电子负载毕业论文.doc
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1、 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,MO
2、S 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恒定,实现恒流工作模式。 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。 关键词关键词:电子负载; 恒流模式; PI 调节器; AD 转换; DA 转换 ABSTRACT The principle of electronic load is control of transistors insid
3、e power MOSFET or the guide flux of power tube, it is a consumption power equipment which depends on the dissipation power of tube, there are four basic working ways that persistence pressure, constant current, the constant resistance, constant power . This design start with the analysis of DC elect
4、ric load system solutions, it discussed the realization of the whole system hardware circuit and software in detail, and give a reasonable solution. In order to realize the control and the expansion of function conveniently, we adopted the STC89C52 microcontroller as the core controller, and designe
5、d the DA output control circuit, AD voltage current detection circuit, keyboard circuit, display circuit and drive circuit, through the coordination between hardware and software, finally, we realized the whole design. PI adjuster and negative feedback control loop of the circuit which control the g
6、rid voltage of MOSFET, so as to change its resistance. The core essences are the op-amp, MOS tube here both as a control device and as a power load tested. Controlling the guide flux of the MOS tube, the resistance of the MOS tube will change accordingly, thus the current which flows the electronic
7、load current will constant, At last, we realized constant current work pattern. This design can realize the Constant-current control of the electronic load: it can measured the current, voltage and power of Measured power and the LCD display. If it use situations in rated, no matter how the input vo
8、ltage change in the constant-current mode (within a certain range), the electronic load will be based on setting to absorb the current, the current which flows the electronic load will constant. Key words: electronic load; constant-current pattern; PI adjuster; AD transform; DA conversion 目目 录录 绪 论1
9、 第一章 电子负载系统设计方案2 1.1 电子负载工作原理.2 1.2 系统设计要求.3 1.3系统总体设计方案论证.3 1.4系统具体设计方案.5 第二章 电子负载硬件系统设计6 2.1 核心处理器的设计 .6 2.2 显示模块的设计 .7 2.3 键盘模块 .8 2.4 D/A 转换模块的选择.10 2.5 采样电路模块 11 2.5.1 电压采样电路 12 2.5.2 电流采样电路 12 2.5.3 输入的模拟量采样 13 2.6 电流取样 PI 控制器等组成的负反馈控制模块 .14 2.7 PI 调节器15 2.8 功率电路模块 17 2.8.1 电子模拟负载方式的选择 17 2.8.
10、2 功率耗散 MOS 管的选型 17 2.9 电源电路的设计 19 第三章 电子负载软件系统设计.21 3.1 电压电流 A/D 采样程序设计 22 3.2 液晶显示子程序 22 3.3 D/A 转化程序.23 3.4 键盘识别处理程序设计 24 第四章 系统调试.25 4.1 硬件调试 25 4.2软件调试26 4.3 软硬件综合调试 26 第五章 结论.27 致 谢.28 参考文献.29 附录一 整体电路原理图 .30 附录二 电子负载设计程序 .31 1 绪 论 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
11、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。 从电源类型来看,电子负载可分为直流电子负载和交流电子负载两种。直流电 子负载比起交流电子
12、负载,应用的历史较长,范围更广。最初在实验室,利用电力 电子器件的特性,通过分析等值电路,用电力电子元件搭建电子电路来模拟负载, 可以实现定电阻、定电压等特性。随后又有工作人员将单片机技术应用到电子负载 中,逐步可实现定电流模式和可编程斜率模式。单片机技术与变换器电路的密切结 合还使得电子负载可以工作在其它多种模式下:定功率模式、动态电阻模式、短路模 式等。 随着功率场效应晶体管 (MOSFET),绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和场效应晶闸管 (McT)等主要开关器件的出现以及电力电子变换器拓扑的发展,由于变换器能更好的 将一种电能变为另一种或多种形式的电能,交流电子负载也得到了实现。交流电子
13、 负载是可以模拟传统真实阻抗负载的电力电子装置,它能模拟一个固定或变化的负 载,甚至将试验的电能反馈回电网,其设计初衷是交流电源出厂试验。交流电源出 厂试验通常采用电阻箱耗能的办法,它存在调节不便、自动化程度低、耗电量大等 缺点,而采用交流电子负载进行试验可有效克服这些缺点,它可使试验更加简单、 灵活,且大大降低试验的成本。 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,本文主要介绍直流电子负
14、载。 电子负载与传统的模拟电阻性负载相比具有节能、体积小、重量轻、成本低、 效率高等优点,由于电子负载所具有的性能特点和优点,电子负载被越来越多地应 用到各种试验场合。因此,电子负载的研究具有广阔的市场和广泛的应用前景。 东华理工大学毕业设计(论文) 第一章 电子负载系统设计方案 2 第一章 电子负载系统设计方案 1.1 电子负载工作原理 电子负载用于测试直流稳压电源、蓄电池等电源的性能。电子负载的原理是控 制内功率 MOSFET 或晶体管的导通量(占空比) ,靠功率管的耗散功率消耗电能的设 备,它能够准确检测出负载电压,精确调整负载电流,同时可以实现模拟负载短路,模 拟负载是感性阻性和容性,
15、容性负载电流上升时间。它的基本工作方式有恒压、恒流、 恒阻、恒功率这几种。 (1)恒定电流方式 在定电流模式中,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的。定电流模式能用于测试电压 源及AD/ DC电源的负载调整率。负载调整率是电源在负载变动情况下能够提供稳定 的输出电压的能力, 是电源输出电压偏差率的百分比。 (2)恒定电阻方式 此种状态下,负载如纯电阻,吸收与电压成线性正比的电流。此方式适用于测 试电压源,电流源的启动
16、与限流特性。 在定电阻模式中, 电子负载将吸收与输入电压成线性的负载电流。若负载设定 为1 k, 当输入电压在110 V 变化时, 电流变化则为10100 mA 。 (3)恒定电压方式 在定电压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。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。 (4)恒定功率方式 在定功率工作模式时,电子负载所流入的负载电流依据所设定的功率大小而定, 东华理工大学毕业论文(论文) 第一章 电子负载系统设计方案 3 此时负载电流与输入电压的乘积等于负载功率设定值,即负载功率保持设定值不变。 本电子负载
17、机实现了在恒流模式下一定范围内的正常工作,PI 调节器的基准电 压由单片机 D/A 转换输出。用 A/D 转换器与单片机连接把电路中电压电流的模拟信 号转换为数字信号,然后用液晶显示方式显示出即时的电压电流。 1.2 系统设计要求 根据电子负载的原理,设计出实现恒流模式下的电子负载:能够检测被测电压 型电源的电流、电压及功率并由液晶显示。在额定使用环境下,恒流方式为不论输入 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。 设计出最大功率为 100W,电流 O 一 20A,电压 O 一 50V 的直流电子负载。 1.3系统总体设计方案论证 根据系统的
18、设计要求,得出以下三种方案: 方案一:如图 1-1 所示,运用传统的电子负载设计方式,通过比较器的比较结 果及反馈来控制 MOSFET 的栅极电压,从而达到其内阻变化的目的。 方案二:如图 1-2 所示,采用了单片机作为核心控制器,设计了 AD 电压电流检 测电路、键盘电路、液晶显示电路和驱动电路,ATmegal6 单片机为核心处理器。键 盘、串口通讯和 LCD 实现人机交互,MOS 管电路为电子负载主电路。单片机输出一 定占空比的 PWM 控制信号,控制功率电路 MOS 管的导通和关断时间,来获得实际所 需的工作电流、电压。电路中的检测电路为电压、电流负反馈回路,通过 A/D 采集 到单片机
19、,与预置值进行比较,作为单片机进一步调节 PWM 占空比的依据。 东华理工大学毕业论文(论文) 第一章 电子负载系统设计方案 4 图 1-1 传统的电子负载设计 显 示 按键输入 单 片 机 A/D 转 换 PWM 控制 电流检测 电压检测 功率控制 图 1-2 方案二系统设计模块 方案三:为便于控制的实现和功能的扩展,如图 1-3 所示为新型电子负载设计 系统模块框图。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、液晶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,是整个电
20、路的核 心实质,来控制 MOSFET 的栅极电压,从而达到其内阻变化。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,通过 PI 调节器控制 MOS 管的导通量,从 而达到流过该电子负载的电流恒定,实现恒流工作模式。 STC89C52 单 片 机 LCD显示 键 盘 D/A转化PI调节器MOS管 被测 电源 电流检测A/D转化 电压检测A/D转化 Verf R R Uf R 图 1-3 方案三系统模块框图 东华理工大学毕业论文(论文) 第一章 电子负载系统设计方案 5 经过比较,传统的设计方案主要靠硬件实现,成本较高。而且采用运放进行比 较控制 MOS 管只有通和断两种情况,不
21、能实现逐渐改变 MOS 管导通角的变化,不易 控制。方案二通过单片机输出一定占空比的 PWM 控制信号,控制 MOS 管的导通和关 断时间,来获得实际所需的工作电流、电压。这对于占空比的细调节不易控制,误 差较大。方案三采用通过软、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,能够较精确的控制 MOS 管的导通量,实现无静差的调节。 故整个设计采用方案三。 1.4 系统具体设计方案 电子负载系统由软、硬件共同组成。考虑到价格、工作速度、开发成本和可靠 性等因素,合理地分配了硬件和软件资源,对于某些既可用硬件实现,又可用软件 实现的功能,在进行设计时,充分考虑了硬件和
22、软件的特点,高效地分配其资源, 协调其功能。 电子负载系统的硬件部分包括以下部分: (1) 单片机的选择与 I/O 的分配 (2) 液晶显示模块 (3) 键盘模块 (4) D/A 转换模块 (5) A/D 转换电压电流采样模块 (6) 电流取样 PI 控制器等组成的负反馈控制模块 (7) 电源电路模块 电子负载系统的控制程序,包括以下部分: (l)人一机联系程序。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 1-3 所示为方案三系统模 块框图。电路的核心实质
23、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 DA 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。 东华理工大学毕业论文(论文) 第一章 电子
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