基于STC12C5A60S的直流電子負載的設計方案

1.方案設計與論證

1.1整體方案設計

基于手動調節單片機控制的直流電子負載。


圖1 基于手動調節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，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的8051，但速度快8-12倍，8路高速10位A/D轉換。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。軟硬件結的方式，方便簡潔實現了不同模塊之間的轉換，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：用晶體管來實現電壓放大和比較，基極和發射極分別相當于比較器的負、正輸入端。基極本身會分得一部分電流，同時還會有個電流Ibe影響發射極的電壓。這樣的電路能夠實現恒壓功能，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芯片來實現電壓的放大和比較電路看起來簡單易懂。電路可以實現恒壓功能模塊，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，利用三極管相對穩定的Ube作為基準，這種恒流模式簡單易行，而且電流的數值可以自由控制，產品成本低，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芯片來實現恒流功能模塊的放大和比較其電路有足夠的精度和可調性，原件普遍易于搭建和調試。

綜合考慮選擇方案二。

1.2.3顯示模塊

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

考慮到系統的、顯示內容以及系統的實用性，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5 0 %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。可以用單片機實現，R=VText/I，由恒流原理實現。（如需長時間測試，MOSS管最好接大散熱片）

3.軟件設計

軟件設計中，電壓電流采集數據經A/D轉換后送入C8051F360單片機，與設定值進行比較，然后按要求進行控制，同時對電壓、電流和電阻參數進行顯示。主程序流程如圖5所示。


圖5系統程序流程圖

4.測試數據與結果分析

4.1恒壓測試數據



4.2恒流流測試數據


結果分析：由數據表明，實測電流的值都穩定在設定值左右，經計算，相對誤差小于3%.說明系統在恒流模式下工作正常實測電壓的值都穩定在設定值左右，經計算，相對誤差小于3%.說明系統在恒流模式下工作正常。