基于單片機(jī)的直流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)方案

　　本文提出了一種基于STC12C5A60S的直流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)方案。主要以高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾STC12C5A60S單片機(jī)為控制核心設(shè)計(jì)直流電子負(fù)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(gè)參數(shù)，并能直觀的在液晶上顯示。本系統(tǒng)由自鎖開關(guān)控制電路的工作狀態(tài)，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)開關(guān)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(yīng)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(dá)到題目要求并擴(kuò)展了恒壓、恒流的范圍。由單片機(jī)控制，通過按鍵達(dá)到對(duì)恒壓值或恒流值在一定范圍內(nèi)的控制，設(shè)置了過載保護(hù)，通過亮燈顯示過載。

　　1.方案設(shè)計(jì)與論證

　　1.1 整體方案設(shè)計(jì)

　　基于手動(dòng)調(diào)節(jié)單片機(jī)控制的直流電子負(fù)載。

　　本方案通過兩個(gè)自鎖開關(guān)來控制電路的工作狀態(tài)，在恒壓、橫流、恒阻之間進(jìn)行切換，通過stc12c5a60s單片機(jī)通過D/A芯片控制恒壓、恒流等的值，stc12c5a60s是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，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(dǎo)通電阻足夠小，源漏抗擊穿能力足夠強(qiáng)。軟硬件結(jié)的方式，方便簡潔實(shí)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(jī)采集電壓、電流值，檢測電路過載控制繼電器工作，實(shí)現(xiàn)電路的過載保護(hù)并報(bào)警。

　　1.2 模塊方案

　　1.2.1 恒壓設(shè)計(jì)方案

　　方案一：用晶體管來實(shí)現(xiàn)電壓放大和比較，基極和發(fā)射極分別相當(dāng)于比較器的負(fù)、正輸入端?；鶚O本身會(huì)分得一部分電流，同時(shí)還會(huì)有個(gè)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(shí)還有較大的功率損耗。

　　方案二：直接用運(yùn)算放大器OP07芯片來實(shí)現(xiàn)電壓的放大和比較電路看起來簡單易懂。電路可以實(shí)現(xiàn)恒壓功能模塊，相對(duì)誤差較小。綜合考慮選擇方案二1.2.2 恒流設(shè)計(jì)方案

　　方案一：用同一型號(hào)的三極管，利用三極管相對(duì)穩(wěn)定的Ube作為基準(zhǔn)，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(hào)的管子，其Ube不是固定值，即使是相同型號(hào)也有一定的個(gè)體差異。同時(shí)不同的工作電流下，這種電壓也會(huì)有波動(dòng)，不是精密的恒流需求。

　　方案二：用一個(gè)運(yùn)放作為反饋，即選用OP07芯片來實(shí)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(duì)外界環(huán)境要求低、易于維護(hù)等特點(diǎn)。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(shí)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(dòng)，可以設(shè)計(jì)友好的人機(jī)交互界面，易于人機(jī)交流。

　　考慮到系統(tǒng)的、顯示內(nèi)容以及系統(tǒng)的實(shí)用性，我們采用方案二。　　2.電路設(shè)計(jì)

　　2.1 恒壓電路

　　TEXT和GND的為測試點(diǎn)。電路整體是個(gè)負(fù)反饋：當(dāng)TEXT高于設(shè)定值時(shí)，運(yùn)放輸出高電壓，Q1導(dǎo)通度增加，負(fù)載阻抗變小，和電源內(nèi)阻分壓，TEXT減小，直至V+=V-；當(dāng)TEXT低于設(shè)定值時(shí)，運(yùn)放輸出低電壓，Q1到通度減小，負(fù)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

　　TEXT和GND為測試點(diǎn)，OP07中V+=V-.當(dāng)V+>V-時(shí)，運(yùn)放輸出高電壓，Q1導(dǎo)通度增加，電流增大，V-升高，達(dá)到V+=V-.當(dāng)V+

　　2.3 恒阻電路圖

　　當(dāng)滑動(dòng)變阻器打到5 0 % 時(shí)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(jī)實(shí)現(xiàn)，R=VText/I，由恒流原理實(shí)現(xiàn)。（如需長時(shí)間測試，MOSS管最好接大散熱片）

　　3.軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)中，電壓電流采集數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入C8051F360單片機(jī)，與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后按要求進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)電壓、電流和電阻參數(shù)進(jìn)行顯示。主程序流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖　　4.測試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

　　4.1 恒壓測試數(shù)據(jù)

　　4.2 恒流流測試數(shù)據(jù)

　　結(jié)果分析：由數(shù)據(jù)表明，實(shí)測電流的值都穩(wěn)定在設(shè)定值左右，經(jīng)計(jì)算，相對(duì)誤差小于3%.說明系統(tǒng)在恒流模式下工作正常 實(shí)測電壓的值都穩(wěn)定在設(shè)定值左右，經(jīng)計(jì)算，相對(duì)誤差小于3%.說明系統(tǒng)在恒流模式下工作正常。

　　實(shí)測電阻的值都穩(wěn)定在設(shè)定值左右，經(jīng)計(jì)算，相對(duì)誤差小于3%.說明系統(tǒng)在恒流模式下工作正常。

　　4.總結(jié)

　　本問提出一種基于STC12C5A60S的直流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)方案。本方案中設(shè)計(jì)的直流電子負(fù)載主要以高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾STC12C5A60S單片機(jī)為控制核心，由自鎖開關(guān)控制電路的工作狀態(tài)，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)開關(guān)切換在恒壓、恒流、恒阻電路之間的工作狀態(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(dá)到對(duì)恒壓值或恒流值在一定范圍內(nèi)的控制，設(shè)置了過載保護(hù)，通過亮燈顯示過載，經(jīng)驗(yàn)證，本方案具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。