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
* h' N& g' s# W0 y9 `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。
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
# a/ Y! t  l% a3 B4 B* t, j5 f# d10mA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
* l; d0 u, b4 a6 e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
! {/ r9 @: T  [+ Y2 A  R) s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
3 R5 U2 ~6 {8 [6 Y3 {" j3 W! Y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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2 b3 ?/ F/ ^/ C* k一、系统方案
7 r3 [" U$ B3 {) ?  v1、方案比较与选择
! ~7 @, l7 M/ B( t! ~' q3 v. F, m3 Q（1）恒流源电路方案
方案一：采用软件闭环控制
3 S0 I. i( }: S9 {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
& L' h$ |3 |/ T4 h" c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
, T, ?0 a, ^: c. K. W; l' 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
" O. _* F1 j) L1 W7 z8 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，
# R& n. @4 u2 G& H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。
! g. W8 v, a5 D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
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
$ X/ a5 s5 b2 k/ o2 @7 x* B# V; ^- b5 }电流输出。综合以上方案优缺点，决定采用方案二。
9 H; X2 r& P. ~1 ]1 s+ J（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
* Z  l/ N# U+ J8 H, U' G2 B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。
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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+ j. X' N3 k0 H4 A8 |% C. \8 k" K; R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
10MHZ ，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。
（3）显示模块方案
/ i* [% N% @' m1 j方案一：采用八段数码管显示
( o1 r. `- T+ V4 G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。
: g1 T% d& j" ^, w  y方案二：采用12864B 液晶显示器
3 e' R* J1 y; ^4 [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
8 b3 x) ]. a; M接口更加简单可靠，操作更加方便。
& W3 G+ u( v, a& \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
3 e" n2 y" G- @& P液晶显示器。
2 T( X/ C( d) |# R2、总体方案描述
" F, O: @/ _) W" X4 Y6 F（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，
- c5 T  H8 _! x0 k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
8 t, b8 H. u* e6 |  X3 J7 t+ U/ i电路和过压保护电路采用5V 供电。

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