直流电子负载(大赛论文).doc

0直流电子负载摘要：该系统以TI公司的MSP430g2553单片机为主控芯片，以实现具有恒压、恒流、恒阻模式的高精度直流电子负载为目的。外配置高性能、低功耗的16位A/D芯片ADS1115和12位的D/A芯片TLV5616，通过单刀双掷开关切换在恒压模式和恒流（或恒阻）模式。用键盘设定模式和相应值，单片机通过调节D/A芯片的输出，达到相应设定值，12864液晶显示可同时显示设定值、负载端电压和流过电子负载的电流，数据直观易读。经测试，完成了题目所要求的各项基本指标，并达到了全部的发挥部分要求。关键词：MSP430g2553单片机,，ADS1115 ，TLV5616，恒压， 恒流 ，恒阻 Abstract: This system of purpose is to achieve with constant voltage, and constant current, constant resistance model of high precision DC electronic load . The system is based on TI company's MSP430g2553 MCU as the main control chip, configuring high performance, low power consumption of 16 A/D chip ADS1115 and 12 bit D/A TLV5616 chip. The system is controlled in constant pressure mode and constant current (or constant resistance) mode by the SPDT switch .The single-chip microcomputer makes D/A chips produce corresponding voltage to reach set value.The LCD12864 is used as a display device, showing this setting value, output current and load terminal voltage with direct and easy to read. By test, the system completes the project of basic index, and realized all the part. Key words: MSP430g2553SCM, ADS1115, TLV5616, constant voltage, constant current, constant resistance 0 目录一、 设计要求1二、系统方案与论证22.1总体方案设计22.2主要模块方案选择与论证22.2.1主控芯片选择22.2.2电源模块选择32.2.3功率控制模块的选择32.2.4显示装置的选择3三、电路分析与设计43.1内部主电路43.1.2开关管的选择43.1.2采样电阻R的选择43.1.3运算放大器的选择43.2内部供电电路4四 、软件分析与设计44.1程序功能描述与设计思路44.2主程序流程图5五、系统测试55.1测试方法及测试条件55.2 测试结果完整性5六、 总结7参考文献7附录一：元件清单7附录二：原理图8附录三:Multism仿真截图9附录三:程序10一、 设计要求 设计并制作一台电子负载，有恒流和恒压两种方式，可手动切换。恒流方式时要求不论输入电压如何变化（在一定的范围内），流过该电子负载的电流恒定，且电流值可设定。工作于恒压方式时，电子负载端电压保持恒定，且可设定，流入电子负载的电流随被测直流电源的电压变化而变化。1基本要求（1）负载工作模式：恒压（CV）、恒流（CC）两种模式可选择（2）电压设置及调节范围：1.00V-20.0V，相对误差小于5%，调节时间小于3S。（3）电流设置及调节范围：100mA-2.00A，相对误差小于5%，调节时间小于3S。2. 发挥部分（1）增加恒阻模式（CR），测量精度5%；（2）扩大负载参数的设置及调节范围，以及精度；（3）具有自动过载保护报警设计。过载值可设。二、系统方案与论证2.1总体方案设计该系统由主控芯片模块，电源模块，键盘输入模块，A /D转换模块，D/A转换模块和液晶显示模块等模块组成。系统总体结构框图如图一：图一 系统框图 此系统以MSP430g2553作为控制器，有恒压和恒流（或恒阻）两种模式，可手动切换。工作于恒压模式时，可用键盘设定其值，利用软件PID调节D/A芯片TLV5616的电压输出，电子负载端电压保持恒定。恒流方式时，可用键盘设定其值，单片机控制D/A芯片TLV5616输出相应的电压值，通过反馈电路达到恒流。恒阻方式时，可用键盘设定其值，利用软件PID调节D/A芯片TLV5616的电压输出，电子负载电阻保持恒定。电流、电压通过ADS1115芯片采集送至单片机处理，并有12864液晶实时显示相应值，且有自动保护过载报警电路。2.2主要模块方案选择与论证2.2.1主控芯片选择方案一： 采用51单片机,优点是价格低廉、结构简单，操作方便，且可与其他处理器进行通讯。但是51单片机程序复杂，硬件误差过大，且功耗大，处理速度慢。方案二： 采用430g2553单片机，具有功能强、效率高的指令系统，以及高性能模拟技术及丰富的外围模块。方便高效的开发环境使操作更加简便，低功耗是其它类单片机难以比拟的，集成度较高，编程相对简单。 因此，我们选择方案二。2.2.2电源模块选择方案一： 使用干电池给系统供电，但电压下降严重，不利于系统的稳定性要求。另一方面，干电池无法实现重复使用，不仅浪费严重而且对环境造成很大的危害性。方案二： 使用三端集成稳压芯片7805、amss1117，7815， TPS5430，RCL7662构成的线性稳压源，设计电路简单，稳压可靠。综上论证，我们选择方案二。2.2.3功率控制模块的选择方案一： 采用双极性三极管作为功率管。三极管具有负温度系数，温度越高，导通电压越低，电流越大，热稳定性比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。方案二： 用N沟道增强型MOS管作为功率管。功率管MOS具有正温度系数，当结温度升高时通态电阻增大，有自限流作用，所以功率MOSEFT热稳定性好。 综上所述，我们采用方案二。2.2.4显示装置的选择方案一： 1602显示，1602只能显示字母和数字，能完成基本的显示功能，但是只有两行显示，并且不能显示汉字。显示不是很明白。并且只能用并行接入。占用管脚比较厉害。方案二： 12864显示，12864能显示内容丰富，并且能够四行显示，人机交互面较好。并且可以使用串行接入，节省了管脚，很好完成显示的功能。基于以上方案的比较，所以我们选择方案二。三、电路分析与设计3.1内部主电路3.1.1具体电路分析主电路原理图如附录一（2）所示，主要由采样电阻、12位DAC芯片TLV5616、16位A/D芯片ADS1115、功率管IRF540几部分等组成。大功率管可实现扩流，12位DAC输出控制电压送到运放同相输入端，将采样电阻处的电压接入反相输入端，控制DAC芯片TLV5616的输出达到各种模式的要求，电流可以通过采样电阻处的电位得出，即欧姆定律I=V/R。3.1.2开关管的选择 场效应管选用开耐压高，导通电阻小、热稳定性好的IRF560。3.1.2采样电阻R的选择电流采样电阻采用0.5的康铜丝电阻，分压相对较小，且电阻值随温度的变化小，精度高。电压采样利用精密电阻分压采样。3.1.3运算放大器的选择Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压，所以OP07在此不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07有利于放大的微弱信号电压信号。3.2内部供电电路 由TPS5430，RCL7662，LM7805等构成稳压模块，将输入电压稳定后，根据主电路需要提供内部主电路所需的稳定电压，见附录一（3）。四 、软件分析与设计4.1程序功能描述与设计思路根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示。1）键盘实现功能：输入相应设定值以及选择所要显示的电路参数；2）显示部分：显示电压值、电流值等参数；3) 通过单片机控制芯片TLV5616的电压输出达到控制各种控制参数。4) 若发生过压过流的情况，进行自动保护，并有声光报警。4.2主程序流程图 图二 软件设计总体框图五、系统测试5.1测试方法及测试条件将双掷单刀开关切换到电压模式，用键盘设定相应值，单片机通过调节D/AC的输出，达到相应设定值，改变输入电压，电子负载两端电压3s内回到设定值；切换到恒流（或恒阻）模式，用键盘设定电流值，由单片机控制D/AC的输出设定电流值，改变输入电压，3s内通过反馈电路达到恒流；在恒阻模式下，用键盘设定电阻值，达到相应设定值，改变输入电压，电子负载的电阻3s内回到设定值。5.2 测试结果完整性表 一 恒流模式下所测数据负载电流（mA）单片预定值1005007001000140017002000240027003000负载电流（mA）万用表测量值100.1399.7700.21000.61299.81600.82000.12300.82600.53000.6负载端电压（V）4.00126.001315.0056.0059.00912.01514.07816.09618.06720.189负载端电压（V）输入电压变化后8.0983.00820.0122.0894.0287.09819.09625.6009.78015.678负载电流（mA）输入电压变化后99.8399.2699.8999.81300.11599.51999.32299.82600.63000.3输出电流变化的相对误差是否小于5%表 二 恒压模式下所测数据 负载端电压（V）单片预定值1.0003.0005.0008.00012.00016.00020.00024.00027.00030.000负载端电压（V）万用表测量值100.1399.7700.21000.61299.81600.82000.12300.82600.53000.6负载电流（mA）4.00126.001315.0056.0059.00912.01514.07816.09618.06720.189负载端电压（V）输入电压变化后负载电流（mA）输入电压变化后8.0983.00820.0122.0894.0287.09819.09625.6009.78015.678输出电压变化的相对误差是否小于5% 表三 恒压模式下所测数据负载端电压（V）万用表测量值负载电流（mA）万用表测量值阻值（ ）负载端电压（V）输入电压变化后负载电流（mA）输入电压变化后阻值（） 输入电压变化后相对误差是否小于5% 误差分析：在恒流模式下，流过负载电流和设定值之间存在微小误差，一方面，可能是因为稳流闭环增益还不够；另一方面，由于采样电阻发热，阻值微变，造成输出电流具有微弱的偏差。在恒压模式下，规定时间内负载端电压和设定值之间存在微小误差，PID调节参数不够优。在恒阻模式下 ，规定时间内负载电阻和设定值有微差，PID调节参数不够优。 六、 总结经过三天三夜的努力坚持，我们小组基本实现了基本要求和发挥部分的全部功能，实现了具有恒压、恒流、恒阻三种模式的直流电子负载设计。在这三天里我们从选题到查资料、硬件设计、电路焊接、写程序，我们小组分工明确、认真负责的完成了各自的任务。在这几天里不断的进行硬件和程序的调试，也遇到困难，例如怎么确保精度，怎么确保调节时间。但是我们经过讨论和反复的调试，最终实现了所有功能。 经过此次项目的完成过程，我们更加深刻的理解了直流电子负载的原理，并且可以做到熟练的操作AD和DA芯片。而且明白了要有自己的主见，不盲从，要根据实际情况来调整自己的设计，不能照本宣科，遇到困难想的应该是解决而不是逃避。同时要有团队精神，团队之间应该相互协作。虽然辛苦，但我们坚持下来了并享受这每天突破的喜悦。 参考文献1 洪利.MPS430单片机原理与应用实例解 .北京:北京航大,2010.2 全国大学生电子设计竞赛组委会 编2010年全国大学生电子设计竞赛TI优秀作品精选集3梁明理.电子线路（第五版）M.北京：高等教育出版社，2008.4孙同景主编. Freescale9S12十六位单片机原理及嵌入式开发技术 .北京： 机械工业出版社，2008.5 黄智伟,王彦,陈文光等.全国大学生电子设计竞赛训练教程M.北京:电子工业出版社,2007.6 童诗白,华程英.模拟电子技术基础（第四版）M.北京:高等教育出版社,2009.附录一：元件清单（1）主要元件清单次序名称型号数量是否是TI公司的1单片机MSP430g25531是2电源转换芯片TPS54301是3DA芯片TLV56161是4AD芯片ADS11151是5运放OP074否6功率管IRF5601否7液晶128641否8键盘1否主要原件清单 附录二：原理图（1）内部主电路原理图 （2）内部供电电路附录三:Multism仿真截图（1）恒流模式截图（0.5A 恒流和0.5A变到1A恒流）（2） 恒压模式截图（5V恒压和5V变到15V恒压）附录三:程序（1）主要程序#include"YE.h"/dianya dianliu/float volat1=0,volat2=0;float anpei=0,volat=0;/A,Vfloat set_anpei=0;float set_anpeidata=0;float last_setanpei=0,llast_setanpei=0;int count_number=0;int set_anpeicount=0;float fuzai_justchu=0;float fuzai_justmo=0;float display_fuzaijust=0;int fuzai_flag=0;char set_anpeiflag=0;char set_anpeiflagflag=0;float shuchu1,shuchu2;float control_volatout;uchar table5="负载调整率: "char kkey;/void printd( unsigned char ch ) while(!(SCI0SR1&0x80) ; SCI0DRL=ch; void sci_dis(signed int ch0, signed int ch1, signed int ch2) printd (ch0+4000)/90+' '); printd (ch0+4000)%90+' '); printd (ch1+4000)/90+' '); printd (ch1+4000) %90+' '); printd (ch2+4000)/90+' '); printd (ch2+4000) %90+' '); void SetBusFreq_16M(void) CLKSEL=0x00;/ disengage PLL to system PLLCTL_PLLON=1;/ turn on PLL SYNR =0xc0 | 0x01; REFDV=0xc0 | 0x01; / pllclock=2*osc*(1+SYNR)/(1+REFDV)=32MHz; POSTDIV=0x00; / 4:0, fPLL= fVCO/(2xPOSTDIV) / If POSTDIV = $00 then fPLL is identical to fVCO (divide by one). _asm(nop); / BUS CLOCK=16M _asm(nop); while(!(CRGFLG_LOCK=1); /when pll is steady ,then use it; CLKSEL_PLLSEL =1; /engage PLL to system; void shijian(void) PITCFLMT_PITE=0; PITCE_PCE0=1; PITLD0=9999;/9999; /采键周期10ms (9999+1)*(15+1)/16mhz=0.001s PITMTLD0=15; PITMUX=0X00; PITINTE_PINTE0=1; PITCFLMT_PITE=1; void main(void) int i,t=0; /系统时钟函数设置 SetBusFreq_16M();/ DDRB=0xff;/液晶输出口/ DDRM=0x0f; PERM=0xf0;/高四位下拉 PPSM=0xf0;/键盘输入输出控制端口/ init12864(); uart_init(); /必须加串口初始化 EnableInterrupts; for(;) flouterone(); floutertwo(); kkey=key_jianpan(); display_volat(); display_anpei(); if(kkey='*') set_anpeidata=0; set_anpeicount=0; send_com(0,0x98); i=0; while(table4i!='0') send_com(1,table4i); i+; delay_1ms(400); if(kkey!=20&&kkey<='9'&&kkey>='0') set_anpeicount+; if(set_anpeicount=1) t=kkey-48; set_anpeidata=t; else if(set_anpeicount=2) i=t*10+kkey-48; set_anpeidata=i; else if(set_anpeicount=3) t=i*10+kkey-48; set_anpeidata=t; else if(set_anpeicount=4) i=t*10+kkey-48; set_anpeidata=i; else set_anpeidata=last_setanpei; set_anpeicount=0; delay_1ms(400); if(kkey='#') if(set_anpeidata>1000) set_anpeidata=0; anpei=(float)set_anpeidata/1000; last_setanpei=set_anpeidata; kk1=0.0006059*(set_anpeidata-6.05)-0.00215; if(kk1<0) kk1=0; last_setanpei=0; set_anpeidata=0; DAC(kk1); set_anpeicount=0; delay_1ms(400); else if(kkey='A') last_setanpei=last_setanpei+10; set_anpeidata=(int)last_setanpei/10*10; kk1=0.0006059*(set_anpeidata-6.05)-0.00215; if(kk1<0) kk1=0; last_setanpei=0; set_anpeidata=0; set_anpeicount=0; anpei=kk1; DAC(kk1); delay_1ms(400); else if(kkey='B') if(last_setanpei>10) last_setanpei=last_setanpei-10; else last_setanpei=0; set_anpeidata=(int)last_setanpei/10*10; kk1=0.0006059*(set_anpeidata-6.05)-0.00215; if(kk1<0) kk1=0; set_anpeicount=0; anpei=kk1; DAC(kk1); delay_1ms(400); else if(kkey='C') DAC(0); last_setanpei=0; set_anpeidata=0; flouterone(); fuzai_justchu=volat; fuzai_flag=1; set_anpeicount=0; send_com(0,0x98); i=0; while(table5i!='0') send_com(1,table5i); i+; delay_1ms(400); else if(kkey='D') if(fuzai_flag=1) if(set_anpeidata>1000) set_anpeidata=0; anpei=(double)set_anpeidata/1000; last_setanpei=set_anpeidata; kk1=0.0006059*(set_anpeidata-6.05)-0.00215; set_anpeicount=0; DAC(kk1); flouterone(); fuzai_justmo=volat; if(fuzai_justmo>=fuzai_justchu) display_fuzaijust=(fuzai_justmo-fuzai_justchu)/fuzai_justchu; else display_fuzaijust=(fuzai_justchu-fuzai_justmo)/fuzai_justchu; send_com(0,0x98+5); send_com(1,':'); send_com(1,(int)(display_fuzaijust*10)%10+48); send_com(1,(int)(display_fuzaijust*100)%10+48); send_com(1,'.'); send_com(1,(int)(display_fuzaijust*1000)%10+48); send_com(1,'%'); fuzai_flag=0; delay_1ms(400); display_setanpei(); _FEED_COP();/* feeds the dog*/ 18