直流电子负载报告()

摘要

本系统主要以89S52单片机为控制核心。恒流方式时不论输入电压如何变化（在一定范围内），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。工作于恒压模式时，电流随电压变化，并且其比值为一固定不变的常数，且可设定.ADC0832采集数据，在数码管上显示数据，并可手动切换恒流恒压横阻工作模式。

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一、系统方案

1、方案比较与选择

（1）恒压模式设计

方案一：使用开关稳压电源方式。这种方式效率较高，应用也比较普遍。但在实际测试的过程中，发现纹波较大，不易控制。故不采用此方案。

方案二：采用晶闸管，通过控制电路改变晶闸管导通角以实现恒压工作方式，性能稳定。但价格较高，不宜使用。

方案三：采用LM324组成比较器，三极管上的电压经过R1与R2的分压送入运放正向输入端与给定值比较。

（2）恒流模式设计

方案一：采用电流互感器对电流回路上器件的磁场进行反馈，构成恒流模块。然而该电路的实现形式比较复杂，考虑到竞赛的时间限制，不采用此方案。

方案二：采用恒流二极管构成恒流模块，简单易行。但恒流二极管的恒流特性并不是非常好且电流规格比较少，价格又比较昂贵。故此方案也不可行。

方案三：选用运放LM358，将反相端输入端与输出端采用负反馈电路，在反馈电路中加入可调电阻，使得取样电阻上的电流可以微调，实现输出电流与理论值相同，大大提高了输出电流的精度，又由于运放的同相输入端的信号来自与数模转换模块的运放输出，稳定度很高。所以采用方案三。原理图如图所示，图中输出端取样电阻为0.5欧大功率电阻；

（3）恒阻模式设计

方案一：可以在恒流电路的基础上通过MCU检测到的输入电压来计算电流，达到恒阻的目的。但这种方法响应较慢，只适用于输入变化较慢，且要求不高的时候，所以不予采用。

方案二：搭建硬件电路实现。通过可调电阻分压，并使用运放构成反馈，经过三极管调整电路达到恒阻效果。选用方案二。

（4）负载参数调节设计

方案一：人工预置。使用电位器设置负载参数。电位器调节较为麻烦，且数值不宜掌控，偏差较大。不予选用。

方案二：数字程控设置。运用单片机采集I/U数据，简洁清晰，精度较高。故选用方案二。

2、总体方案描述

（1）系统工作流程框图

（2）总体思路

利用单片机及其外围电路，包括4×4矩阵键盘、液晶显示等。键盘设定负载参数并显示，搭建电压/电流检测、电压/电流比较以及功率控制电路，模块化实现恒压、恒流、恒阻，并加入自动过载保护。用单片机切换不同的工作状态。（3）总体电路图见附录一

二、电路设计

1、硬件设计及理论计算

（1）单片机与运放供电

变压器通过整流、滤波、稳压产生所需电压。

图1（见附录一）中电路提供±15V电源，主要用于运放电路。

图2（见附录二）中电路提供+5V电源，用于单片机、液晶显示、键盘。

（2）恒压模块

选用运放LM358，将同相输入端与输出端采用正反馈电路，在反馈电路中加入电阻，R1与R2并联实现分压。使得取样电阻上的电压稳定，实现输出电压与理论值相同。又由于运放的反相输入端的信号来自于单片机的输出，稳定度与精度均很高。原理图如图3所示。单片机设定负载参数。A点电压恒满足①式

U A=2U0 ①

例如当单片机给出2V电压时，A点电压为4V。Q2为大功率三极管，利用Q1放大电流驱动Q2形成反馈。此时调节待测电源输入电压值，经过调整电路，A 点电压保持4V不变。

（3）恒流模块

选用运放LM358，将反相端输入端与输出端采用负反馈电路，运放的同相输入端的信号来自于单片机的输出，稳定度与精度均很高。原理图如图所示，图中输出端取样电阻为0.5欧大功率电阻，受热情况下其阻值改变不大。单片机设定负载参数。B 点电流恒满足②式

I B =U 0/R 1 ②

例如当单片机给出1.0V 电压时，B 点电压也为1.0V ，R1等于0.5Ω。通过两个放大器调整电路，此时无论待测电源输入为何值，B 点电流恒为1V/0.5Ω=2A 。

（4）恒阻模块

CD 段电流较小，可以忽略不计，所以LM358同相输入端电压 U +=I ·R 5

电阻R4可以分压，CD 段分得的电压等于U +。所以有 U CD =U +=I ·R 5

a%U11R5I 1a%⎛

⎫=+∙ ⎪-⎝⎭

③

显然U 1与I 成比例关系，所以电阻值恒定。

（5）比较和检测电路分析

连接运放LM324形成反馈构成比较器，通过AD 芯片检测电路。 （6）功率控制方法

如图3、4所示，为了提高电路中电流的大小，我们采用三极管S9014放大电流，驱动中功率三极管TIP41C 起到功率控制的作用。同时用到了散热器，提高了整个电路的工作效率。

恒功率电路：

恒功率功能大部份电子负载都采用恒流电路来实现，原理是MCU 采样 到输入电压后根据设定的功率值来计算输出电流。当然也可以采用硬件 方法来实现恒功率功能，下面是硬件恒功率功能方块图：

R4

10k Ω Key=A

a%

（7）自动过载保护设计

当负载电流增大时，取样电压增大，LM324反相输入端电压增大，电流继续增大。当反相端电压大于所设定过流保护电流的基准电压(同相端输入电压)时，LM324输出低电平，与场效应管共同作用使得负载电流减小，起到过流保护作用。

2、软件设计及流程

此电子负载除了要完成作为负载的功能以外，还要实现I/U 数据采集、测量与显示的任务。且显示分辨力至少具有三位数，相对误差小于5%。 软件流程图:

LM324

D1

1N4143

R6

18k Ω

5V

○