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
- \- T; V7 a# Z9 h# b; {% G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。
5 Q0 i8 J$ R, W  k! z, {* R% P  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
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
% M6 i) g  u  }  D0 E+ F4 q- {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
! o2 s$ K: T1 C2 l: V还具有自动电流、电压测量校准功能以提高测量精度。
9 }# {/ z; c4 T! z( ^. Q5 [/ Z
9 H" f, t9 q& O! @# n* u一、系统方案
1、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
' Q' ]+ h- y5 Y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
) V7 I. o4 `! O% P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。
方案二：采用硬件闭环控制
: B/ Y3 L1 E' E  w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
5 w/ u+ k4 `! F. h! Y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。
7 g7 g% ]4 E' L0 ]- T图1 硬件闭环稳流控制
6 a+ c2 e5 F. ~% `' O! `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
电流输出。综合以上方案优缺点，决定采用方案二。
4 ~" a* U- _8 ^4 E' ~0 u8 @（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
/ _, b6 q- i$ G* P  O9 u慢，在处理对精度有较高要求时表现明显不足。
- a6 n  ?/ ^8 A0 v  z方案二：采用美国TI 公司的MSP430 微处理器
5 Y, Z5 Z9 P, e- z& C8 B! c1 i# M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
) w5 Z  M% N, m# k2 g; @2
4 X& j  t- |7 ]9 u& B/ m" w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
) K0 @! ?1 L: `# }3 L& t$ w10MHZ ，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
1 D. `5 _! ^+ S4 _7 N扩展带来了极大的方便。
2 h4 U. m- I5 r, {. V# ~! u综合以上方案优缺点，我们决定采用方案二。
7 F# W# j  J0 q8 B( q（3）显示模块方案
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
7 l& d# L/ b) h. E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。
, x* z5 |. H4 x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 ）。
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
- c0 a8 O. ~3 ~9 z! D% {# p6 K接口更加简单可靠，操作更加方便。
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
  a: j/ B. U/ V( F6 N1 k8 _（1）总体思路
$ _% r$ R+ l( _: Y& g) 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
% K! ]* a( n0 \* P  ~. T/ A  c12864 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，
8 S2 a' Y) K; u: X% j$ w* p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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