2012年“TI”杯浙江省大学生电子设计竞赛简易直流电子负载（C题）
【本科组】
2012年8月8日
直流电子负载与传统的模拟电阻性负载相比具有节能、体积小、效率高等优点，在电源，通讯，汽车，蓄电池等领域得到了较好的地应用，并已成为当前研究的热点。

直流电子负载由数字控制、检测与驱动电路和显示模块等。

数字控制MOS 管或晶体管的导通量，实现对电源参数的稳定控制。

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。

为了便于控制的实现和功能的扩展，采用了freescale单片机作为核心控制器，设计了控制电路、检测电路，键盘电路、显示电路，通过比较法和模糊控制技术及软硬件的配合，实现了整个电路的设计。

关键字：直流电子负载单片机AD采样DA采样
1系统方案 ............................... 错误!未指定书签。

1.1单片机模块的论证与选择............ 错误!未指定书签。

1.2AD模块的论证与选择................ 错误!未指定书签。

1.3控制系统的论证与选择.............. 错误!未指定书签。

2电路与程序设计 ......................... 错误!未指定书签。

2.1系统总体框图...................... 错误!未指定书签。

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2.2电路原理图........................ 错误!未指定书签。

2.2.1单片机及外围电路电路原理图... 错误!未指定书签。

2.2.2硬件闭环控制电路原理图....... 错误!未指定书签。

2.2.3电压电流采样电路的原理图..... 错误!未指定书签。

3.2程序的设计........................ 错误!未指定书签。

3.2.1程序功能描述与设计思路....... 错误!未指定书签。

3.2.2程序流程图................... 错误!未指定书签。

4测试方案与测试结果...................... 错误!未指定书签。

4.1测试方案.......................... 错误!未指定书签。

4.2测试条件与仪器.................... 错误!未指定书签。

4.3测试结果及分析.................... 错误!未指定书签。

4.3.1测试结果(数据) ............... 错误!未指定书签。

4.3.2测试分析与结论............... 错误!未指定书签。

本页为题目要求全文
简易直流电子负载（C题）
【本科组】
1系统方案
本系统主要由单片机模块、AD采样模块、控制系统组成，下面分别论证这几个模块的选择。

1.1单片机模块的论证与选择
方案一：选择STC89C52作为主控芯片，STC89C52周期比较慢，使系统反应比较慢。

方案二：选择MSP430G2553作为主控芯片，这款单片机的虽然周期是比STC89C52快，但是为了实现能用液晶12864显示，电路中的电压和电流，使用端口不够。

方案三：选择freescale的S12XS128作为主控芯片，这块芯片不但总线频率能超频到80MHZ，这是一个非常快的反应速度，再加上有100多个引脚，完全可以满足系统控制的要求。

综合以上三种方案，选择方案三。

1.2AD模块的论证与选择
方案一：使用单片机内部12位AD采集电压
单片机的内部12位AD，由于题目要求的精度比较高，12为的分辨率比较低。

方案二：使用外接16位AD采集电压ADS1115
首先ADS1115芯片，完全可以达到题目中要求的精度，然后ADS1115是4通道AD转换，有就是受一块芯片可以完全采集电压和电流。

综合以上两种方案，选择方案二。

1.3控制系统的论证与选择
方案一：利用可调电阻的电压，控制恒流的输出
使用可调电阻上面所分到的电压作为基准电压，也就是硬件上实现了一个闭环控制，从而达到回路中电流的恒定，但是利用可调电阻，分得的电压很难达到一个自己想要的恒定电流。

方案二：利用单片机控制外接DAC7512芯片模块，输出的电压作为基准电压，控制恒流输出
利用单片机来控制12位的DAC7512，可以是电压输出更加的稳定，也可以用过按键来调节电压的输出，并可以精确的计算出电压的值。

是你调节起来更加的方便，和快捷经过我们的考虑最终选择的通过DAC7512芯片来实现对基准电压进行控制，来实现恒流的目的。

2电路与程序设计
2.1系统总体框图
2.1.1系统总体框图
系统总体框图
单片机是使用reescale的S12XS128芯片，ADC转化芯片是使用了16位ADS1115，DAC转换芯片是使用了DAC7812芯片，显示是用了液晶12864
2.2电路原理图
2.2.1单片机及外围电路电路原理图
单片机及其外围电路，主要包括了S12XS128最小系统板、ADC模块、DAC模块、电源模块
按键模块以及液晶显示模块等。

电源模块：为了使DA和ＡＤ输出的稳定性，再加上我们所选用的ＡＤ和ＤＡ的芯片的参考电压为芯片的供电电压，所以给AD和DA芯片供电必须得稳定，最终决定使用了LM1117芯片稳压到3.3V给AD和DA芯片供电。

单片机及外围电路电路的PCB
2.2.2硬件闭环控制电路原理图
硬件闭环控制：通过J1脚上给定的电压，通过比较器，当给定电压大于R8采样电阻两端电压时，MOS管进行导通，电流上升，随后是R8采样电阻上的电压增大，那采样电阻的电压大于给定电压是，MOS管关断，电流下降，降到给定的电压以下是，MOS又导通，从而形成了闭环控制。

这样可以使采样电阻上电压稳定，根据欧姆定律，计算出流过回路的电流。

电流=电压/电阻，从而达到恒流的目的。

2.2.3电压电流采样电路的原理图
电压采集：将要采集的电压，首先通过电压跟随器进行隔离，然后在通过放大电路放到两倍给AD进行采集，根据AD读回去的数据，通过参考电压进行计算，得到电压值。

电流采集：将采样电阻的电压，首先通过电压跟随器进行隔离，再RC滤波，然后在通过放大电路放到21倍给AD进行采集，根据AD读回去的数据，通过参考电压进行计算，得到采样电阻两端电压值，将电压值除以采样电阻的阻值，得到电流值。

电压电流采样电路的PCB
3.2程序的设计
3.2.1程序功能描述与设计思路
1、程序功能描述
可以实现恒流100MA跳变
可以实现恒流10MA跳变
可以实现恒流1MA跳变
自动电压测量
自动电流测量
负载调整率自动计算
根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示
1）键盘实现功能：模式的切换，电流设定值的增减
2）显示部分：显示电压值，显示电流值，显示电流设定值，显示负载调整率
2、程序设计思路
首先初始化I/O、DA、AD、按键，然后分别对DAC7512输出基准电压，用ADS11155进行电流采集，读取按键的值并送入单片机，最后用12864液晶显示电压值，显示电流值，显示电流设定值，显示负载调整率
3.2.2程序流程图
1、主程序流程图
4测试方案与测试结果
4.1测试方案
1、硬件测试
首先分模块搭建硬件电路并分别测试成功，然后将分立的模块搭建在一起测试整体功能。

经测试，我们的电源模块、功耗模块、单片机控制模块以及信号检测放大模块均工作正常。

2、软件仿真测试
软件测试我们选择在搭好的硬件上直接测试，结果正常。

3、硬件软件联调
软件测试我们选择在搭好的硬件上直接测试，结果正常。

4.2测试条件与仪器
输出0-30v和3A电源
带宽40M数字示波器
4位半数字万用表
4.3测试结果及分析
经过测试，系统各部分均工作正常。

电流设置可以做到步进100MA，10MA以及1MA 的步进值。

在输出电流100MA～700MA时，误差可以控制在1%以内。

在大电流工作时，误差小于2%。

同时系统具有过压保护功能和开路工作模式，具有测试电源负载变化率功能。

4.3.1测试结果(数据)
4.3.2测试分析与结论
根据上述测试数据，系统电流在0～1A内可调，设置步进有100MA、10MA，在横流工作模式下具有开路设置，当电子负载两端变化10V时输出电流基本不变，具有过压保护功能。

具有测量并实时显示电子负载两端电压，流过电子负载的电流的功能。

具有自动测量负载调整率的功能由此可以得出以下结论：
1、恒流工作模式的电流设置范围为100MA~1000MA,设置分辨率为10MA，工作在开路模式，电流为0MA。

2、在恒流工作模式下，当电子负载两端变化10v，输出电流变化的绝对值小于变化前电流值的1%。

3、能比较精确的显示电压以及电流值。

综上所述，本设计达到设计要求。