直流电子负载的设计(E题)

本文详细介绍了直流电子负载的设计方案,该方案已经过实验验证,所完成作品测试数据稳定,指标符合要求。作品并已获奖!

直流电子负载的设计（E题）

摘 要：本系统设计的直流电子负载，以单片机STC12C5A60S2为主控芯片，包

括主控器、键盘、显示电路、MOSFET功率电路和信号处理电路。该系统利用取

样和采集电路获取流经电子负载的电流和电压值，送入单片机内部集成的A/D转

换器，并经过运算处理控制D/A输出，控制MOSEFT漏极电流，从而使直流电子

负载达到设定功能。本设计着重阐述了系统框架、工作原理、软硬件设计，并给

出了系统测试表。测试结果表明，该系统具有稳定性强、调节速度快的特点，很

好的满足了提出的性能指标。

关键词：电子负载；控制功率；恒流；恒压； 恒阻

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引 言

电子负载是一种能以手控或程控方式吸收电能的仪器，起到可变电流吸收

器、可变电源电阻器或分路电压调节器作用，当它吸收可变电流时将维持某一固

定电压。系统主要工作于恒压、恒流和恒阻三种工作模式，可用于交直流的电源

的测试，现有的电子负载大多以模拟环节控制，单片机为核心控制系统，由于受

到处理器自身硬件资源和速度的限制，硬件电路设计复杂，数据实时处理能力差，

调节和控制的适应性和可靠性差，难以适应不同电源的具体情况。随着计算机技

术尤其是超大规模集成电路技术的发展，具有更强处理能力的单片机，以其运算

速度快、实时性强、功耗低、抗干扰能力强等特点愈来愈多地被应用，采用集成

ADC模数转换器的单片机芯片作为整个系统的核心控制单元，大大减少了系统对

外围器件的需求。

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1.系统设计

1.1总体设计方案

1.1.1设计思路

题目要求设计一个直流电子负载，有恒流、恒压和恒模三种模式，可手动切

换。设计中切换部分采用程控键盘切换，而三种模式都是采用运算放大器结合反

馈网络组成的电路实现，根据设计要求，此电路中的反馈网络以场效应管为核心。

控制部分采用单片机来完成，显示采用液晶模块。恒压模式、恒阻模式与恒流模

式硬件实现方法基本相同，软件实现方法类似。

图2-1 直流电子负载系统实现框图

该系统实现框图如上图2-1所示，包括主控器、键盘、显示电路、MOSFET

功率电路和信号处理电路五个部分，信号处理模块包括信号调整电路和信号调理

电路。图2-1中的待测电源是直流电子负载的待测电源，不属于直流电子负载的

系统组成。

1.1.2方案论证与比较

1.主控器模块的设计方案与选择

主控器负责控制与协调其他各个模块工作，并进行简单的数字信号处理。在

整个电子负载系统中，主控器是系统的控制中心，其工作效率的高低关系到系统

效率的高低以及系统运行的稳定性。

方案一：采用ATMEL 公司的AT89C51。51单片机价格便宜，应用广泛，使

用AT89C51需外接两路AD转换电路，实现较为复杂。

方案二：采用宏晶单片机STC12C5A60S2。STC12C5A60S2比普通51单片机快

8～12倍，尤其是其单片机内部有10位高速ADC,可以省去外接两路A/D转换电

路，大大提高了系统的整体性能和集成度。

选择方案二以宏晶单片机STC12C5A60S2为核心，组成单片最小系统。

2.键盘模块的设计方案与选择

方案一：采用矩阵式键盘。将键盘排列成矩阵形式，需要通过软件对按键进

行判断和定义，且接口电路由单片机系统直接访问和控制，键盘的扫描、去抖动、

判断和编码等操作都需要单片机完成，这样会使得单片机的工作量非常大，使单

片机的效率降低。

方案二：采用专用的按键扫描控制芯片。能够独立的完成对键盘中按键的扫

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描与管理，并且通过简单接口与微控制器进行连接。使用按键扫描控制芯片来完

成微控制器的键盘管理，可以大大的提高微控制器的工作效率。

选择方案二，在本直流电子负载中，采用周立功公司生产的ZLG7289键盘扫

描控制集成芯片。

3.显示模块的设计方案与选择

方案一：采用数码管显示。数码管具有接线简单，成本低廉，配置简单灵活，

编程容易，对外界环境要求较低，易于维护等特点。但是，考虑到普通数码管能

够显示的信息量有限，并且一般情况下要显示较多的信息所占用的系统I/O资源

较多。

方案二：考虑到本系统中显示的内容以及系统的实用性，采用液晶显示

（LCD）。液晶显示具有功耗低、体积小、质量轻、无辐射危害、平面直角显示以

及影响稳定不闪烁、画面效果好、分辨率高、抗干扰能力强等优点。点阵式LCD

不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线及汉字，并且可以实现屏

幕上下左右滚动、动画、闪烁、文本特征显示等功能。

选择方案二，本系统采用的点阵式LCD型号为FYD12864。

4.MOSFET功率电路的设计方案与选择

方案一：采用MTY25N60E MOS管，它常用于电力领域的应用。专为高电压、

高速开关芯片,可以应用于电力供应、电机控制、PWM变流器等领域。

方案二：采用达林顿TIP122芯片。TIP122芯片效率比方案低，功耗也相对

较高。其通用参数为：

电流参数：IC=5A/ICM=8A/IB=0.1A

电压参数：UCEO=UCBO=100V/UEBO=5V

功 率：Ptot=65W

极 性：NPN

通过比较论证，选择方案二，采用MTY25N60E。

5.信号处理电路的设计方案与选择

本系统设计信号处理包括滤波、A/D转换、D/A转换和运算放大器对信

号的放大。A/D转换由宏晶单片机STC12C5A60S2内部提供，低通滤波就是用简

单的电容并联来实现，故只对DA转换电路和运算放大器提出方案。

（1）D/A转换电路

方案一：采用DAC0809。DAC0809是并行8位数/模转换器，占用端口多，转

换频率低于1M。

方案二：采用TLC5615。TLC5615是串行10位数/模转换器，占用端口少，

转换频率高。

两者相比TLC5615的速度快，故选择方案二。

（2）信号放大电路

方案一：采用LM358。LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补

偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工

作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传

感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

方案二：采用OP07。OP07是一种低噪声，非斩波稳压的双极性运算放大器，

价格比较贵，使用于高增益的测量和放大传感器的微弱等方面。可作为一种双极

晶体管和小信号数字化的MOSFET取代低电压应用。

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