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
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
* {; M; N9 F# r. S. ?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
- d4 i2 x) c8 K+ b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
' `2 w! K- g! ^, r7 R2 \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。
) ^6 M2 Y* q6 O3 J# {/ Y% Z  l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
& J; i  W: U! \( k, y! C0 H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
# s$ U$ ]) J2 k- e. E4 I9 D) R, Q还具有自动电流、电压测量校准功能以提高测量精度。
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一、系统方案
  J& n/ Q, Q2 [0 F1、方案比较与选择
（1）恒流源电路方案
方案一：采用软件闭环控制
4 _# ^" Z8 U4 \5 c" r7 s5 I$ F2 ]: Z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
) ]4 \/ L/ b9 P2 O3 k, N8 j' K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
值使其与设定电流值相等，从而构成闭环控制系统。
$ U2 M% y+ R" v2 g方案二：采用硬件闭环控制
. p- Y1 t* ]$ R4 V; t/ q( B" v) I6 L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：
; T3 U% H4 L3 D. gVR3=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
0 U% z8 Q- E2 e2 n/ [0 `' V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，
% \& {8 d# J3 W  P4 G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
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
3 }' A9 b1 i* N3 j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
: D) h& S% x3 _7 m( [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
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
. Q; ~0 b% S) T" i0 Y9 P3 J+ k0 L慢，在处理对精度有较高要求时表现明显不足。
9 E( i1 H* W# v7 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
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1 Y! \9 u4 t( i: ^/ w; Z8 D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
" \! \% f6 ?# v; i. l  t10MHZ ，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
( K* O& q) M, f/ ~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。
$ j* e6 P4 E* N（3）显示模块方案
方案一：采用八段数码管显示
6 L; z4 ^/ |2 Z8 G; t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
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。
' s" g( z5 @) X, X7 L' Q方案二：采用12864B 液晶显示器
' H, r' k0 q3 t+ I- p; 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
: h3 R1 G# E3 M1 P- T接口更加简单可靠，操作更加方便。
! _# ]# j1 D# H3 e+ y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。
* j$ w' A, _! [. d' L2、总体方案描述
1 e; X( @# A2 H（1）总体思路
0 ?/ B; j; u4 z9 t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
" T" k: z9 b7 c5 O$ d12864 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
* T0 s6 j1 M( {. l* @. Z* F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，
( }8 ^9 o7 j6 t# o2 v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
电路和过压保护电路采用5V 供电。
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