广西大学生电子设计大赛直流电子负载完成日期 2010 年 9 月 12 日摘要本文介绍了电子负载的结构、原理和设计过程等。
整个电子负载由LCD显示电路、参考电压电路、D/A电路、直流恒定电流负载电路、直流恒定电压负载电路、交流恒定电流负载电路、交流恒定电压负载电路、输出电路等等电路组成。
该电子负载的原理是通过单片机AT89S51的控制，使电子负载分别工作于CC和CV模式。
在CC和CV模式下，通过单片机、DAC、运放等元件所组成反馈环路的控制功率MOSFET的导通量(量占空比大小)，以使在CC模式下，输出电流恒定、电压可变；在CV模式下，输出电压恒定、电流可变。
关键词：电子负载；AT89S51；CC模式；CV模式；反馈环路；AbstractThis article describes the structure of the electronic load, the design principles and processes. E-load from the entire LCD display circuit, reference voltage circuit, D / A circuits, constant current DC load circuit, constant voltage DC load circuit, the exchange constant current load circuit, the exchange constant voltage load circuit, output circuit and so circuit. The principle of the electronic load AT89S51 through the single-chip control, electronic load, respectively, in the work of CC and CV mode. In the CC and CV mode, through the single-chip, DAC, op amp, such as feedback loop comprising components of the power MOSFET to control the lead flux (the size of the volume of duty-cycle), so that in the CC mode, the output current constant , voltage variable; in CV mode, the output voltage constant current variable.Keywords：electronic load; AT89S51; CC model; CV mode; feedback loop;目录摘要 (1)Abstract (1)目录 (2)一、绪论 (3)二、方案选择 (4)1、系统框图 (4)2、显示模块选择 (4)3、直流恒流恒压设计 (4)4、D/A模块选择 (5)5、A/D模块选择 (5)6、单片机系统 (5)三、单元模块设计 (6)1、系统电源 (6)2、显示模块 (7)3、直流恒流恒压设计 (7)4、D/A模块 (8)5、单片机系统与A/D、键盘 (8)6、程序模块 (9)四、系统调试 (9)1、恒流电子负载测试表 (9)2、恒压电子负载测试表 (9)五、设计总结 (10)参考文献 (10)附录 (11)一、绪论电子负载即电子负荷。
凡是能够消耗能量的器件,可以广泛地称为负载。
电子负载能消耗电能，使之转化成热能或其它形式的能量。
静态的电子负载可以是电阻性(如功率电阻、滑线变阻器等) 、电感性、电容性。
但实际应用中，负载形式就较为复杂，如动态负载，消耗功率是时间函数，或电流、电压是动态的，也可能是恒定电流、恒定电阻、恒定电压，不同峰值系数(交流情况下)，不同功率因数或瞬时短路等。
电子负载就是在实际应用中负载比较复杂的情况下而设计生产的测试设备。
它能替代传统的负载，如电阻箱、滑线变阻器、电阻线、电感、电容等。
尤其对吸收恒定电流或以恒定电压吸收电流，或电压电流都要在设定范围突变等传统方法不能解决的领域里，更能显示出优越性能。
电子负载是一种起程控电能吸收装置作用的仪器。
其主要应用是对直流电源进行测试。
不过，它也可用于其它场合，如制造或研发期间的电池测试、固态半导体大功率元件测试、直流电动机测试、直流发电机测试和固态电动机控制的测试。
通常，电子负载具有允许输出电压和输出电流迅速改变的高输出阻抗。
由于电子负载要吸收能量，故常常称之为“电流吸收器”。
典型情况下，电子负载的额定值从几十瓦到几千瓦，电流额定值从几安到几百安，电压额定值从几伏到千伏左右。
电子负载有固定电流（CC），固定电压（CV），固定电阻（CR）模式，可分别用于不同的电源参数的测量。
电子负载在作为一个可变或恒定电阻时，还可以作为直流电压、直流电流的测量，而且有保护功能。
这既利于提高测量速度也方便测量。
因此，电子负载的正确使用和测试是很重要的。
今参赛题目要求制作恒压、恒流电子负载，故以下内容只讨论电子负载中恒压、恒流的设计及其制作。
二、方案选择1、系统框图2、显示模块选择方案一：采用8位LED 配以74LS164显示。
控制简单，调试方便，且串行显示占用I/O 口少；但只能显示一般的数码，不能显示字母和汉字，故不采用。
方案二：采用点阵型（128 × 64）液晶LM12864（LCD ）。
虽然占用I/O 口多，编程相对复杂点，但功能强大，可以显示汉字及简单图形，可设计出清晰的菜单，提供全面的信息，功耗低，界面友好，控制灵活，使系统智能化、人性化。
方案三：采用LCD1602液晶显示屏，虽具有显示字母效果，但是没有汉字字库且屏幕太小，显示内容有限，因此本次设计选用LM12864液晶显示屏。
3、直流恒流恒压设计方案一：采用LM7805或者LM317组成恒压（或者恒流）电路。
原理简单，但如果要输出大功率的电压，则电路将会变得复杂、难于调试，且无法达到所需的精度，故不采用。
方案二：采用晶体三极管组成恒压（或者恒流）电路，除了存在方案一的缺陷，晶体三极管的导通内阻大，难以实现自动调节电子负载的电流。
方案三：采用MOS 场效应管和LM358运放组成恒压（或者恒流）电路，由于该方案填补了方案一和方案二的缺点，电路简单明了，容易调试，且达到题目要求精度，因此本次设计采用此方案。
4、D/A模块选择方案一：采用8位的DAC0832 DA转换器，DAC0832由8位输入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A转换电路组成。
输入寄存器和DAC寄存器作为双缓冲，因为在CPU数据线直接接到DAC0832的输入端时，数据在输入端保持的时间仅仅是在CPU执行输出指令的瞬间内，输入寄存器可用于保存此瞬间出现的数据。
但由于DAC0832是并行输入，占用的I O口多，且8位的DA输入无法满足设计所需的精度。
此外，DAC0832是电流型的D/A，需要外接运放，且只有一个通道，从而使电路复杂，难以调试，精度不高。
考虑到以上缺点，故没有采用。
方案二：采用12位DAC MAX19 693 ，该芯片是串行输出，且能够满足设计的精度要求，但由于该芯片成本高，控制复杂，故而没有实用。
方案三：采用12位的TLV5616 DAC。
该芯片是串行输出且电路设计简单，编程容易，转换效率高。
采用TLV5616具有方案一和方案二的优点，又填补了它的缺点，因此本次设计选用TLV5616。
5、A/D模块选择方案一：采用8位的ADC0809，该芯片价格便宜，使用广，电路设计简单编程容易，但是精度达不到题目要求且模数转化速度相对较较慢，故不采用。
方案二：采用12位的TLV2543，该芯片有转换快，稳定性好与微处理器接口简单价格低等优点，但电路设计需要和其他芯片搭配使用，且编程相对复杂，顾不采用。
方案三：采用12位的MAX187，该芯片转换快，性能稳定，电路设计简单，串行接口，编程容易，价格相对昂贵，综合考虑使用MAX1876、单片机系统方案一：采用高档系列AVR单片机ATmega8作为本系统的控制芯片，对系统的稳定性、功能的优越性都起了很大的作用。
AVR单片机的I/O口是真正的I/O口，能正确反映I/O口输入/输出的真实情况。
I/O口有输入/输出、三态高阻输入，也可设定内部拉高电阻作输入端的功能，以便于各种应用所需(多功能I/O口)。
工业级产品，具有大电流(灌电流)10～40毫安，可直接驱动可控硅SSR或继电器，节省了外围驱动器件。
但是价格昂贵，对于此题目要求使用ATmega8控制芯片，性价比不高，故不采用。
方案二：使用AT89S51单片机系统，AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51单片机系统功能强大，稳定性高，完全可以满足此次题目要求，价格便宜，性价比高，故采用AT89S51单片机系统。
三、单元模块设计1、系统电源稳压电源运用桥式整流和电容滤波，后面输出则采用了三端稳压集成电路LM317T和LM337T作稳压处理，其中后四个二极管起保护作用,调节两个电位器可以分别调节正负输出电压的大小；同样的原理采用三端正电源稳压集成电路LM7805做稳压处理，可得到+5电源。
2、显示模块仿真原理图如下3、直流恒流恒压设计(1)、恒流设计恒流源电路是由比较放大器，调整管和采样电阻组成。
电路图如下LM358是单电源运放，采用+12 -12付电压供电，Rs（R6和R7的并联0.1）的上端引入深度负反馈到比较器的反相输入端，单片输出机数字信号经D/A数模转换的模拟电压与取样电阻Rs两端的电压形成压差，经LM358放大器放大电压配合6.2V稳压管作用开启MOS管IRFP460，便可得到稳定电流iD，iD与取样电阻乘积经OP07运放后送给A/D转换器进行模数转换输入到单片机处理，从而得到了稳定的电流。
（2）恒压设计从比较器的负端输入基准电压，反馈到正端相连，LM358同样是+12 -12付供电，有稳压管保护NOS管，免电压很大，当正端与负端之差的值经过比较器到了MOS这端打开了MOS 的开启电压，MOS正常工作，它的电阻很小，就可以实现稳压源了。