基于单片机的直流电子负载的设计方案

本文提出了一种基于STC12C5A60S的直流电子负载的设计方案。主要以高速、低功耗、超强抗干扰STC12C5A60S单片机为控制核心设计直流电子负载。包括控制电路（MCU）、主电路、采样电路、显示电路等，能够检测被测电路的电流值、电压值等各个参数，并能直观的在液晶上显示。本系统由自锁开关控制电路的工作状态，通过手动调节开关切换在恒压、恒流、恒阻电路之间的工作状态，由LED灯指示相应的工作状态。系统的稳压范围为1V-30V，稳流范围为100mA-3.5A，误差0-5%在题目要求范围内，达到题目要求并扩展了恒压、恒流的范围。由单片机控制，通过按键达到对恒压值或恒流值在一定范围内的控制，设置了过载保护，通过亮灯显示过载。

　　1.方案设计与论证

　　1.1 整体方案设计

　　基于手动调节单片机控制的直流电子负载。

　　本方案通过两个自锁开关来控制电路的工作状态，在恒压、横流、恒阻之间进行切换，通过stc12c5a60s单片机通过D/A芯片控制恒压、恒流等的值，stc12c5a60s是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051，但速度快8-12倍，8路高速10位A/D转换。采用大功率NMOS管IRF540，该管导通电阻足够小，源漏抗击穿能力足够强。软硬件结的方式，方便简洁实现了不同模块之间的转换，很好的完成了恒压、恒流等基本功能，并完成了恒阻等附加功能。

　　由单片机采集电压、电流值，检测电路过载控制继电器工作，实现电路的过载保护并报警。

　　1.2 模块方案

　　1.2.1 恒压设计方案

　　方案一：用晶体管来实现电压放大和比较，基极和发射极分别相当于比较器的负、正输入端。基极本身会分得一部分电流，同时还会有个电流Ibe影响发射极的电压。这样的电路能够实现恒压功能，但是误差比较大，同时还有较大的功率损耗。

　　方案二：直接用运算放大器OP07芯片来实现电压的放大和比较电路看起来简单易懂。电路可以实现恒压功能模块，相对误差较小。综合考虑选择方案二1.2.2 恒流设计方案

　　方案一：用同一型号的三极管，利用三极管相对稳定的Ube作为基准，这种恒流模式简单易行，而且电流的数值可以自由控制，产品成本低，不同型号的管子，其Ube不是固定值，即使是相同型号也有一定的个体差异。同时不同的工作电流下，这种电压也会有波动，不是精密的恒流需求。

　　方案二：用一个运放作为反馈，即选用OP07芯片来实现恒流功能模块的放大和比较其电路有足够的精度和可调性，原件普遍易于搭建和调试。

　　综合考虑选择方案二。

　　1.2.3 显示模块

　　方案一：采用数码管显示。显示可以用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低、易于维护等特点。电压和电流的显示可以用数码管，但数码管只能显示简单的数字，占用资源较多，现实信息少，不易显示大量信息。

　　方案二：采用带字库的2.4寸tft屏幕为显示模块。硬件连接方式简单，而且显示内容丰富生动，可以设计友好的人机交互界面，易于人机交流。

　　考虑到系统的、显示内容以及系统的实用性，我们采用方案二。

　　2.电路设计

　　2.1 恒压电路

　　TEXT和GND的为测试点。电路整体是个负反馈：当TEXT高于设定值时，运放输出高电压，Q1导通度增加，负载阻抗变小，和电源内阻分压，TEXT减小，直至V+=V-；当TEXT低于设定值时，运放输出低电压，Q1到通度减小，负载和电源内阻分压变大，TEXT增大，直至V+=V-.

　　2.2 恒流电路图

　　TEXT和GND为测试点，OP07中V+=V-.当V+>V-时，运放输出高电压，Q1导通度增加，电流增大，V-升高，达到V+=V-.当V+

　　2.3 恒阻电路图

　　当滑动变阻器打到5 0 % 时电阻分压V+=1/2Vin=V-，电流I=Vin/4，R=Vin/I=4欧，电源电压与电流成正比例变化。可以用单片机实现，R=VText/I，由恒流原理实现。（如需长时间测试，MOSS管最好接大散热片）

　　3.软件设计

　　软件设计中，电压电流采集数据经A/D转换后送入C8051F360单片机，与设定值进行比较，然后按要求进行控制，同时对电压、电流和电阻参数进行显示。主程序流程如图5所示。

图5 系统程序流程图

　　4.测试数据与结果分析

　　4.1 恒压测试数据

　　4.2 恒流流测试数据

　　结果分析：由数据表明，实测电流的值都稳定在设定值左右，经计算，相对误差小于3%.说明系统在恒流模式下工作正常 实测电压的值都稳定在设定值左右，经计算，相对误差小于3%.说明系统在恒流模式下工作正常。

　　实测电阻的值都稳定在设定值左右，经计算，相对误差小于3%.说明系统在恒流模式下工作正常。

　　4.总结

　　本问提出一种基于STC12C5A60S的直流电子负载的设计方案。本方案中设计的直流电子负载主要以高速、低功耗、超强抗干扰STC12C5A60S单片机为控制核心，由自锁开关控制电路的工作状态，通过手动调节开关切换在恒压、恒流、恒阻电路之间的工作状态。系统的稳压范围为1V-30V，稳流范围为100mA-3.5A，误差0-5%在题目要求范围内，达到对恒压值或恒流值在一定范围内的控制，设置了过载保护，通过亮灯显示过载，经验证，本方案具有实际的应用价值。