第十二届“挑战杯”中国大学生课外学术科技作品竞赛江西赛区参赛作品作品名称：电子负载机的设计参赛姓名：肖新清、侯飞、邓玉龙参赛类别：科技发明制作B类二〇一一年四月电子负载机的设计目录摘要 (2)引言 (2)1 电子负载的原理概述 (3)1.1 定电流模式（CC mode） (3)1.2 定电压模式（CV mode） (3)1.3 定电阻模式（CR mode） (4)1.4 定功率模式（CP mode） (4)2 电子负载硬件系统设计 (4)2.1 电子负载机设计模块方框图 (5)2.2 单片机的选择及应用 (5)2.3 D/A转换芯片 (6)2.3.1 TLC5615的特点 (6)2.3.2 TLC5615引脚说明 (6)2.3.3 TLC5615的时序分析 (6)2.4 A/D转换芯片 (7)2.4.1 工作原理： (7)2.4.2 输入的模拟量采样： (8)2.4.3 数字量的传输： (8)2.5 液晶显示模块 (9)2.5.1 SPI接口时序写数据/命令 (10)2.5.2 Nokia5110的初始化 (10)2.5.3设置Nokia5110液晶的坐标 (10)2.5.4 显示英文字符 (11)2.5.5 显示汉字 (11)2.6 MOSFET场效管的应用 (11)2.6.1 MOS型场效应管的特点 (11)2.6.2 MOS型场效应管的输出特性曲线 (11)2.6.3 MOS型场效应管的选型 (12)2.7 按键识别电路 (12)2.8 集成运算放大器的应用 (13)3 系统软件设计 (14)3.1 主程序流程图 (14)3.2 D/A基准电压输出子程序设计 (14)3.3 电压电流检测程序设计 (14)3.4 液晶显示子程序 (14)3.5 键盘识别处理程序设计 (15)结论 (16)参考文献 (17)附录A：整体电路原理图 (18)附录B：负载机设计主程序 (18)第十二届“挑战杯”中国大学生课外学术科技作品竞赛江西赛区东华理工大学参赛作品摘要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、蓄电池等领域得到了较好地应用，并己成为当前研究的热点。
电子负载由数字控制器、检测与驱动电路等组成，数字控制器控制MOSFET或晶体管的导通量，实现对电源参数的稳定控制。
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检测电路、键盘电路、显示电路和驱动电路，通过比较电路及软、硬件的协调配合，实现了整个设计。
单片机输出比较器基准电压，比较电路比较控制MOS管的导通量，调节流过场效应管的电流和被试电源两端的电压，实现恒流、恒压两种工作模式。
能实现以下功能：可手动切换恒流和恒压两种模式；能够检测被测电源的电流、电压及功率并由液晶显示。
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。
工作于恒压模式时，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。
软、硬件联调结果表明，本设计能实现100W范围内的恒流、恒压工作方式。
进一步研究可以多加恒阻、恒功率模式，实现多种测试条件，综合测试电源性能。
关键词：电子负载机，单片机，AD转换，DA转换引言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、蓄电池放电试验以电子负载机的设计及购买电池、电源时等都需要负载测试。
当前，国内外对上述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。
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、电感、电容等。
尤其对吸收恒定电流或以恒定电压吸收电流等传统方法不能解决的领域里，更能显示出优越性能。
其中的电子元件一般为功率场效应管（Power MOS ）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT ）等功率半导体器件。
由于采用了功率半导体器件替代电阻等作为电能消耗的载体，使得负载的调节和控制易于实现，能达到很高的调节精度和稳定性。
本文就采用功率场效应管（Power MOS ）设计了直流电子负载机，总体实现了恒流和恒压两种模式下的正常工作。
1 电子负载的原理概述电子负载用于测试直流稳压电源、蓄电池等电源的性能。
本制作的电子负载，有恒流和和恒压两种模式，可手动切换。
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。
1.1 定电流模式（CC mode ）在定电流工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定的电流值而保持恒定，与输入电压大小无关，即负载电流保持摄定值不变。
图1－1 电子负载的恒定电流工作方式1.2 定电压模式（CV mode ）在定电压工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定的负载电压而定，此时负载电流将会增加直到负载电压等于设定值为止，即负载电压保持设定值不变。
v第十二届“挑战杯”中国大学生课外学术科技作品竞赛江西赛区东华理工大学参赛作品图1－2 电子负载的恒定电压工作方式1.3 定电阻模式（CR mode ）在定电阻工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定负载电阻和输入电压的大小而定，此时负载电流与输入电压呈正比例，比值即是所设定的负载电阻，即负载电阻保持设定值不变。
图1－3 电子负载的恒定电阻工作方式1.4 定功率模式（CP mode ）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，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。
本电子负载机实现了在恒流和恒压模式下一定范围内的正常工作，比较器的基准电压由单片机D/A 转换输出并且通过控制P2.5电平的高低控制继电器开与断关实现两种模式的转换。
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，然后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。
2电子负载硬件系统设计I电子负载机的设计2.1 电子负载机设计模块方框图2.2 单片机的选择及应用本系统采用STC89C52系列单片机，其硬件设计简单，指令系统设计精练，端口数量能够满足设计需求。
其结构特点如下:(1) 增强80C51内核，运行速度比普通8051快8～12倍。
(2) 宽工作电压(3.5～5.5 V ，2.2～3.8 V)，不怕电源抖动；(3) 工作时钟：外部晶振或内部RC 振荡器可选，在ISP 下载编程用户程序时设置。
(4) 片内有512~1280字节RAM 。
引脚功能说明：Vcc:电源电压；GND:接地端P0口: P0口是一组8位漏极开路型双向I/O 口,也即地址/数据总线复用口。
P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O 口，对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此 图2－1 单片机引脚图 时可作输入口。
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O 口，当P2口被写“1”时，其管第十二届“挑战杯”中国大学生课外学术科技作品竞赛江西赛区东华理工大学参赛作品脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能。
XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。
2.3 D/A转换芯片本系统的D/A采用的是TLC5615串行数模转换器。
TLC5615为美国德州仪器公司的产品，是具有串行接口的数模转换器。
2.3.1 TLC5615的特点①10位CMOS电压输出；②5V单电源供电；③与CPU三线串行接口；④最大输出电压可达基准电压的二倍；⑤输出电压具有和基准电压相同极性；⑥带有上电复位功能，即把DAC寄存器复位至全零。
2.3.2 TLC5615引脚说明TLC5615有小型和塑料DIP封装，DIP封装的TLC5615芯片引脚排列如图3－2所示。
图2－2 TLC5615的时序图图2－3 TLC5615与单片机接口电路引脚功能说明如下：DIN：串行数据输入端；SCLK：串行时钟输入端；CS：芯片选用通端，低电平有效；DOUT：用于级联时的串行数据输出端；REFIN：基准电压输入端；OUT：DAC模拟电压输出端；2.3.3 TLC5615的时序分析电子负载机的设计TLC5615的时序如图3－3所示。
由时序图可以看出，当片选CS为低电平时，输入数据DIN由时钟SCLK同步输入或输出，而且最高有效位在前，低有效位在后。
输入时SCLK的上升沿把串行输入数据DIN移入内部的16位移位寄存器，SCLK的下降沿输出串行数据DOUT，片选CS的上升沿把数据传送至DAC寄存器。
图3－4给出了TLC5615和单片机的接口电路。
在电路中，单片机的P3.0－P3.2分别控制TLC5615的片选CS，串行时钟输入SCLK和串行数据输入DIN。
电路的连接采用非级联方式。
根据开关电源的设计要求，可变基准电压范围为0V～4V。
因此，TLC5615的基准电压选为2.048V，其最大模拟输出电压为4.096V。
可满足开关电源的要求。
2.4 A/D转换芯片TLC1549系列是美国德州仪器公司生产的具有串行控制、连续逐次逼近型的模数转换器，它采用两个差分基准电压高阻输入和一个三态输出构成三线接口，其中三态输出分别为片选(CS低电平有效)，输入／输出时钟(I／O CLOCK)，数据输出(DATAOUT)。
TLC1549引脚排列如图1所示。
TLC1549能以串行方式送给单片机，其功能结构如图2所示。
由于TLC1549采用CMOS工艺。
内部具有自动采样保持、可按比例量程校准转换范围、抗噪声干扰功能，而且开关电容设计使在满刻度时总误差最大仅为±1 LSB(4.8 mV)，因此可广泛应用于模拟量和数字量的转换电路。
图2－4 tlc1549引脚图图2－5 tlc1549内部框图2.4.1 工作原理：TLC1549具有6种串行接口时序模式，这些模式是由I／O CLOCK周期和CS定义。
根据TLC1549的功能结构和工作时序，其工作过程可分为3个阶段：模拟量采样、模拟量转换和数字量传输。
图3所示为TLC1549的时序图。
第十二届“挑战杯”中国大学生课外学术科技作品竞赛江西赛区东华理工大学参赛作品图2－6 tlc1549时序图2.4.2 输入的模拟量采样：在第3个I／O CLOCK下降沿，输入模拟量开始采样，采样持续7个I／O CLOCK 周期，采样值在第10个I／O CLOCK下降沿锁存。