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
3 c* J- z; z. w# |5 M8 q9 @9 G2 y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
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
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。
3 V& H( ~# y$ M5 P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
" [; v( {1 @" W! r9 l10mA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
3 A. l+ L; v6 I- K. S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
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
$ M! w, N9 ^1 F还具有自动电流、电压测量校准功能以提高测量精度。
% g1 |, h. ^; U6 }
一、系统方案
4 C& [  C: D/ C8 N1、方案比较与选择
% g" o6 R& ~+ H! D1 W9 t" ]; r（1）恒流源电路方案
3 g. e( j! c+ b% W# {" c) D3 j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
  w4 X' ]+ }2 Q1 Y5 q8 T+ |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。
" j5 Q' W; T+ }0 t/ |; |" g0 @% P4 A方案二：采用硬件闭环控制
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：
. O9 j. H# R8 p* L: R, z7 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
/ y! @, j! O7 i5 }, h( |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，
( {5 h  E1 s/ M" _" T- [! |6 O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
5 y. A% `& P8 e9 e, ?% i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
+ C" i5 E" a4 g- A8 S7 a1 U6 U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
! R* K7 U( \/ w% J' e, w' W电流输出。综合以上方案优缺点，决定采用方案二。
0 K$ V0 [" m8 Q. m（2）控制核心的选择
: d9 e, e4 _, N0 S4 A# f方案一：采用目前比较通用的MS-C51 微处理器
8 Z3 N2 z. y9 N+ D4 c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
慢，在处理对精度有较高要求时表现明显不足。
( G4 c2 L* s# B5 q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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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
6 z8 L! q2 k% j. V3 l7 y6 h10MHZ ，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
9 |: o  G8 q7 d9 j$ F8 D' F/ b1 j扩展带来了极大的方便。
) r9 U. a& E# l$ r8 Q1 V7 x综合以上方案优缺点，我们决定采用方案二。
: T; }  Y6 p' k$ k（3）显示模块方案
方案一：采用八段数码管显示
, v8 ]3 v* d; R. D+ }1 a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。
, M+ q8 B0 l" H7 S- n! v# r! V' Q方案二：采用12864B 液晶显示器
12864B 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 ）。
( Y& y% \! W1 m9 y4 `8 y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。
1 }9 D9 N6 l2 z  w0 z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
（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
: \) E: K  R9 [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
0 h; O, W2 z6 \  l! T  Y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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