程控直流电子负载设计..pdf

本科生毕业设计（论文） I 摘要 电子负载的原理是控制内功率MOSFET 或晶体管的导通量， 靠功率管的耗散 功率消耗电能的设备，它的基本工作方式有恒压、恒流、恒阻、恒功率这几种。 本设计从直流电子负载系统方案分析入手，详细讨论了整个系统的硬件电路 和软件实现，并给出较为合理的解决方案。为便于控制的实现和功能的扩展，采 用了 STC89C52 单片机作为核心控制器，设计了DA 输出控制电路、 AD 电压电 流检测电路、键盘电路、显示电路和驱动电路，通过软、硬件的协调配合，实现 了整个设计。通过运放、PI 调节器及负反馈控制环路来控制MOSFET 的栅极电 压，从而达到其内阻变化。 这个控制环路是整个电路的核心实质，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。控制MOS 管的导通量，其 内阻发生相应的变化，从而达到流过该电子负载的电流等恒定，从而实现四种工 作模式。 本设计能实现电子负载的恒流控制：能够检测被测电源的电流、电压及功率 并由液晶显示。 在额定使用环境下 ,恒流方式时不论输入电压如何变化（在一定范 围内） ，电子负载将根据设定值来吸收电流，流过该电子负载的电流恒定。 关键词 ：电子负载；恒流模式；PI 调节； 单片机控制 本科生毕业设计（论文） II Abstract The principle of electronic load is within the control of the power MOSFET or transistor conduction flux, the power dissipated by the power tube power consumption of the device, and its basic operating mode and constant voltage, constant current, constant resistance, constant power these types. The design of system solutions from a DC electronic load analysis, a detailed discussion of the entire system hardware and software, and gives a more reasonable solution. In order to facilitate the implementation and control of the expansion, using STC89C52 microcontroller as the core controller designed DA output control circuit, AD voltage and current detection circuit, keyboard circuit, display circuit and driver circuit, through software and hardware coordination to achieve the entire design. By the op amp, PI regulators and negative feedback control loop to control the MOSFET gate voltage, so as to change its resistance. This control loop is the core substance of the circuit, MOS tube here both as a current control device also serves as the power supply under test load. Control MOS transistor conduction flux, its resistance changes accordingly, so as to flow through the electronic load current is constant, to achieve constant current mode. This design can achieve constant current electronic load control: the ability to detect the measured supply current, voltage and power by the LCD. The rated usage environment, the constant current mode regardless of the input voltage changes (in a certain range), the electronic load to absorb the current according to the set value, the flow through the constant current electronic load. Key words:electronic load; constant-current pattern; PI regulator; SCM control 本科生毕业设计（论文） III 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 课题背景与意义 . 1 1.2 直流电子负载的应用现状 . 1 1.3 直流电子负载发展现状 . 2 1.4 系统设计要求 . 3 第 2 章 方案论证 5 2.1 电子负载的工作原理 . 5 2.2 总体设计方案论证 . 6 2.3 器件选型 . 7 2.3.1 单片机的选择 7 2.3.2 液晶显示模块 8 2.3.3 D/A 转换模块 9 2.3.4 采样模块 10 2.3.5 键盘模块 11 2.3.6 电源电路模块 11 2.4 软件设计方案 . 12 第 3 章 硬件系统设计 13 3.1 单片机最小系统设计 . 13 3.2 显示电路设计 . 13 3.3 键盘电路设计 . 14 3.4 D/A 转换电路设计 . 16 3.5 采样电路设计 . 17 3.5.1 电流采样电路 18 3.5.2 电压采样电路 18 3.6 电源电路设计 . 20 第 4 章 软件系统设计 23 4.1 PID 调节原理 . 23 4.1.1 PID 参数设置 24 4.1.2 PID 设定值的调整 24 4.2 软件介绍 . 26 本科生毕业设计（论文） IV 4.3 主程序流程图 . 26 4.4 电压电流采样流程图 . 27 4.5 显示子程序流程图 . 28 4.6 D/A 转换程序流程图 . 29 4.7 按键子程序流程图 . 30 第 5 章 系统调试 32 5.1 硬件调试 . 32 5.2 软件调试 . 33 5.3 软硬件综合调试 . 33 第 6 章 总结 35 参考文献 36 致谢 37 附录 I 38 附录 II . 39 附录 III . 46 本科生毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 课题背景与意义 在人们生活的多个领域都要用到负载测试，如充电电源试验、蓄电池放电试 验以及购买电池、电源时等都需要负载测试。当前，国内外对上述产品的试验一 般都采用传统的静态负载(如电阻、电阻箱、滑线变阻器等)能耗放电的办法进行。 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。 在电子技术应用领域，经常要对开关电源、线性电源、变压器、整流器、电 池、充电器等电子设备进行测试， 怎么对其输出特性进行可靠、全面的比较简单、 快捷的测试，一直是仪表测试行业研究的问题。传统的测试方法中一般都采用电 阻、滑线变阻器、电阻箱等充当测试负载，但这些负载不能满足我们对负载多方 面的要求，如：恒定电流的负载；带输出接口的负载；随意调节的负载、恒功率 的负载、动态负载；多输出端口的负载等。而现在新型多功能电子负载，可为测 试电源提供多种模拟负载，实际应用中对负载特性的要求进行设置，满足了我们 对负载的各种要求，解决了开发研制测试中的困难。可编程电子负载是用来测试 电源的电子设备（相当于一个真实负载） ， 其可以模拟真实环境中的负载(用电器 )， 一般对电源要求比较严格的厂家都会用电子负载来检测电源的好坏。它有好多功 能，可以调节负载大小，以及短路，过流，动态等等，应该说所有的电源厂家都 必须有。所以通过对电子负载的实际应用价值及应用领域分析，对直流电子负载 的研制意义非常大。 1.2 直流电子负载的应用现状 市面常见的直流电子负载除美国安捷伦、NHR、AMETEK ；德国的H短路保护 ;输出晶体管SOA 保护。 虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。 图 2.7 TL431实物图 本科生毕业设计（论文） 12 2.4 软件设计方案 电子负载系统的控制程序，包括以下部分: (l)人机联系程序。包括按键信息输入程序和液晶显示输出程序等。 (2)数据采集和处理程序。主要是D/A 转换程序、 A/D 转换程序、电压电流采 样程序。 本制作的电子负载，主要实现其恒流工作模式，如图1.2 所示为方案二系统 模块框图。电路的核心实质是一个电流取样PI 控制器负反馈控制环路，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。PI 控制器控制 MOS 管的导通量变化与截止， 从而达到保持电流恒定的目的。 控制部分采用 STC89C52 单片机来完成，设定值通过键盘输入送往单片机，再通过D/A 输出电路产生基准 电压送往 PI 控制器与实际电压相比较，基准电压与实际电压相比较的偏差控制 MOS 管的导通量变化与截止，从而达到保持电流恒定的目的。用A/D 转换器把 电路中的电压电流的模拟信号转换为数字信号，通过单片机来控制转化，然后用 液晶显示显示出即时的电压电流。 本科生毕业设计（论文） 13 第 3 章 硬件系统设计 3.1 单片机最小系统设计 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。在 整个电子负载系统中，主控器是系统的控制中心，其工作效率的高低关系到系统 效率的高低以及系统运行的稳定性。设计过程中用单片机作为主控制器。 单片机系统主要由晶振电路和手动复位电路组成，设计如图3.1 所示。晶体 采用的是 12MHZ 的晶振，按键 S17 为手动复位按键， 按住 10ms以上的时间单片 机就会自动的复位。 123 321 D C B A P1 .0 P1 .1 P1 .2 P1 .3 P1 .4 P1 .5 P1 .6 P1 .7 P3 .3 P3 .2 P3 .5 P3 .4 R ST P3 .7 P3 .6 P0 .0 P0 .1 P0 .2 P0 .3 P0 .4 P0 .5 P0 .6 P0 .7 P2 .0 P2 .1 P2 .2 P2 .3 P2 .4 P2 .5 P2 .6 P2 .7 V CC G ND P3 .0 P3 .1 A LE PS EN A D0 / A D1 / A D2 / A D3 / A D4 / A D5 / A D6 / A D7 / A 8/ A 9/ A 10/ A D1 1/ A D1 2/ A D1 3/ A D1 4/ A D1 5/ (RX D ) (TX D) RD W R (T2 ) (IN T1 ) (IN T2 ) X TA L1 X TA L2 V PP U 1 P1 .0 P1 .1 P1 .2 P1 .3 P1 .4 P1 .5 P1 .6 P1 .7 S1 7 R 9 10 K R 10 1K + C 1 1 0u F V CC R ST C 2 C AP C 3 C AP Y 1 X TA L1 X TA L2 P3 .3 P3 .2 p3 .5 p3 .4 V CC X TA L1 X TA L2 P3 .7 P3 .6 V CC G ND P0 .0 P0 .1 P0 .2 P0 .3 P0 .4 P0 .5 P0 .6 P0 .7 P2 .0 P2 .1 P2 .2 P2 .3 P2 .4 P2 .5 P2 .6 P2 .7 1 2 3 4 5 6 7 8 12 13 14 15 31 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 3 9 18 19 16 17 R ST 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 1 0 1 1 4 0 2 0 图 3.1 晶振及复位电路 如图所示，外部时钟方式是采用外部振荡器，外部振荡脉冲信号由单片机的 XTAL1 端接入后直接送至内部时钟发生器。复位电路为按键电平式复位电路，它 具有上电复位的功能，当加电平时电容C 充电，电路有电流流过构成回路，在电 阻 R 上产生压降， RESET引脚为高电平，当电容C 充满电后，电路相当于断开， RESET 的电位与地相同，复位结束。 3.2 显示电路设计 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 本科生毕业设计（论文） 14 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。点阵式LCD 不仅可以显示 字符、数字，还可以显示各种图形、曲线及汉字，并且可以实现屏幕上下左右滚 动、动画、闪烁、文本特征显示等功能。 本次设计中要测量实际的电压电流值，采用的是 Nokia 5110液晶显示模块可 以显示出电压电流等汉字，一面了然、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。 Nokia 5110 液晶显示特点： （1) 性价比高，可以显示15 个汉字、 30 个字符，价格相对便宜； （2) 接口简单，仅四根I/O 线即可驱动； （3) 速度快，是 LCD12864 的 20 倍，是 LCD1602 的 40 倍； （4) Nokia5110 工作电压 2.3V，正常显示时工作电流200uA 以下，具有掉电模 式，适合电池供电的便携式移动设备。 如图 3.2 所示为单片机与 LCD 通信过程。 32 P1 .0 P1 .1 P1 .2 P1 .3 P1 .4 P1 .5 P1 .6 P1 .7 P3 .3 P3 .2 P3 .5 P3 .4 R ST P3 .7 P3 .6 P0 .0 P0 .1 P0 .2 P0 .3 P0 .4 P0 .5 P0 .6 P0 .7 P2 .0 P2 .1 P2 .2 P2 .3 P2 .4 P2 .5 P2 .6 P2 .7 V CC G ND P3 .0 P3 .1 A LE PSEN A D0 / A D1 / A D2 / A D3 / A D4 / A D5 / A D6 / A D7 / A 8/ A 9/ A 10/ A D1 1/ A D1 2/ A D1 3/ A D1 4/ A D1 5/ (RX D) (TX D) R D W R (T2 ) (IN T1 ) (IN T2 ) X TA L1 X TA L2 V PP U 1 P1 .0 P1 .1 P1 .2 P1 .3 P1 .4 P1 .5 P1 .6 P1 .7 P3 .3 P3 .2 p3 .5 p3 .4 V CC X TA L1 X TA L2 P3 .7 P3 .6 V CC G ND P0 .0 P0 .1 P0 .2 P0 .3 P0 .4 P0 .5 P0 .6 P0 .7 P2 .0 P2 .1 P2 .2 P2 .3 P2 .4 P2 .5 P2 .6 P2 .7 1 2 3 4 5 6 7 8 12 13 14 15 31 32 33 34 35 36 37 38 39 18 19 16 17 R ST 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 10 11 40 20 1 2 3 4 5 6 7 8 JP1 V CC V CC G ND 液 晶 显 示 图 3.2 单片机与 LCD通信 3.3 键盘电路设计 矩阵式键盘适合于输入命令或者数据较多、功能复杂的系统。采用矩阵式键 本科生毕业设计（论文） 15 盘结构可以最大限度地使用单片机的引脚资源，矩阵式键盘适用于按键数量较多 的场合 , 由行线和列线组成 , 按键位于行列的交叉点上，节省I/O 口，因此其应用 十分广泛。 在系统设计中需要通过键盘中输入设定值，通过D/A 转化输出实际值。所以 需要有 0-9 的数字键、小数点等等按键，按键较多。 如图 3.3 所示：本系统通过矩阵电路进行按键输入，采用的是 4x4 矩阵键盘。 123 B A P3 .5 P3 .4 R ST P3 .7 P3 .6 P2 .3 P2 .4 P2 .5 P2 .6 P2 .7 V CC G ND P3 .0 P3 .1 A LE PS EN A D1 1/ A D1 2/ A D1 3/ A D1 4/ A D1 5/ (RX D ) (TX D) R D W R X TA L1 X TA L2 V PP C 2 C AP C 3 C AP Y 1 X TA L1 X TA L2 p3 .5 p3 .4 V CC X TA L1 X TA L2 P3 .7 P3 .6 V CC GND P2 .3 P2 .4 P2 .5 P2 .6 P2 .7 14 15 3 1 1 8 1 9 1 6 1 7 RST 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 1 0 1 1 4 0 2 0 4 5 6 7 8 V CC V CC G ND S1 S5 S9 S1 3S14 S10 S6 S2S3 S7 S1 1 S1 5S1 6 S1 2 S8 S4 R1 10 K R 2 10 K R 3 10 K R 4 1 0 K R6 10 K R5 10 K R7 10 K R8 10 K P0 .0 P0 .1 P0 .2 P0 .3 P 0 .4 P 0 .5 P 0 .6 P 0 .7 液 晶 +5 图 3.3 矩阵按键电路 电子负载系统中按键需要实现的功能有: (l) 0-9 数字键：本设计中采用专用的数字输入按键，每次按下数字键一次， 送往单片机，按位输入的数据提取出来，转换为十进制数据。 (2) 小数点键：本设计中精度要求较高，输入的设定值会有需要带小数点。 在第一位按键扫描后，每次按下小数点键，在按下确认键后与数字键一样通过液 晶显示显示出来。 (3)自动调节启动停止按键 :该按键把电子负载功能划分为设置和调节两部分， 没有按下该按键时，默认为功能设置，此时单片机只预置数据输入、按键查询、 预置数据 LCD 显示等功能；而当按下该按键1次后， 单片机将转为执行负载调节、 A/D 采集、实际数据 LCD 显示等功能。 (4)预置数据确定按键 :按下该按键后， 将取消其他键的功能， 并把按输入的数 据送往提取出来， 送往单片机， 之后转换为十进制数据， 通过液晶显示显示出来。 (5)复位清零键 :当输入有误时，按下该键可以清除显示屏。 按键采用逐行扫描法进行识别， 单片机逐行扫描各键， 先让每行输出低电平， 检测各列是否有低电平产生，如果检测到列有低电平输出，说明有键按下，接着 本科生毕业设计（论文） 16 让每行分别依次输出低电平， 其余行行输出高电平， 在检测每一列的低电平情况， 两次低电平的交叉处便是键按下的地方。 3.4 D/A 转换电路设计 本设计需要测出电压值、 电流值，对设定值的精确度要求较高。 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，线路板面积缩小，成本降低。 在电路设计中 REFrefin N V 2V 1024 ；其中， Vrefin为 TLC5615 的参考电压，取 1.5V，N 为输入设定值的二进制数。 VREF为到 PI 调节器与实际值相比较的基准电 压。如图 3.4 所示为 TLC5615 与反相器的连接图，见式（2-1）为 D/A 变换输出 通过一个反相器送到PI 调节器的基准电压与输入给定电压的关系。 R E F 5N V 1024 （2-1） （N 为输入设定值的二进制数） 43 1 2 3 45 6 7 8 TL C5 6 1 5 U 2 P1 .0 P1 .1 P1 .2 P1 .3 V CC V RE F +2 .5 V G ND O P3 7 R 23 1K +1 2 -12 V RE F 图 3.4 TLC5615与反相器的连接图 如图 3.5 所示为 D/A 转换输出电路原理图。 D/A 变换输出采用 TLC5615 与单 片机连接设定值通过键盘输入送往单片机，再通过 D/A 输出电路产生基准电压送 往 PI 控制器与实际电压相比较。图3.6 为 TLC5615 的时序图。 如图 3.6TLC5615 的时序图可以看出， 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。 本科生毕业设计（论文） 17 234 P1 .0 P1 .1 P1 .2 P1 .3 P1 .4 P1 .5 P1 .6 P1 .7 P3 .3 P3 .2 P3 .5 P3 .4 RST P3 .7 P3 .6 P0 .0 P0 .1 P0 .2 P0 .3 P0 .4 P0 .5 P0 .6 P0 .7 P2 .0 P2 .1 P2 .2 P2 .3 P2 .4 P2 .5 P2 .6 P2 .7 V CC G ND P3 .0 P3 .1 A LE PS EN A D0 / A D1 / A D2 / A D3 / A D4 / A D5 / A D6 / A D7 / A 8/ A 9/ A 10 / A D1 1 / A D1 2 / A D1 3 / A D1 4 / A D1 5 / (RX D) (TX D) R D W R (T2 ) (IN T1 ) (IN T2 ) X TA L1 X TA L2 V PP U P1 .0 P1 .1 P1 .2 P1 .3 P1 .4 P1 .5 P1 .6 P1 .7 P3 .3 P3 .2 p 3 .5 p 3 .4 V CC X TA L1 X TA L2 P3 .7 P3 .6 P0 .0 P0 .1 P0 .2 P0 .3 P0 .4 P0 .5 P0 .6 P0 .7 1 2 3 4 5 6 7 8 12 13 14 15 3 1 32 33 34 35 36 37 38 39 1 8 1 9 1 6 1 7 R ST 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 10 11 40 20 1 2 3 45 6 7 8 TL C5 6 15 P1 .0 P1 .1 P1 .2 P1 .3 V CC V RE F +2 .5 V G ND 图 3.5 D/A转换电路 图 3.6 TLC5615 时序图 3.5 采样电路设计 采用 10位 A/D 转换器 TLC1549 系列具有串行控制、连续逐次逼近型的模数 转换器，它采用两个差分基准电压高阻输入和一个三态输出构成三线接口。 TLC1549 采用 CMOS 工艺。 内部具有自动采样保持、 可按比例量程校准转换范围、 抗噪声干扰功能， 而且在设计时使在满刻度时总误差最大仅为3.8 mV，因此可广 泛应用于模拟量和数字量的转换电路。 TLC1549 系列器件性能优良、速度快、功耗低、精度高、可靠性好、接口简 便，实用价值高 ,同时与 10 位的 TLC5615 DA 输出基准电压精度相同，不会导致 电路精度降低。 本科生毕业设计（论文） 18 采样电路是检测和测量环节的重要技术手段，为了让负载准确工作在恒流方 式下，设计中对被测电源的输出电压和MOS 管的电流进行实时采样。 采样 A/D 选 用 10 位精度的 TLC1549,它的精度比较高。 采样电路包括电压采样电路和电流采样电路，如图3.7 所示为电压电流采样 电路原理图。从功率电路采集实际工作电压和电流，反馈到单片机，再通过液晶 显示出来，实现自动循环的调节。 3.5.1 电流采样电路 电流采样电路中， 首先借助采样电阻R17将电流信号转换为电压信号， 输出送 往 A/D 采样 TLC1549 添加一个电压跟随器，不取到放大作用。如图3.6所示，提 高电路带负载能力，取到缓冲、隔离作用。 如图 3.6 所示负载电流 I 与电流采样点电压Ua的关系为 aa 17 UU I R0.25 （3-1） 采样电阻 R17的电阻为 0.25 欧姆，为锰铜采样电阻，阻值较小，但可以承受 大功率，采样电阻分流对整个电路影响较小。 采样电阻 R17 流电压转换元件 (I/V converter)，落在 R17 上的电压降通过PI 调节器与基电压（ VERF）比较，控制 MOS 管的导通量变化与截止， 从而达到保持电流恒定的目的。 这种电阻适用于高 功率及高电流的电源供应器，电路板的电路侦测，具有稳定性佳，低温度系数， 散热性好的特性。 3.5.2 电压采样电路 电压采样电路中，由于电子负载的输入电压范围比较宽，实际工作电压较高， 采样前首先进行了分压设计。如图3.6 所示采用 1/11 的分压，输出送往A/D 采样 TLC1549 添加一个电压跟随器，没有放大作用，输出电压与输入电压相同，提高 了输入阻抗，对电路进行缓冲，起到承上启下的作用。同时取到隔离作用，减小 了电磁干扰的影响，减小了强电流功率电路对控制电路的损害。 如图 3.7 所示,被试电源两端的电压U 与电压采样点电压Ub的关系为 19 b 1918 R10K1 UUU R R10K100K11U （3-2） 所以 b U1 1 U（3-3） 本科生毕业设计（论文） 19 456 A B C Title N umb erR ev isio nSize B D ate:24 -Ju n-2 01 3Sh eet of File:C :U sersp cD esk to pMyD esig n. d d bD raw n B y : R 11 4. 0K R 14 R 13 60 K C 4 0. 75 uF O P3 7 G P3 7 G ND V RE F TL C1 5 49 1 2 3 45 6 7 8V CC U a1 G ND +1 2 +1 2 R 15 1K TL C1 5 49 1 2 3 45 6 7 8 O P3 7 V CC U b1 G ND P3 .2 P3 .3 P3 .4 V CC P3 .5 P3 .6 P3 .7 V CC R 2 0 1K 1 0 K R 10 R 18 1 0 0K +1 2 +1 2 +1 2 +1 2 R + R - R 1 0. 25 5 6 7 8VCC VRE F +2 .5 V GND O P3 7 R 2 3 1K -1 2 V RE F 图 3.7 电压电流采样电路 其输出电压的时间特性如图3.8 所示， 由图 3.8 可以看出比例积分作用的物理意义。当突加输入电压 Uin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 Uex突跳到 KPIUin。 此后，随着电容C 被充电，开始体现积分作用，Uex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=KPIUn，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。 因此，比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了 各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能够迅速响应控制作用，积分控制 则最终消除稳态偏差。作为控制器，比例积分调节器兼顾了快速响应和消除静差 两方面的要求。故PI 调节器应用在电子负载的设计中，实现对MOS 导通角的有 效控制，具有积分作用的调节器，只要被调量即电子负载电路中的实测值与设定 值之间有偏差，其输出就会不停的变化。反复调节，消除稳态误差，实现无静差 的调节。 本科生毕业设计（论文） 20 KpiUin Uin Uex Uexm t Uex 0 图 3.8 PI调节器的输出特性 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 r?e ttct（3-4） 将偏差的比例（ P）和积分（I）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控 制，其控制规律为 dt) t (e T 1 ) t (eKu(t) t 0 I p （3-5） 其中 u(t)为 PI 控制器的输出， e(t)为 PI 调节器的输入， Kp 为比例系数， TI 为 积分时间常数。 （1）比例环节即时成比例的反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生， 控 制器立即产生控制作用，以减少偏差。通常随着Kp值的加大，闭环系统的超调量 加大，系统响应速度加快，但是当Kp增加到一定程度，系统会变得不稳定。 （2）积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决 于积分常数 TI，TI越大，积分作用越弱，反之越强。通常在Kp不变的情况下， TI 越大，即积分作用越弱，闭环系统的超调量越小，系统的响应速度变慢。 本次电子负载设计， 为了较快且更加精确的消除误差。对于 PI 调节器，如图 3.8 所示的 PI 调节器，取 R11、R12=40K，R13=60K ,C=0.75uF 13 p 11 R K1.5 R （3-6） TI=RC=0.03S （3-7） 所以本设计的 PI 调节器的 Kp取 1.5，TI取 0.03S。 3.6 电源电路设计 本科生毕业设计（论文） 21 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HCPL78XX 、79XX 系列的 3 端正稳压电路和具有良 好热稳定性能的三端可调分流基准电压源TL431 实现整个电源电路的设计。利用 TL431 输出 2.5V 电压作为输入基准源供TLC5615 进行 DA 转换。 HCPL 78XX 系 列为 3 端正稳压电路内含过流、过热和过载保护电路。带散热片时，输出电流可 达 1A。具有过热保护 ;短路保护 ;输出晶体管SOA 保护。虽然是固定稳压电路， 但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。 23 1负极 6正极 8参考端 图 3.9 TL431符号 23 R 22 25 0 In pu t TL 431 C 4 0. 33 uF 2. 5V 图 3.10 TL431输出 2.5V 连接图 TL431 是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电 压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到 36V 范围内的任何值。该器 件的典型动态阻抗为0.2 ，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字 电压表、运放电路、可调压电源，开关电源等等。如图3.9 所示为 TL431 符号， 图 3.10 为 TL431 输出 2.5V 电压连接图。将 Cathode （负极）与 Reference （参考 端）连接起来，会得到VKA= Vref=2.5V， 2.5V 作为输入基准源供TLC5615DA 进行转换。 本科生毕业设计（论文） 22 1234 4321 D C B A 1 2 3 4 D 2 B RID GE 1 T1 C 1 3 0. 3 3 uF C 6 4. 70 u F C 12 0. 1u F C 1 1 0. 33 u F C 9 0. 33 u F C 10 0. 1u F C 7 0. 3 3 u F C 8 0. 3 3 u F 78 1 2 79 1 2 D 1 TL 43 1 C 14 0. 33 uF 78 0 5 2 20 -1 2 +1 2V CC 2. 5V P1 .0 P1 .1 P1 .2 P1 .3 P1 .4 P1 .5 P1 .6 P1 .7 P3 .3 P3 .2 P3 .5 P3 .4 R ST P3 .7 P3 .6 P0 .0 P0 .1 P0 .2 P0 .3 P0 .4 P0 .5 P0 .6 P0 .7 P2 .0 P2 .1 P2 .2 P2 .3 P2 .4 P2 .5 P2 .6 P2 .7 V CC G ND P3 .0 P3 .1 A LE PS EN A D0 / A D1 / A D2 / A D3 / A D4 / A D5 / A D6 / A D7 / A 8/ A 9/ A 10 / A D1 1 / A D1 2 / A D1 3 / A D1 4 / A D1 5 / (RX D ) (TX D) R D W R (T2 ) (IN T1 ) (IN T2 ) X TA L1 X TA L2 V PP U 1 P1 .0 P1 .1 P1 .2 P1 .3 P1 .4 P1 .5 P1 .6 P1 .7 S1 7 R 9 10 K R 10 1 K +C 1 10 uF V CC R ST C 2 C AP C 3 C AP Y 1 X TA L1 X TA L2 P3 .3 P3 .2 p3 .5 p3 .4 V CC X TA L1 X TA L2 P3 .7 P3 .6 V CC G ND P0 .0 P0 .1 P0 .2 P0 .3 P0 .4 P0 .5 P0 .6 P0 .7 P2 .0 P2 .1 P2 .2 P2 .3 P2 .4 P2 .5 P2 .6 P2 .7 1 2 3 4 5 6 7 8 12 13 14 15 31 32 33 34 35 36 37 38 39 18 19 16 17 R ST 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 10 11 40 20 1 2 3 4 5 6 7 8 JP1 V CC V CC G ND S1 S5 S9 S1 3S1 4 S1 0 S6 S2S3 S7 S1 1 S1 5S1 6 S1 2 S8 S4 R 1 10 K R 2 10 K R 3 10 K R 4 10 K R 6 10 K R 5 10 K R 7 10 K R 8 10 K P0 .0 P0 .1 P0 .2 P0 .3 P 0 .4 P 0 .5 P 0 .6 P 0 .7 TL C 1 2 3 4 V CC U a1 G ND R 22 2 5 0 1 2 3 45 6 7 8 TL C5 6 15 U 2 P1 .0 P1 .1 P1 .2 P1 .3 V CC V RE F +2 .5 V G ND 液 晶 显 示 +5 O P3 7 R 23 1 K +1 2