全国大学生电子设计竞赛《简易直流电子负载》设计报告

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本设计采用TI 公司的MSP430F149型微处理器作为系统控制核心， 主要由电
/ s/ S/ g. Q2 N9 ?& n- f$ H压电流检测模块、过压保护模块、压控恒流电路模块以及液晶显示模块组成。电
压电流检测模块采用 ADS1115DGSRA转D换器检测端口电压电流； 过压保护模块主
) V# k- a: B' w" l; S要采用OPA2340PA作为比较器控制压控模块的输出； 压控恒流模块采用3DD15功
- \- x* U- s' n/ _+ J# o率三极管作为功率器件；液晶模块采用12864作为系统的模式和数据显示屏。
数据结果给出了：恒流工作模式的电流范围为100mA～1000mA ，分辨力为
10mA时显示值与测量值；恒流工作模式下，电子负载两端电压变化10V时，输
出电流前后数值； 过压保护电路的阈值电压；实时流过电子负载的电压、电流以
6 x# V0 r8 m2 c* L1 `& T及直流稳压电源负载调整率。经测试，各项指标均达到题目提出的要求。本设计
: w6 |' n5 K5 C% A还具有自动电流、电压测量校准功能以提高测量精度。

一、系统方案
! [6 R6 n. K! w& x7 O# {+ {! o1、方案比较与选择
8 Q8 Q4 D8 S9 {- V（1）恒流源电路方案
方案一：采用软件闭环控制
键盘预置电流值， 经mcu处理产生电压信号， 同时将采样电路采集到的实际
输出电流值转化为电压信号， 两者进行比较通过适当的控制算法， 调整输出电流
$ F& G' P4 W1 t# V& d0 l# b! Q值使其与设定电流值相等，从而构成闭环控制系统。
方案二：采用硬件闭环控制
/ X5 B# `9 X  C/ b4 p3 q0 F硬件的闭环稳流的典型电路如图1 所示，根据集成运放的虚短概念， 可得到：
VR3=Vi*[R2/(R2+R1)] 式中VR3为负载R3的电压， R3为取样电阻， Vi 为单片机
4 D- h  _. @; T6 G输出的电压，而此时电流I=VR3/R3。若固定所有电阻不变，则I 完全由Vi 决定，
故无论电路如何发生变化，利用反馈环的自动调节作用，都能使I 保持稳定。
图1 硬件闭环稳流控制
- M6 `4 b" i3 f方案一最大的问题是： 若输入电源电压或负载发生变化， 都需要经过一段时
间调整后才能使电流稳定。方案二硬件电路不仅简单而且又能快速得实现稳定的
5 `1 h# e% d; A. n. a$ q, i0 w电流输出。综合以上方案优缺点，决定采用方案二。
（2）控制核心的选择
# U8 L+ C+ e7 M) F" b+ y方案一：采用目前比较通用的MS-C51 微处理器
价格相对便宜，技术比较成熟，编写程序较容易，自由度大，但运算速度较
. M) a, T7 B7 P慢，在处理对精度有较高要求时表现明显不足。
9 a# ?' B# Z" P3 R8 L方案二：采用美国TI 公司的MSP430 微处理器
该单片机功能较强、兼容性好、超低功耗；并且具有体积小、集成度高、易
% p# r. G8 X3 I) m" Y! r" u2
8 E- r. ]) j: M' }# V" Q& f扩展、可靠性高、以及较高的数据处理和运算能力，系统最高时钟频率可达
$ [# E# a) w7 Y/ M10MHZ ，运行速度快。简化硬件电路，提高测量精度，给调试、维护和功能的
扩展带来了极大的方便。
综合以上方案优缺点，我们决定采用方案二。
' b. l, B9 [4 y" U" T（3）显示模块方案
* E: j% y! ]3 b% q方案一：采用八段数码管显示
由于要求显示设定值和测量值，需要显示的值比较多。采用LED 数码管需
1 b/ X) I, `/ n( }6 o要用动态扫描，占用资源比较多。整个显示界面显得不太友好。
方案二：采用12864B 液晶显示器
& K1 `4 i8 u" N$ P) Y5 ^) a12864B 汉字图形点阵液晶显示模块， 可显示汉字及图形， 内置8192 个中文
汉字（16X16 点阵）、128个字符（8X16 点阵）及64X256 点阵显示RAM（GDRAM ）。
显示质量高，体积小，重量轻，功耗低。液晶显示是字符式的，和单片机系统的
接口更加简单可靠，操作更加方便。
- ]% M0 d4 ?5 w% R$ V本系统要显示的数据信息量大，要直观，出于系统要求，采用方案二12864
液晶显示器。
2、总体方案描述
' c& f, o$ ^, U, B1 }/ J（1）总体思路
设计采用MSP430F149 型微处理器为系统控制核心，通过键盘控制，采用
12864 液晶显示器作为系统的模式和数据显示屏。通过恒流电路、功率电阻采样
值，通过A/D 转换，输入到MSP430F149 微处理器。通过处理器算法处理后，
经过D/A 转换，通过电压基准芯片，再经过恒流电路，检测被测电源设备。系
统设有过压保护电路，过压阀值为18V。A/D 和D/A 模块采用3.3V 供电，恒流
$ H& H; O5 X! @/ e# g电路和过压保护电路采用5V 供电。

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