button, the settings and the physical quantity related to the circuit via the LCD display.
Cross-flow regulator is the source of the basic principles of conduction angle and on-time by automatically controlling the power tube, power tube dissipation depends on the changes in order to achieve constant current power circuit output. Microcontroller through the D / A converter is given as a reference current corresponding current control loop depend on the reference current and the actual current conduction angle and on-time control of the power tube, resulting in changes in resistance and ultimately power tube the output current constant. The entire system including power modules, setting data input module, single-chip processing module, D / A output module, the
feedback control circuit module, A / D data acquisition module, display module, through synergy of hardware and software to achieve.
Key words:Cross-flow source; constant current mode; PI regulator; D / A converter; A / D conversion
目录
引论 ............................................................. - 1 -
1.设计任务分析及方案论证 ........................................... - 2 -
1.1系统设计任务与要求 (2)
1.2设计任务与要求分析 (2)
1.3总体设计方案及论证 (2)
2.硬件设计 ......................................................... - 4 -
2.1单片机最小系统 (4)
2.2输入模块 (5)
2.3显示模块 (5)
2.4D/A输出模块 (6)
2.5A/D采样模块 (7)
2.6PI控制器和硬件电路图 (9)
2.7电源电路的设计 (11)
3.软件设计 ........................................................ - 12 -
3.1按键输入子程序 (12)
3.2液晶显示子程序 (13)
3.3D/A转换控制子程序 (13)
3.4A/D数据采集子程序 (13)
4.系统调试 ........................................................ - 14 -
4.1硬件调试 (14)
4.2软件调试 (14)
4.3综合调试 (15)
5.结论 ............................................................ - 16 - 致谢 ............................................................ - 17 - 参考文献 .......................................................... - 18 -
附录一电路原理图 (19)
附录二设计源程序 (20)
引论
电源是我们在学习、生活、工作和研究各个领域都要用到的重要工具之一，常见的电源一般有交流电压源和直流电压源，另一方面恒流源也是我们经常需要用到的电源。
由于我们经常可以获得的电源一般为电压源，为满足日常生活和实验研究中对的需求，根据电子负载原理制作一个恒流源。它能将直流电压源转换为，操作简单输出稳定。
随着电力电子技术的、计算机技术和自动控制技术的迅速发展，为电源检测技术带来了革命性的变化。由于铁道电气化供电、电气牵引、信号控制、无线通信、计算机指挥调度中心及家庭日常生活等应用领域都在大量应用各种各样的电源，因此人们对电子负载的需求越来越多，对其性能要求也越来越高。而传统的电源检测技术面临着极大的挑战。为准确检测电源的可靠性和带载能力，因此把电力电子技术和微机控制技术有机地结合起来，实现电源的可靠检测。
电子负载可以模拟真实环境中的负载（用电器）。它有恒流、恒阻、恒压和恒功率功能，以及短路，过流，动态等等，应该说所有的电源厂家都会有用，而且也必须有。电子负载分为直流电子负载和交流电子负载，由于电子负载的应用方面问题，直流电子负载应用比较广泛，本文主要介绍其中恒流源的设计。
1. 设计任务分析及方案论证
1.1系统设计任务与要求
（1）无论输入电压如何变化（在一定的范围内），流过该恒流源的电流恒定，且电流值可设定于100mA - 2A，设置精度10mA；
能将输入电压值、设定电流值及恒流源实际输出电流值通过LCD液晶屏或LED 数码管显示出来。
1.2设计任务与要求分析
本设计要实现的功能是：不管输入的电压如何变化，输出的电流恒定在设定值保持不变，其中设定电流值可在100mA到2A内手动调节，并且将设定值、输入电压值、输出电流值显示出来。
根据功能设定，可以将系统大致分为成三个功能模块：输入模块、显示模块、控制模块。其中控制模块最为复杂，也是本设计的核心所在。
1.3总体设计方案及论证
按照系统的设计功能所要求，得出以下两种选择方案：
方案一：系统原理如图1-1所示，采用传统的电子负载设计方式，通过简单的比较器电路作为反馈来控制MOSFET的栅极电压，控制导通从而达到其内阻变化的目的。
图1-1 方案一系统设计
方案二：系统原理如图1-2所示，采用STC89C52 单片机作为核心组件控制，使用键盘输入设定电流值，D/A转换产生电压值作为参考电压控制PI调节器形成核心控制环路，对MOS管的导通角进行控制，从而达到整个电路输出的电流在输入电压改变情况下保持恒定的效果。通过A/D转换采集电路的输入电压和输出电流后将其数据直观的显示在液晶屏上。
图1-2 方案二系统模块框图
经比较上述两种方案可知，传统的设计方案主要靠硬件实现，不便于操作和调节，调节反馈电路过于简单，只能实现功率管的导通和截止两种极限状态，不能够稳定精确的实时调节功率管导通角。方案二中采用键盘输入设定电流值，并采用PI调节器做为反馈电路对功率管进行有效控制，可以实时控制其导通量，实现无静差的调节。
通过上述分析和比较，采用方案二完成本设计。
2. 硬件设计
单片机是整个系统的控制中枢，它指挥外围器件协调工作，从而完成特定的功能，硬件实现上采用模块化设计，每一模块只实现一个特定功能，最后再将各个模块搭接在一起，这种设计方法可以降低系统设计的复杂性，本系统主要硬件设计包括单片机最小系统电路、传感器电路、显示电路、按键电路、光声报警电路与输出驱动电路。
2.1单片机最小系统
核心处理器负责控制与协调其他各个模块工作，并进行简单的数字信号处理。STC89C52单片机综合了微型处理器的基本功能。按照实际需要，同时也考虑到设计成本与整个系统的精巧性，所以在本系统中就选用价格较低、工作稳定的STC89C52单片机作为整个系统的控制器。
图2-1 STC89C52单片机引脚图
如图2-1为单片机芯片引脚图，单片机最小系统就是指一个单片机能开始独立工作所需的最基本的外部电路连接，包括时钟振荡电路、复位电路。
（1）时钟振荡电路
单片机晶振的作用是为系统提供及本周的时钟信号，通常整个系统共用一个晶振，以便于各部分保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。单片机STC89C52的晶振电路采用无源晶振，微调电容取22μf，如图2-2所示。
图2-2 晶振电路
（2）复位电路
复位是单片机的初始化操作，只需给STC89C52的复位引脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟震荡周期）的高电平就可使STC89C52复位。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。上电复位是通过外部复位电路给电容C3充电加至RST引脚一个短的高电平信号，而后信号随着VCC对电容C3的充电过程而逐渐回落，即RST引脚上的高电平持续时间取决于电容C的充电时间。因此为保证系统能可靠地复位，RST引脚上的高电平必须维持足够长的时间，按键手动复位有电
2-3所示。
图2-3 复位电路
2.2 输入模块
由于本设计中只需对电流进行设定，总体相对来说控制命令较少，因此考虑采用非矩阵式键盘实现案件控制。
非矩阵式键盘结构比较简单，使用方便，适合于较少开关量的输入场合。每个按键需占用一根I/O 口线，在按键数量较多时,I/O 口浪费大, 电路结构显得复杂。并且此键盘是用于按键较少或操作速度较高的场合。
2.3 显示模块
采用数码管显示。数码管具有接线简单、成本低廉、配置简单灵活、编程容易、对外界环境要求较低、易于维护等特点。电压和电流的显示可以用数码管，但数码管显示的信息量有限，只能显示简单的数字，其电路复杂，占用的系统I/O资源较多，显示信息少，不宜显示大量信息。
考虑到本系统中显示的内容以及系统的实用性，采用液晶显示（LCD）。液晶显示具有功耗低、体积小、质量轻、无辐射危害、平面直角显示以及影响稳定不闪烁、画面效果好、分辨率高、抗干扰能力强等优点。
本次设计中要测量实际的电压电流值，采用的是LCD1602液晶显示模块可以显示出电压电流等汉字，一目了然、外观比较好看。而且液晶显示功耗低、体积小、质量轻、无辐射危害，与单片机连接较简单。
显示模块由LCD1602液晶显示屏构成，由单片机控制显示内容。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。
其引脚图如图2-4所示：
图2-4 LCD1602引脚图
2.4 D/A输出模块
本设计需要测出电压值、电流值，对设定值的精确度要求更高。所以采用1O位DAC芯片，分辨率较高。同时模拟数字转换器TLC5615采用接口简单的，使得硬件电路大为简化。
D/A 芯片具有串行接口的数模转换器，其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍。带有上电复位功能，即把DAC寄存器复位至全零。TLC5615性能价格比高，目前在国内市场很方便购买。TLC5615的特点
（1）10位CMOS电压输出
（2）5V单电源供电
（3）与CPU三线串行接口
（4）最大输出电压可达基准电压的二倍
（5）输出电压具有和基准电压相同极性
（6）建立时间125μs
（7）内部上电复位
（8）低功耗，最大仅175mW
（9）基准电压2-(VDD-2),一般取2.048v
TLC5615芯片引脚排列如图2-5所示。
图2-5 TLC5615引脚图
TLC5615的时序如图2-6所示。
图2-6 TLC5615时序图
由时序图可以看出，当片选CS为低电平时，输入数据DIN由时钟SCLK同步输入或输出，而且最高有效位在前，低有效位在后。输入时SCLK的上升沿把串行输入数据DIN移入内部的16位移位寄存器，SCLK的下降沿输出串行数据DOUT，片选CS的上升沿把数据传送至DAC寄存器。
2.5 A/D采样模块
ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口，并根据地址译码信号来选择8路模拟输入而共用一个A/D转换器。
（1）ADC0809的内部逻辑结构
如图2-7所示，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
图2-7 ADC0809内部逻辑结构图
（2）图2-8为ADC0809引脚图
图2-8 ADC0809引脚图
2.6 PI控制器和硬件电路图
（1）PI控制器原理
传统的电子负载采用的是简单的运算放大器组成负反馈回路，反馈输出控制功率管导通和阻断，使功率管工作在开和闭两个极限状态从而达到控制流通电流的功能。但由于这种方式控制下功率管只能工作在开关两种极限状态，因此本设计采用更为有效的控制环路PI控制器，电路原理图如图2-9所示。
图2-9 PI调节器图2-10 PI调节器的输出特性PI调节器的输出电压由比例和积分两个部分组成，在零初始状态和阶跃输入信号作用下，其输出电压的时间特性如图2-10 所示，由图可以看出比例积分作用的物理意义。当突加输入电压U in时，由于开始瞬间电容C相当于短路，反馈回路只有电阻R1，使输出电压U ex突跳到K PI U in。此后，随着电容C被充电，开始体现积分作用，U ex不断线性增长，直到达到输出限幅值或运算放大器饱和。这样，当单闭环调速系统采用比例积分调节器后，在突加输入偏差信号△Un的动态过程中，在输出端Uct立即呈现Uct=K PI△Un，实现快速控制，发挥了比例控制的长处；在稳态时，又和积分调节器一样，又能发挥积分控制的作用，△Un=0，Uct保持在一个恒定值上，实现稳态无静差。
PI调节器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差。采用一个电流取样PI控制器组成的负反馈控制环路，对输出电路的电流大小进行控制。MOS管在这里既作为电流的控制器件同时也作为被测电源的负载，采样电阻将输出电路中的电流转换为电压采样，并与单片机输出的参考电流进行比对，从而控制MOS管的导通量变化，改变MOS管的功耗大小，从而达到保持输出电流恒定的目的。
（2）硬件电路图
本设计硬件核心部分电路如图2-11所示，采用场效应晶体管作为控制功率管，电流采样电阻R2取0.1欧，电流取样接入PI调节器组成负反馈控制环路对MOS管的导通角和导通时间进行控制，从而实现流过MOS管电流恒定的效果。
图2-11 核心硬件图
2.7 电源电路的设计
单片机电源设计包含3个方面的内容:一是电源功耗，二是电源电压，三是电源管理。电源电压的设计主要针对系统需求的不同电压进行的电源分配，在电子负载系统中，单片机的工作电压是1.7-4.5V;运放和其它元器件也可以工作在0-24V电压下，A/D、D/A转换芯片可以工作在5V电压下。本电路设计中利用HCPL-78XX、79XX 系列的3端正稳压电路实现整个电源电路的设计。由于这些电源只是给单片机和集成运放等数字电路芯片供电，而未给大功率器件和大电流电路供电，因此电源的功耗能够满足实际要求。
图2-12 电源电路原理图
如图2-12所示为电源电路原理图。电源电路利用78XX系列集成稳压器的典型应用电路，电路为整个单片机系统提供电源。经过220V交流电降压后通过整流桥的作用，之后通过7812和7912输出+12V和-12V的直流电压供给LM358运放，之后通过7805输出+5V的直流电压供给单片机、A/D、D/A芯片工作。然后通过串联电阻分压产生2.5V的直流电压，作为D/A转换的输入基准电压，使单片机系统能够正常工作并稳定输出控制信号和采集电路信息。C1、C2、C5、C6、C10为滤波电容，C3、C4、C7、C8、C9分别为输入端和输出端滤波电容。
3.软件设计
软件设计是本次设计中不可缺少的环节，贯穿了整个毕业设计，是本次设计能够完成的最重要的环节之一。在完成了硬件电路的设计之后，依据系统设计要求和硬件电路开始系统软件部分的设计。本系统软件设计包括：主程序、系统初始化子程序、按键检测子程序、A/D采集子程序、D/A输出子程序、LCD显示子程序。首先进行模块设计，最后进行各模块的整合以完成整个软件系统。
图3-1 软件主程序流程图
主程序软件流程如图3-1所示，程序启动后软件首先进行D/A转换、A/D数据采集、LCD液晶显示、单片机硬件初始化。采用中断方式检测按键输入信息，在主程序中不断获取D/A转换数据从而实时显示硬件电路的物理量信息。当按键输入改变电流设定值时通过D/A转换对电路进行控制，达到调整输出电流的功能。
3.1按键输入子程序
按键子程序用来检测按键的状态，为用户提供一种输入方式。程序对硬件管脚的电平进行检测从而确认是否有按键按下。由于使用机械按键，会存在按键抖动从而产生判断错误，所以程序采取一定延时函数消除抖动。
本程序中共有5个按键，为了提高单片机的工作效率和快速响应按键事件，采用中断方式进行处理。当有任意一个按键按下时产生一个中断信号，进入中断响应函数，程序将在中断响应函数中检测输入引脚状态判断出是哪一个按键按下。按键按下程序识别并改变响应变量从而获取到按键事件，在其他部分中做出相应，如增加和减小电流的设定值。
3.2液晶显示子程序
本系统采用1602液晶作为显示模块，当系统刚开始上电时显示默认的电流设定值及电路输入电压和输出电流信息。液晶显示程序中主要包括以下几个函数：液晶屏初始化函数、显示单个字符函数、显示字符串函数。程序中按照需求进行相应的内容显示，可自由设定显示的位置和字符类型。详细操作可见附录Ⅱ源程序。
3.3 D/A转换控制子程序
D/A转换输出控制采用的是TLC5615，该DA芯片与单片机采用SPI协议进行数据通信，因此在使用时需要对SPI时序进行初始化，并且通过数据转换将形式上的设定电压变成对应的数字输出到TLC5615产生参考电压对硬件电路进行控制实现电流恒定。此部分包含时序初始化函数、D/A调用函数和数据转换函数。
3.4 A/D数据采集子程序
A/D数据采集子程序的作用是使单片机能够通过获取A/D转换芯片的数据从而得到外界的物理量信息，如电压的大小。获取的是二进制的采集数据，因此我们需要将对应的二进制数据对应转换成物理量的实际大小，最终将它在LCD屏直观的显示出来。
4. 系统调试
4.1硬件调试
硬件调试主要是对设计中的模拟电路部分进行功能验证和调整，参考电压直接用直流电源的电压给定，调整电路的输入电压，观察和记录电路的电流大小。测试表格如表4.1所示。
表4.1硬件调试：I=100mA测试数据
由表4.1数据可知硬件调试时，预设电流大小为100mA，改变电路输入电压1—30 V，电路的输出电流基本保持恒定为100mA设定值，改变电流设定值，按此格式多几组数据，均得出相同结果，故硬件部分正常工作。
4.2软件调试
在软件启动后实现D/A芯片和A/D芯片的工作，将按键输入模块、A/D数据采集模块、D/A转换控制模块、液晶显示模块单独功能测试并调整程序。测试液晶显示LCD1602能正常显示输入字符，单片机能正确识别按键输入的信息，A/D芯片采集的数据能够正确反映模拟电压信号的大小，D/A转换芯片能正确输出模拟电压信号。