..(简易直流电子负载)
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XX年全国大学生电子设计竞赛
简易直流电子负载（C题）
【XX组】
XX年X月X日
摘要
简易直流电子负载主要由恒流电路、电压电流控制电路、输出过压保护电路、电源电路和单片机控制与显示系统五部分组成。
直流电子负载是以MOS管电压转换电流原理为核心，以硬件反馈实现恒流为基础，以单片机控制为中心的高精度作品。
恒流部分的控制端采用运算放大器LM324接成闭环反馈控制形式，并用大功率MOS管作为恒流电路调整管，用水泥电阻做采样电阻，具有良好的调控线性和稳定性。
稳压电源部分设置由多个单电源为各部分电路供电。
显示部分采用液晶显示器，能够直观、方便地显示设定电流和实测电流数据。
系统达到了恒流稳定性高的效果，实时显示电压电流，输出电流为100mA~1000mA，步进为10mA。
直流负载热稳定性高，工作过程中基本不会因发热而产生偏差，且可以持续很长时间，具有过压保护功能，成本低廉，可靠性高。
关键字：电子负载；恒流电路；电压电流检测电路；过压保护电路。
目录
1设计方案的论证与选择 (3)
1.1系统整体方案 (3)
1.2 各部分方案的论证及选择 (4)
2电路原理分析与计算 (5)
2.1恒流电路部分 (5)
2.2控制电路部分 (6)
2.3电源电路部分 ............................................................................ 错误!未定义书签。
2.4过压保护部分 (9)
2.5键盘与显示部分电路 (10)
4测试方法与测试结果 (10)
4.1测试方法 (11)
4.2测试条件及仪器 (11)
4.3 测试结果及分析 (12)
4.3.1测试结果 (12)
4.3.2测试分析 (13)
5设计总结 (14)
参考文献 (14)
附录1整体电路图 (14)
附录2源程序 (15)
附录3测试数据 (15)
附录4 元件清单 (16)
简易直流电子负载（C题）
【XX组】
1设计方案的论证与选择
1.1系统整体方案
本系统主要由单片机控制模块、电源模块、键盘与显示模块、恒流模块以及过压保护模块组成，以恒流电路为核心，用键盘对单片机进行控制，再通过单片机内部D/A 输出控制MOS管等电路产生恒定电流，当直流稳压电源在一定范围内变化时，流过本直流电子负载的电流保持恒定。
同时该系统设计了过压保护电路，过压阈值为18V，实现了对恒流电路的有效保护。
电路中的功率部分采用了MOSFET场效应管，很好地实现了电流调整。
电路采用简单的7805、7812和7912对控制电路供电。
电路相对较简单，不仅成本低、器件易购，而且稳压效果较好。
总体来说，整个电路能够良好的实现其设计功能。
直流电子负载电路系统总体框图如图1-1所示：
图1-1 直流电子负载系统整体框图
1.2 各部分方案的论证及选择
1、恒流控制部分
方案一：
采用UC3843作为控制核心。
本方案采用TI公司的PWM控制芯片UC3843来控制MOS 管IFRP460的开关，从而将提供的15V电源电压转换成方波脉冲信号，脉冲频率由外围电路中控制端电容电阻参数来确定。
方案二：采用单片机编程生成脉冲信号。
采用TI公司的MSP430G2单片机编程，通过取反语句，循环语句，并通过对时间的设定可以实现固定频率的方波脉冲的产生。
方案三：采用tl494作为控制核心。
……..
2、电源电路部分
方案一：采用三端固定式的集成稳压器78XX系列。
此方案用集成稳压器制作电源的电路相对较简单，不仅成本低、器件易购，而且三端稳压集成块的稳压效果较好。
不足的地方是三端稳压集成块输出电流要求不能太大，但该电路中电流值较小，对其作用并无影响。
方案二：采用三端可调式的LM317集成稳压器。
LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，输出电压在1.25V~37V范围内连续可调，能够提供超过1.5A的电流，线性调整率为0.01%，负载调整率为0.1%，纹波抑制比为80dB，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。
其原理十分简单，达到的稳压精度很高，但电路比较复杂。
方案三：利用串联型可调稳压电路提供电源。
直流型稳压电源由电源变压器、整流滤波电路以及稳压电路组成，低噪声、低纹波、有良好的负载调整率，能得到稳定的直流电压，但是该电路的稳压部分需要的电子器件较多，体积很大，对器件的性能要求较高，电路结构复杂，效率也很低，仅适用于小功率的场合。
由于STC12C5A60S2单片机需要4.5V~5.5V电压供电，而三端固定式的集成稳压器输出电压的电压偏差为5%，即在4.75V~5.25V之间；而恒流部分、电流检测部分和显示部分等电路需要5V电压供电，综上述分析，对比后采用电路相对简单的方案一。
3、输出过压保护部分
方案一：通过单片机直接进行电压的检测。
直接将待测电压经过A/D模块处理后传
送给单片机进行检测。
方案二：通过运放及相应的电阻组成电压比较器对电压进行相应的处理，将基准电压加在运放的同相端，当运放输入端电压超过基准电压时，运放输出端控制继电器自动断开，从而断开外接电源输入端，最终起到过压保护的功能；当运放输入端电压小于基准电压时，此时外接电源正常接入电子负载，电路正常工作。
经过分析，方案一要检测的电压很有可能要高于单片机的最大输入电压，严重时可能把单片机烧毁。
同时，在方案一中其待测的电路所产生的电流将影响测量电压的结果。
而方案二则不然，当电压过大时，可以利用电阻串联的形式构成分压电路，将电压按一定比例减小，同时利用运算放大器的虚断特性，在很大程度上降低了被测电路其电流对检测结果的影响。
所以采用方案二。
2电路原理分析与计算
2.1恒流电路部分
电路原理图如图2-1所示，恒流电路主要由负载电阻R1、运放LM324以及功率管Q1三部分组成。
MOS型晶体管的特点是特别适合于开关状态工作，具有导通电流的能力，且当MOS管导通电压一定时，其通流的能力不变，即流过MOS管电流的大小为固定值，因为它正向导通时的电阻极小，而且开关速度快。
由于设计所需电流范围100mA～1000mA，步进为10mA，过压阈值为18V±0.2V，电路中所需的MOS管的承受电压必须大于18V,通流能力必须大于1A，而IRF540MOS管的漏源电压VDSS=100V,漏极电流ID=28A,满足设计要求。
根据闭环同相放大电路的深度负反馈概念，通过反馈电阻Rf和负载电阻R1构成负反馈电路，控制电压Vin通过运放U1输出的电压基本保持恒定；再根据闭环同相放大电路的虚短概念，即Vp=Vn，运放的反相输入端电压将等于控制电压，即控制MOS管之间的栅源电压为定值，从而使流过Q1和负载电阻R1的电流的大小保持恒定，即控制恒流源输出电流。
当最电流为1000mA时：
Vo=(R3+R4)*Imax
得到输入运放同相端的电压为：
Vi=Vo/(1+R3/R4)=2V。
当电流为100mA时由上式可得:Vi=0.2V。
其他在100mA—1000mA之间的电流可通过单片机控制是输入到运放同相端的电压在0.2—2V之间即可达到目的
由于单片机A/D采样输入电压最大值不超过5V，而流过负载电阻的电流最大为1000mA,根据R=U/I得，即R小于等于5Ω；由P=I2*R得，当R=5Ω时，P=5W，因此R1≤5Ω，PR1≥5W均符合要求，鉴于以上考虑，由于条件限制，最终选用了2Ω/50W的水泥电阻作为负载电阻。
图2-1 恒流电路原理图
2.2控制电路部分
电路原理图如图2-2所示,控制电路部分由STC12C5A60S2单片机、DAC0832数模转换器、运算放大器LM324组成。
STC12C5A60S2单片机是数控电子负载的核心部件，通过单片机内部A/D对采样负载电阻端电压、端电流的数据进行采集、处理，通过液晶显示屏显示数据。
DAC0832数模转换器，将检测到的电压电流模拟信号转化成数字信号传送给单片机，完成实时的显示和其他控制。
电流检测通过图2-1中检流电阻R1对负载电流进行检测，将电流信号通过运放LM324转换成更加易于检测的电压信号，输出的电压与输入的控制信号反相，最后通过由运算放大器LM324组成的反相器将电压取反，即与
控制信号同相，且幅值不变。
图2-2 控制电路原理图
整流滤波部分电路原理图如图所示，由于接收线圈接收到的信号频率与发射线圈发射的信号频率相同，仍然为频率较高的脉冲信号，所以需要对接收线圈接收到的脉冲信号进行整流滤波处理，转变成直流电供给2只串联LED灯负载使用。
电路先将接收线圈接收到交流脉冲信号经由4只FR207快恢复二极管搭成的桥式整流电路，得到脉冲直流电压，再经过470uF/25V的电解电容和0.1uF的瓷片电容进行滤波处理后最终得到相对平滑的直流电压，用以供给负载LED灯使用。
电路原理图如图2-3所示，由于该系统采用了STC12C5A60S2单片机、DAC0832数模
转换器、LM324运算放大器等电路部分，需要﹢5V、±12V的直流电压，因此本设计额外设计了一个输出电压分别为±12V、﹢5V的稳压电源，电源电路主要分为变压器部分、整流部分、滤波部分、以及78XX、79XX系列的三端固定式稳压部分。
由于要为双电源运放供电，因此要采用三抽头的变压器从而得到相位相反的两15V的交流电源输入到下一级的整流桥，变压器的输出为18V。
再通过整流管将输出的交流电转换成为脉动直流电，电路中的C2、C1、C8电解电容器就是将脉动直流中的交流成分滤除，从而输出的电压随着交流输入端和负载输出端的变化而变化，因此，采用78XX系列集成稳压器构成的稳压电路，经过稳压芯片稳压后，输出的基本为稳定直流，能够满足设计电路的供电要求。
通过7812输出电压为12V，通过7912输出电压为-12V，通过7805输出电压为5V。
电路中C10、C11、C13、的作用为消除输入端引线的电感效应，防止集成稳压器自己振荡，还可以抑制输入侧的高频脉冲干扰，一般选择0.1～1uF的陶瓷电容器；输出端电容器C14、C15、C12为高频去耦电容器用于消除高频噪声，一般选择0.1～2.2uF 的陶瓷电容器；输出端电容器C4、C3、C12用于改善稳压电路输出端的负载瞬态响应，根据负载的变化情况，一般选用100～1000uF的电解电容器。
D9、D10、D11是保护二极管，用来防止在输出端电压高于输入端电压时，电流逆向通过稳压器而损坏器件。
该电源内阻小，线性度好，电压稳定，噪音极低，输出波纹小。
图2-3 电源电路图
2.4过压保护部分
为了达到要求，作品要具有过压保护功能，过压阈值电压为18V ±0.2V 。
因此，系统过压保护电路采用LM324芯片实现，用LM324稳压管提供2.5V 基准电压，将其加在运放的同相端，当输入端电压超过2.5V 时，输出端电路将自动断开，当输入端电压小于2.5V 时，此时输出端电路正常工作。
根据电路中阻值可计算出运放的输入端电压一般将达到2.3V ，保证电路正常工作。
如图2-5所示，当输入电压高于18V 时，过压保护电路可自动中断高输入电压，以保护电流源部分。
由于输入电压最大可达到18V ，不能直接进行采样检测，需要先将输入电压进行衰减降压，再通过A/D 通道进行采用检测，同时使用比较器来控制高输入电压的中断。
本设计利用1M4Ω和150KΩ的电阻R3、R4串联对其进行分压衰减，输入电压Vi 最大值为18V ，故过压保护电路的比较器的基准电压V REF 为：
Vi R R R V REF *2
12
+=
代入数值即V=150/（150+1000）*18V=2.35V 。
电路图如图2-4所示：
图2-4 过压保护电路图
2.5键盘与显示部分电路
本系统设计的键盘部分为独立式键盘，就是各按键相互独立，每个按键各接一根I/O 口线，每根I/O口线上的按键都不会影响其它的I/O口线。
当按键按下时，相当于触发相应的信号，通过单片机控制来实现按键需实现对的功能。
本系统通过电路进行按键输入，电子负载系统中按键需要实现的功能有：预置数据按键，分为两个按键，上置按键和下置按键，当启动键启动后，默认值为100mA，调节范围只限制在默认值基础之上；可通过上、下置键来调节我们所需电流的大小，最小时为默认值100mA，最大值可调节至1000mA。
键盘部分则将按键直接接在I/O口上，编程简单，应用方便，且在没有键按下时根本没有任何功耗。
本系统设计的显示部分采用液晶显示屏作为系统操作信息的输出窗口。
液晶显示屏,微功耗，尺寸小，超薄轻巧，显示信息量大，可以显示任意字符、图形、曲线等，同时字迹美观，视觉舒适，增加了显示的美观性与直观性。
最重要的是提供了友好的人机界面，而且容易控制。
自带的显示驱动电路用串行口与单片机直接连接。
将液晶显示模块接口与单片机系统中的某个并行I/O接口连接，计算机通过对该I/O接口的操作间接的实现对模块的控制。
4测试方法与测试结果
4.1测试方法
将直流稳压电源连接电子负载，通过键盘设置恒流模式，以及设置恒定值，稳压电源提供不同的端电压，首先测试系统工作电流的准确性,其次测试负载电流随负载电压变化的稳定性。
观察电流变化；调节负载设定不同工作电流，与实测电流和显示电流进行比较。
图4-1 测试方法
显示器与单片机的连接说明：
STC12C5A60S2单片机P1端口的0引脚、1引脚和2引脚分别12864LCD显示屏的片选口、数据口和时钟口；3引脚、4引脚和5引脚分别3个按键；6引脚和7引脚分别接电压和电流的测试端。
P2端口的0引脚至7引脚接入DA转换芯片。
4.2测试条件及仪器
测试条件：温度：常温25℃，电压：0V~12V，频率：1kHz
测试前需要进行检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。
测试仪器及设备如表4-4所示。
表4-4测试使用的仪器设备
序号仪器型号数量精度
1 数字万用表VICTOR 89B 1 3位半
2 直流稳压电源QJ-3003S Ⅱ 1 3位半
3 数字万用表DY2105 1 3位半
4.3 测试结果及分析
4.3.1测试结果
电流准确性测试结果如表1所示，恒流效果测试如表2所示。
表1 电流准确性测试
输入电压
/V 设定电流
/mA
显示电流
/mA
实测电流显示电压
/V
电流相对
误差/%
电压相对
误差/%
6 100 500 1000
15 100
500
1000
表2 恒流效果测试
设定电流/mA 输入电压/V 显示电压/V 实测电流/mA 电压相对误
差/% 电流相对误
差/%
100 2 5 15
300 2 5 15
500 2 5 15
700 2 5 15
1000 2 5 15
4.3.2测试分析
由表1、表2测试结果可见，基本要求以及部分发挥部分达到所需指标:
（1）系统负载电流的准确性较高，电流设置范围为100mA~100mA，分辨为10mA,且精度为±1%；
（2）在恒流工作模式下，当电子负载两端电压变化10V时，输出电流变化的绝对值小于变化前电流值的1%;
（3）具有过压保护功能，过压阈值电压为18±1.2V；
（4）能实时测量并数字显示电子负载两端的电压，电压测量精度为±（0.1%+0.1%FS），分辨力为1mV。
（5）能实时测量并数字显示流过电子负载的电流，电流测量精度为±（0.1%+0.1%FS），分辨力为1mA。
综上可见，系统负载电流的准确性较高，并且在电流较大时，相对误差会更小。
当电流设定之后，输入电压的改变对负载电流影响十分微弱，可以完全忽略其影响，因此，本次直流电子负载可以实现。
负载上的电流可以步进控制，且输入电压在控制范围内变化时，电子负载上的电流不会发生变化，达到电子负载的精度和稳定度。
根据上述测试数据，可知测试的数值与理论数据存在一定的误差其主要原因在于到电阻精度不够，但是在误差允许范围内，该系统基本能够达到所需的要求。
经分析我们得出以下改进方案：
1、可通过采用精度更高的电阻代替取样电阻提高该设计的精度。
如选用金属膜电阻。
2、通过提高A/D、D/A的精度，来提高整体电路的性能；
5设计总结
此电子负载能很好的代替传统的测试方法中一般采用的电阻、滑线变阻器、电阻箱等，更简单、更快捷、更可靠地对电源、变压器、整流器等电子设备进行输出特性的测试。
设计采用LM324运放作为最小系统的控制核心，实现了恒流作用。
通过测试，系统不但完成了基本要求，也基本达到发挥部分的要求。
经过几天的努力实践，不断的测试，不断的改进电路和程序，我们最终圆满完成了设计任务。
在设计过程中，我们不仅仅使自身水平得到了检验，更重要的是学到很多课本上没有的知识，使自己得到了进一步的提高。
因比赛时间有限，该系统还有许多值得改进的地方。
参考文献
[1]华成英,童诗白著《模拟电子技术基础》第四版高等教育出版社，2006
[2]张天凡著《51单片机C语言开发详解》电子工业出版社，2008
[3]王东峰，王会良等著《单片机C语言应用100例》电子工业出版社，2009
[4]李朝青著《单片机原理及接口技术》第三版，北京航空航天大学出版社，2011 6
[5]宁武，唐晓宇《新版大学生电子设计竞赛基本技能指导》电子工业出版社， 2013.6
[6]康华光《电子技术基础》高等教育出版社，2012
附录1：整体电路图
附录2：源程序
附录3：测试数据表4-5输出电流测试数据记录
设定电流值（mA）负载电阻
值（Ω）
电流实测
值（mA）
电压
实测
值（V）
表头实
测值
（V）
负载调整
率（100%）
电流绝对
误差(mA)
电流相对
误差(mA)
100 2 120
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
900
950
1000
注：系统自测显示值即经单片机A/D转换、在液晶显示屏显示的数据
附录4 元件清单
序号元器件名称元器件型号器件参数器件个数/个
1 运算放大器LM324 / 3
2 单片机STC12C5A60S2/ 1
3 D/A数模转换器DAC0832/ 1
4 MOS管IRF540 / 1
5 二极管1N4007 / 11
6 晶振Y1 / 1
7 电解电容C1/C2/C8 2200uF 2
8 电解电容C3/C4/C7/C9 100uF 2
9 电容C5/C6 22pF 2
10 稳压器LM7812 / 1
11 稳压器LM7805 / 1
12 稳压器LM7912 / 1
13 电阻R2 10K 1
14 开关/ / 1
15 电容C10/C11 1uF 2
16 电容C12/C14/C15 2.2uF 3
17 电容C13 100uF 1
18 电阻R3 1M 1
19 电阻R4 180K 1
20 滑动变阻器Rp 100K 1
21 稳压二极管D9 1
22 三极管S8050 / 1
23 继电器U12 / 1
24 可调基准电源TL431 / 1。
