毕业设计(论文)-基于单片机的电子负载的设计.doc
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1、基于单片机的电子负载的设计摘 要:本设计以51系列单片机为控制单元,以模数转换器ADC0809测量电压电流参数,以数模转换器DAC0832输出控制电压,通过运算放大器对电流电压信号的比较放大,直接控制大功率场效管的通过电流值,吸收电源提供的大电流,从而模拟复杂的负载形式、测试电能输出装置或转换装置的输出性能。该装置解决了传统测试中用电阻、电阻箱、滑线变阻器等模拟不了复杂负载的问题,能对测试电源进行恒电阻负载测试,恒电压负载测试和恒电流负载测试。关键词:80C51单片机;电子负载;数模(D/A);模数(A/D) Design of Electronic Load Based on SCMAbst
2、ract : An equipment is introduceed in this design, which is controlled by51 series singlechip.By this equipment, voltage value and currentvalue are measured using the chip of analog to digital convertor ADC0809. The controlled-voltage value is formed by using the chip of digital to analog convertor
3、DAC0832. This equipment is called e-load. By using this equipment, the output level of some power supply systems can be tested. The device solves the traditional test using resistors, resistance boxes, slide wire rheostat, etc. can not simulate complex loading problem. The equipment can also test po
4、wer supply in constant resistance of the load test and constant voltage and constant current load test.Key Words: 80C51microcontroller; Electronicload; digital-to-analog; analog-to- digital引言在电子技术应用领域,经常要对开关电源、线性电源、UPS 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、全面且比较简单、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
5、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。现在有一种新型多功能的电子负载,可据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。1.设计概述1.1设计目的本设计主要是为了达到以下目的:(1)了解基于单片机的电子负载的设计原理和工作原理。(2)进一步熟悉和掌握单片机的内部结构和工作原理。(3)掌握单片机的接口技术及相关外围电路的设计方法。(4)通过设计,掌握以单片机为核心的电路设计的基本方法和技术。(5)通过完成一个
6、包括电路设计和程序开发的完整过程,为我们今后从事相应工作打下基础。1.2设计方案1.2.1电子负载的工作原理直流电子负载可以具备1,2恒定电流、恒定电阻、恒定电压、动态负载及短路负载等工作方式。这里我们主要介绍恒定电流、恒定电压这两种工作方式。预置负载电源(1)恒流方式 I/mA电流源 v/V图 1.1 电子负载恒定电流模式图1.1是电子负载与被测电源的连接图和外特性图。在恒定电流模式中,在额定使用环境下, 不论输入电压大小如何变化, 电子负载将根据设定值来吸收电流。若被测电压在510V变化,设定电流为100mA,则当调节被测电压值时,负载上的电流值应维持在100mA不变, 而此时负载值是可变
7、的。恒定电流模式能用于测试电压源及AD/ DC电源的负载调整率。(2)恒压方式图1.2为电子负载与被测电源连接图和外特性图3。在此方式下电子负载将吸收足够的电流来控制电压达到设计值。恒定电压模式能被使用于测试电源的限流特性。另外, 负载可以模拟电池的端电压, 故也可以使用于测试电池充电器。预置负载电压 v/V电压源 电子负载 I/mA 图1.2 电子负载恒定电压方式1.2.2 基于单片机的电子负载的设计方案根据设计任务要求,本设计要求实现恒压、恒流两种放电模式。工作模式由单片机设置并控制器控制电子负载的运行,并将采集到电源电压、电流等参数实时显示。据上面的描述,设计模块中需要有对于电源放电电流
8、和电压的实时检测电路,并通过A/D通道把数据传送给单片机进行处理,经过和设定值比较后做出判断,然后再通过D/A把判断结果传送给功率控制电路,从而实现恒流或是恒压控制。控制模式可以使用按键进行切换。采集到的电压和电流数据会实时地在显示电路中显示。本电子负载设计方案采用能耗型设计,由单片机控制功率MOS场效应管的导通程度来实现恒流、恒压的负载工作状态。电子负载的硬件设计方案框图如图1.3所示,各部分的作用和实现如下4:功率控制电路:主要是作为功率消耗器件,拟采用一组小功率的功率IRF540(100V,30A)并联组成功率消耗电路。驱动电路:主要作用是给功率MOSFET提供驱动电压由三极管放大电路组
9、成。电压检测电路:主要作用是检测被测电源的工作电压和开路电压。电流检测电路:主要是检测被测电源的放电电流,拟采用ACS750型集成电流传感器。A/D通道电流检测单片机电压检测显示D/A通道功率控制按键输入保护电路图1.3电子负载硬件设计方案框图保护电路:提供对功率管的过流和过压保护,通过电压比较器钳位门极电位来实现电压和电流的保护。单片机:单片机是整个电子负载的控制和管理中心,它主要负责按电流和电压检测电路发来的电流电压信息控制功率MOSFET的放电过程,从而达到既定的工作模式要求。D/A转换电路:将单片机给出的数字控制信号转换成模拟电压作为驱动电压供给驱动三极管。A/D转换电路:将采集到的电
10、压和电流信号转换成数字信号送到单片机。显示电路:将检测到的电流和电压实时显示在LED数码管上。按键切换电路:切换电流电压的显示以及电子负载的工作模式。2.电子负载系统硬件设计2.1单片机简介AT80C51是ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS 8位单片机5,6片内含8Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和256bytes的随机存取数据存储器(RAM)。32个I/O口线,3个16位定时/计数器,一个6向量两级中断结构,一个全双工通信口,片内振荡器及时钟电路。80系列单片机是低功耗CMOS工艺、内部含Flash存储器的特殊单片机,正是因为这特殊性,80系列单片机在产品开发及
11、生产便携式商品、手提式仪器等方面有着十分广泛的应用。P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FLASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。在FLASH编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。P0口还可作地址/数据总线使用,此时可分为两种情况。一种是以
12、P0口引脚输出地址/数据信息,这是CPU内部发出高电平信号,打开与门,同时使多路开关MUX把COU内部地址/数据总线反相后与输出驱动场效应管T2栅极接通。另一种情况由P0口输入数据,此时输入的数据时从引脚通过输入缓冲器2进入内部总线。P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被
13、内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。
14、P3口各个管脚及其备选功能如下:P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口)P3.2/INT0(外部中断0) P3.3/INT1(外部中断1)P3.4 T0(记时器0外部输入) P3.5 T1(记时器1外部输入)P3.6 /WR(外部数据存储器写选通) P3.7 /RD(外部数据存储器读选通)AT89C51的内部结构如图2.1所示图2.1 8051单片机内部结构图1,22.2电子负载硬件电路设计在所有基于单片机的设计中,有一部分电路是必须的,比如7,8时钟电路和复位电路,这里我们把它们和单片机的组合称之为单片机基本控制电路,如图2.2所示。单片机内部有一个用于构成振荡器的高增
15、益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入和输出端。而复位是使CPU和系统中其他部件都处于一个初始状态,并从这个状态开始工作。其中晶振Y1取11.0592MHz,C1,C2取22uF,C3取10uF,R1取200欧,R2取8.2千欧。图2.2 单片机基本控制系统2.2.1电压电流检测(1)电压检测电压测量电路可用串电阻分压电路即可实现对电源电压的测量,电路简单,易于实现。但因没有隔离,断路时容易引入高电压而烧坏控制芯片,所以在和A/D转换芯,片的接口应加入集成运放单元。电压测试电路如图2.4所示。图2.3 电压测量电路如图2.3所示,假设被测试电压额定值为10V,而A/D转换
16、器输入满量程为5V,则设定R3(VR1R4)的比值为1:1。考虑到本次所设计负载最大放电电压为5V,因此R3的值取零。(2)电流检测为了设计的精确度,选用一种工作于开环状态的电流传感器,ACS750型集成电流传感器,其主要性能特点及功能如下9,10:具有自校准和电流隔离功能,使用时不需对增益及偏移量微调。可检测的最大电流为75A(150),输出电压灵敏度为19.75MV/A,输出阻抗为1。采用5V电源时的静态输出电压为2.5V。且具有超低功耗可靠性高安全性好并采用+5V电源供电,电源电压的允许范围是4.5V5.5V。 ACS750的外形如图2.4所示。Ucc(1脚)、GND(2脚)分别为电源端
17、和地。Uo(3脚)为电压输出端。IP(4脚)与IP(5脚)为一次侧引脚。图2.4ACS750外形2.2.2功率MOS场效应管能耗型电子负载的基本原理是控制功率MOS场效应管的导通量(导通量占空比大小),依靠功率管的耗散功率消耗电能的设备。从经济性和可靠性的角度考虑,本文选择了一种低成本的功率MOS场效应管IRF540。IRF540是一种N沟道增强型功率MOS场效应管,可耐压100V,最大工作电流30A。它的主要特性为:典型RDS(on)=0.050,最大RDS(on)0.077,采用雪崩技术且100雪崩数据可重复。具有极低的栅电荷高电流容量和高达75的工作温度。 图2.5 MOS场效应管内部结
18、构图2.5是N沟道增强型功率MOS场效应管的内部结构图11。其中G是栅极,D是漏极,S是源极。工作时,在栅极G和源极S之间加上正电压VGS,源极电流ID将随着门源电压VGS的变化而变化。2.2.3 D/A、A/D转换电路(1)D/A转换芯片及接口技术此次电子负载设计中数模转换所用芯片为DAC0832。DAC0832是一个8位D/A转换器。单电源供电,从5V到15V均可正常工作。基准电压的范围为10V;电流建立时间为1S,CMOS工艺,低功耗20 MW。DAC0832芯片为20引脚,双列直插式封装,其引脚排列图如图2.6所示DI7DI0为转换数据输入,与单片机数据口连接。图2.6 DAC0802
19、引脚:片选信号(输入),低电平有效。ILE:数据锁存允许信号(输入),高电平有效。:第l写信号 (输入),低电平有效。上述两个信号控制输入寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式,当ILE1时为输入寄存器直通方式;当ILE1和=1时为输入寄存器锁存方式。:第2写信号(输入)低电平有效。:数据传送控制信号(输入),低电平有效。Iout1:电流输出1。Iout2:电流输出2。Rfb:反馈电阻端。DAC0832是电流输出,为了取得电压输出,需在电压输出端接运算放大器,Rfb即为运算放大器的反馈电阻端。DAC0832内部已经有反馈电阻,所以Rfb端可以直接接到外部运算放大器的输出端。Vref为基准电压,其
20、电压可正可负,范围是10V10V。DGND:数字地。AGND:模拟地。DAC0832有三种不同的工作方式:直通方式、单缓冲方式、双缓冲方式。该设计选用了单缓冲工作方式。所谓单缓冲方式就是使DAC0832的两个输入寄存器中有一个处于直通方式,而另一个处于受控的锁存方式,或者说两个输入寄存器同时受控的方式。(2)A/D转换芯片及接口技术ADC080912是一种8路模拟输入的8位逐次逼近式A/D转换器,为CMOS型单芯片器件。其内部除8位A/D转换电路外,还有一个8路模拟开关,其作用可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。转换结果通过三态输出锁存器输出。ADC0809的工作过程就
21、是12:首先输入3位地址,并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A/D转换,之后EOC输出信号变低,指示转换正在进行。ADC0809芯片为28引脚,双列直插式封装,其引脚排列如图2.7所示。ADC0809各引脚功能如下:图2.7 ADC0809引脚图D0D7 为8位数字量输出端,START 为启动信号输人端,高电平有效。ALE 为地址锁存控制信号,由低电平至高电平的正跳变将通道地址锁存至地址锁存器。通常把START和ALE连接在一起,通过程序输入一个正脉冲启动A/D转换。EOC 为转换结束信号,转换结束
22、为高电平,可作中断请求信号。OE 为输出允许控制,当OE有效时,可把内部转换的数据送往数据总线。ADC0809与单片机有3种接口方式:查询方式、中断方式和等待延时方式。电路连接及编程主要涉及两个问题,一是8路模拟信号通道选择及启动A/D转换完成及转换数据的传送。A、B、C分别接地址锁存器提供的低三位地址,只要把三位地址写入ADC0809中的地址锁存器,就实现了模拟通道的选择。途中使用的线选法,口地址由P2.7确定,同时和相或取反后作为开始转换的选通信号。因此该ADC0809的通道地址确定如下:若无关位都取1,则8路通道IN0-IN7的地址为7FF8H-7FFFH。2.2.4显示电路设计(1)单
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