直流電子負載的設計制作

【摘要】本設計主要以高速、低功耗、超強抗干擾STC12C5A60S單片機為控制核心設計直流電子負載。包括控制電路（MCU）、主電路、采樣電路、顯示電路等，能夠檢測被測電路的電流值、電壓值等各個參數(shù)，并能直觀的在液晶上顯示。本系統(tǒng)由自鎖開關控制電路的工作狀態(tài)，通過手動調(diào)節(jié)開關切換在恒壓、恒流、恒阻電路之間的工作狀態(tài)，由LED燈指示相應的工作狀態(tài)。系統(tǒng)的穩(wěn)壓范圍為1V-30V，穩(wěn)流范圍為100mA-3.5A，誤差0-5%在題目要求范圍內(nèi)，達到題目要求并擴展了恒壓、恒流的范圍。由單片機控制，通過按鍵達到對恒壓值或恒流值在一定范圍內(nèi)的控制，設置了過載保護，通過亮燈顯示過載。

【關鍵詞】電子負載；單片機（MCU）

1.方案設計與論證

1.1 整體方案設計

基于手動調(diào)節(jié)單片機控制的直流電子負載

圖1 基于手動調(diào)節(jié)單片機控制的直流電子負載原理圖

本方案通過兩個自鎖開關來控制電路的工作狀態(tài)，在恒壓、橫流、恒阻之間進行切換，通過stc12c5a60s單片機通過D/A芯片控制恒壓、恒流等的值，stc12c5a60s是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度快8-12倍，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換。采用大功率NMOS管IRF540，該管導通電阻足夠小，源漏抗擊穿能力足夠強。軟硬件結(jié)的方式，方便簡潔實現(xiàn)了不同模塊之間的轉(zhuǎn)換，很好的完成了恒壓、恒流等基本功能，并完成了恒阻等附加功能。

由單片機采集電壓、電流值，檢測電路過載控制繼電器工作，實現(xiàn)電路的過載保護并報警。

1.2 模塊方案

1.2.1 恒壓設計方案

方案一：用晶體管來實現(xiàn)電壓放大和比較，基極和發(fā)射極分別相當于比較器的負、正輸入端?；鶚O本身會分得一部分電流，同時還會有個電流Ibe影響發(fā)射極的電壓。這樣的電路能夠?qū)崿F(xiàn)恒壓功能，但是誤差比較大，同時還有較大的功率損耗。

方案二：直接用運算放大器OP07芯片來實現(xiàn)電壓的放大和比較電路看起來簡單易懂。電路可以實現(xiàn)恒壓功能模塊，相對誤差較小。綜合考慮選擇方案二

1.2.2 恒流設計方案

方案一：用同一型號的三極管，利用三極管相對穩(wěn)定的Ube作為基準，這種恒流模式簡單易行，而且電流的數(shù)值可以自由控制，產(chǎn)品成本低，不同型號的管子，其Ube不是固定值，即使是相同型號也有一定的個體差異。同時不同的工作電流下，這種電壓也會有波動，不是精密的恒流需求。

方案二：用一個運放作為反饋，即選用OP07芯片來實現(xiàn)恒流功能模塊的放大和比較其電路有足夠的精度和可調(diào)性，原件普遍易于搭建和調(diào)試。

綜合考慮選擇方案二。

1.2.3 顯示模塊

方案一：采用數(shù)碼管顯示。顯示可以用數(shù)碼管具有接線簡單、成本低廉、配置簡單靈活、編程容易對外界環(huán)境要求低、易于維護等特點。電壓和電流的顯示可以用數(shù)碼管，但數(shù)碼管只能顯示簡單的數(shù)字，占用資源較多，現(xiàn)實信息少，不易顯示大量信息。

方案二：采用帶字庫的2.4寸tft屏幕為顯示模塊。硬件連接方式簡單，而且顯示內(nèi)容豐富生動，可以設計友好的人機交互界面，易于人機交流。

考慮到系統(tǒng)的、顯示內(nèi)容以及系統(tǒng)的實用性，我們采用方案二。

2.電路設計

2.1 恒壓電路

圖2 恒壓電路圖

TEXT和GND的為測試點。電路整體是個負反饋：當TEXT高于設定值時，運放輸出高電壓，Q1導通度增加，負載阻抗變小，和電源內(nèi)阻分壓，TEXT減小，直至V+=V-；當TEXT低于設定值時，運放輸出低電壓，Q1到通度減小，負載和電源內(nèi)阻分壓變大，TEXT增大，直至V+=V-。

2.2 恒流電路圖

圖3 恒流電路圖

TEXT和GND為測試點，OP07中V+=V-。當V+>V-時，運放輸出高電壓，Q1導通度增加，電流增大，V-升高，達到V+=V-。當V+

2.3 恒阻電路圖

圖4 恒阻電路圖

當滑動變阻器打到50%時電阻分壓V+=1/2Vin=V-，電流I=Vin/4，R=Vin/I=4歐，電源電壓與電流成正比例變化?？梢杂脝纹瑱C實現(xiàn)，R=VText/I，由恒流原理實現(xiàn)。（如需長時間測試，MOSS管最好接大散熱片）

3.測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

3.1 恒壓測試數(shù)據(jù)

設定值測量值1（A）測量值2（A）測量值3（A）

工作電壓（V）工作電壓（V）工作電壓（V）

10.971.021.05

239

54.9355.06

5.578

1212.0312，0512.09

161820

24242424

252730

3030.1

36

3.2 恒流流測試數(shù)據(jù)

設定值測量值1（A）測量值2（A）測量值3（A）

0.10.10.1030.104

11.041.01.03

22.042.052.06

33.063.063.08

參考文獻

[1]陳永真，閆曉金，李光琳，陳之勃.2011版全國大學生電子設計競賽試題精選[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[2]閆石主編.數(shù)字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社（第5版），2006.

[3]童詩白，華成英主編.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社（第4版），2006.