2020年简易电子直流负载精编版简易直流电子负载（C题）摘要：本系统设计的是恒流（CC）工作模式的简易直流电子负载，是以单片机STC89C52为主控芯片，包括控制器、独立按键、显示电路、MOSFET功率电路、恒流电路、电压电流检测电路和保护电路。
由单片机输出给定的电流值，并经过运算处理控制D/A输出，控制MOSEFT漏极电流，从而使直流电子负载的电流处于设定值。
设计着重阐述了系统框架、工作原理、软硬件设计，并给出了系统测试表。
测试结果表明，该系统具有稳定性强、调节速度快的特点，很好的满足了提出的性能指标。
关键词：电子负载；恒流；功率电路；信号处理1.系统方案论证1.1各种方案比较与选择1.1.1主控器模块的设计方案与选择方案一：采用纯硬件控制电路，虽然避免了软件的设置，但电路难度增加，且成本也高，也不利于实时调整电路。
方案二：采用单片机STC89C52。
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。
在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
且指令代码完全兼容传统8051。
综合考虑选择方案二以宏晶单片机STC89C52为核心，组成单片最小系统。
1.1.2 显示模块的设计方案与选择方案一：采用数码管显示。
数码管成本较低，对环境要求低，编程也容易。
但所显示的信息量有限，一般信息量越大，占的I/O口也越多。
方案二：采用1602液晶显示。
采用液晶显示，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强。
功耗也低，显示的信息量也多。
根据题目要求，需要显示电压、电流等多种信息，数码管已不能满足要求故选择方案二，本系统采用的点阵式LCD型号为1602。
1.1.3 MOSFET功率电路的设计方案与选择方案一：采用IRF540场效应管。
IRF540属于高电压，大电流的N通道增强型场效应功率晶体管，栅极电压与漏极电流关系如图2所示。
图1 栅极电压与漏极电流关系方案二：采用TI的CSD17505Q5A。
N 通道MOSFET管。
栅极电压与漏极电流关系如图3所示。
图2 栅极电压与漏极电流关系基于题目要求，电流的范围为100MA-1000MA，在此范围内，CSD17505Q5A栅极电压与«Skip Record If...»关系的线性度要比IRF540好的多，故选择方案二。
1.1.4 信号处理电路的设计方案与选择（1）A/D转换电路方案一：采用ADC0804。
ADC0804属于连续渐进式的A/D转换器，模拟输入电压的范围0~+5v，分辨率只有8位。
方案二：采用TI的ADS1115IDGSR 。
ADS1115IDGSR是具有内部基准的超小型、低功耗、16位模数转换器。
封装尺寸要小 70%，14 倍的采样速率支持严苛的测量要求。
根据设计要求，电压的测量精度要达到0.02%，分辨力为1mv，通常10位A/D芯片无法满足题目的要求，而16位模数转换器满足题目的技术要求，并且ADS1115IDGSR是比赛提供的材料，而且ADS1115IDGSR是比赛提供的材料，故选择方案二。
（2）D/A转换电路方案一：采用DAC0809。
DAC0809是并行8位数/模转换器，占用端口多，转换频率低于1M。
方案二：采用TI的TLC5616。
TLC5616是串行12位数/模转换器，占用端口少，转换频率高。
两者相比TLC5616的速度快，由于题目要求的分辨力分别为1mv和1mA，通常8位的D/A芯片无法满足题目的要求，而12位数模转换器满足题目的技术要求，并且TLC5616又为比赛提供的材料，故选择方案二。
2.系统硬件设计2.1系统的总体设计2.1.1 总体思路利用单片机及其外围电路，包括独立按键、液晶显示等。
按键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，模块化实现恒流，并加入自动过载保护。
2．1.2直流电子负载结构框图图3 直流电子负载结构框图2.2 主控电路的设计主控电路主要由STC89C52单片机系统，DA、AD转换电路等构成。
它可实现负载电流的设定，«Skip Record If...»电流的动态稳定以及负载电压过压保护等功能。
主控电路原理图如图5所示。
图4 主控电路原理图2.3 恒流电路的设计本设计通过单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器转换成模拟量，再经过射极跟随器隔离，输出至场效应管的栅极，控制场效应管漏极电流，漏极电流的大小通过键盘设定。
当电路由于某种原因导致«Skip Record If...»上升，电阻上的电压«Skip Record If...»上升，通过A/D转换芯片，实时把电流值转化为数字量，再经单片机分析处理，减小输出量，再经过D/A转换器转换成模拟量通过数据形式的反馈环节，使电流更加稳定，电子负载主电路如图5所示。
图5 电子负载主电路2.4 过压保护电路的设计负载的电压经电阻分压，取得比较电压，送到比较器LM358中于基准电压进行比较，低于基准电压，输出高电平，反之，则输出低电平，该电平加至场效应管的栅极使漏极电流减小。
REF5025为比较器提供2.5V的基准电压，由专门的基准电压芯片可以使保护电路更加精确。
过压保护电路如图6所示。
图6 过压保护电路3.系统软件设计3.1程序总体设计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。
主程序流程图如图7所示。
图7 主程序流程图3．2 恒流电路流程图流程图如图8所示。
图8 恒流电路流程图4.系统的组装与调试4.3系统的测试4.3.1 测试仪器数字万用表VICIOR 8145B,万用表VC101,直流稳压电源GPS-3303C4.3.2 测量数据记录表1 负载端电压与预置电流的关系表2 负载变化时的测试4.4测试结果及其分析由数据表明，在恒流（CC）模式下，不管电子负载两端电压是否变化，流过电子负载的电流为一个设定的恒定值。
经计算，相对误差小于1%。
说明系统在恒流模式下工作正常。
5.结论经过团队的不懈努力，我们实现了题目的设计要求，在某些性能参数上超过了题目的要求。
贴片Mos管的散热是一个很头疼的问题，想了很久也没有一个很满意的方案，另外A\D、D\A的芯片都是以前没有接触过的，网上的资料也很少，增加了编程的难度。
且由于时间紧，工作量大，还有很多需要改进的地方，例如系统的整体布局，布线的合理性等都需要今后不断的实践。
这次竞赛极大的锻炼了我们，结果是美好的但过程总是艰辛的。
正是这种困境不断的提高了我们解决问题的能力。
我们将不断的挑战自己，取得更大的收获。
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