2016年全国大学生电子设计竞赛(F题)直流电子负载设计制作

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一粒轻沙

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查看: 38回复: 0 发表于 2019-2-11 16:08:10   只看该作者
本帖最后由 bluesky 于 2019-1-28 09:24 编辑

摘  要
本电子负载采用 MSP430F2616 单片机作为系统的控制芯片,可实现以下功能:有恒压、恒流和恒阻三种模式,并且可以在三者之间通过键盘输入程控切换。
通过按键及DA转换设置电压、电流、电阻的基准;模拟电路部分主要采用比较器控制负载回路上的主控NMOS管栅压,从而控制其导通情况即回路等效阻抗;AD对输出电压、电流采样并通过液晶显示;最后增加了过载保护、短路保护和过热保护。在实现基础功能的基础上,CV范围扩大为0-35V,CC扩大为0-4A,CR范围为1-99Ω,并且增加了通过无线模块实现的手持显示器。
关键词:直流电子负载  无线  MSP430F2616

一、方案论证与设计
系统框图:

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图1  直流电子负载系统实现框图

该系统实现框图如上图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.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TI单片机MSP430F2616。MSP430F2616比普通51单片机快8~12倍,尤其是其单片机内部有12位ADC和12位DAC,可以省去外接两路A/D转换电路,并且有丰富的I/O口,大大提高了系统的整体性能和集成度。
选择方案二以TI单片机MSP430F2616位控制核心,组成单片最小系统。

2. 恒流工作模式的设计方案与选择
方案一:完全采用数字反馈控制的恒流源方案
这种电路是完全通过数字反馈实时调整由于负载变化带来的电流变化,并不以基本的恒流电路为基础。原理图如图2所示。
取样电阻R串入负载回路,放大取样电阻两端的电压,通过A/D转换可以得到负载回路的电流值,控制器采用一定的控制算法调节D/A输出的电压值,放大后直接作为负载的电源使用。
这种方案在控制原理上较简单,原则上可以用在任意控制要求中。但是缺点是电路本身不具备恒流特性,负载变化引起的电流变化完全依赖数字反馈来调整。受控制器运算速度、模数/数模转换精度和速度影响,抗负载波动能力差。所以不采用图2所示全数字控制方案。      

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图2 全数字反馈恒流源方案

方案二:压控恒流源电路
该方案的基本思路是,模拟电路部分本身是恒流电路,对负载变化能自动调节。压控部分通过数字反馈控制,闭环控制作精确微调。                              
如图7所示,该方案采用场效应管和集成运放,组成电压比较电路,通过比较运放1两个输入端的电压,控制MOS管的工作的状态,使它具有恒流特性。R4为取样电阻。此方案的调节速度快,系统的跟随性好,恒流性能优越,转换速度快,控制精度高。
综上考虑,恒流工作方式的电路采用方案二:压控恒流电路方案。

3. 恒压工作模式的设计方案与选择
方案一:采用可调稳压管电路,可以稳定到稳压值,但是该电路需要稳压范围1V~35V可调,可调稳压管不能完成,而且误差较大。
方案二:类似恒流工作模式方案一的全数字反馈方案
如图3所示,与全数字反馈的电流源电路原理先死,如果用于电压精确可调的可变电源源场合,全数字方案无疑可以带来极大方便。故选用方案二。                                                                   
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图3 全数字反馈的电压源

4.A/D的设计方案与选择
A/D转换器是将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号以便于数字系统进行处理,存储、控制和显示。题目要求精度在5%,所以A/D转换器精度最小为8位。
方案一:采用M430自带的12位A/D转换器。自带的A/D转换器为逐次逼进型AD,虽然分辨率可以满足要求,但抗干扰能力较弱,因此不宜采用。
方案二:采用双积分式的11路独立输入的A/D转换器TLC2543。A/D的分辨率为12位,可实现精确到0.1毫安级精度的控制。作为一款双积分式AD,其抑制高频噪声和固定低频干扰(50HZ或60HZ)的能力很强,us级的转换速率也完全满足系统要求,因此选用方案二。

5.D/A的的设计方案与选择
D/A转换器是指将数字量转换成模拟量的集成电路,它的模拟量输出(电流或电压)与参考量(电流或电压)以及二进制数成比例,可方便实现数字量到模拟量的转化。
方案一:采用D/A转换器AD7564。AD7564为12位的数模转换芯片,转换速度快,精度高。但是在设定参考电压的时候,以0.01V步进,不能满足要求。
方案二:采用DAC8811,是16位的DA。由于其线性度和稳定性都非常好,在硬件上保证了系统不会出现过大的震荡和超调,能显著提高电子负载的品质。

6.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IRF540N芯片,具有低的导通内阻、快速开关和低热敏电阻。
因为在此题目下,MOS管需工作在可变电阻区,且承受最高3A的电流,发热比较严重,通过比较论证,选择方案二,采用IRF540N。

7.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TI单片机MSP430F2616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。
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,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。
选择方案二:OP07在高增益和高功率上比LM358占优势。

8.工作模式切换的设计方案与选择
题目要求恒压工作模式、恒流工作模式和恒阻工作模式,为了避免相互干扰,恒流、恒压和恒阻电路分别独立设计。要实现三种模式的切换,必须引入可靠的开关。
方案一:采用CD4051 COMS模拟开关
此方案的优点是开关速度快,缺点是引入该开关后,电池两端的地线选择困难。实际应用中开关本身对模拟信号的支持不佳,极大影响电路整体精度。
方案二:继电器开关
继电器是最可靠的电气隔离方式,采用继电器开关后,电池充电电路的地线选择非常方便,切换和工作非常可靠,对模拟信号传递没有任何障碍。
选择方案二继电器开关。

二、电路设计及理论分析
电路设计部分:
1.恒流电路的设计
恒流工作模式时,电子负载所流入的负载电流是根据设定的电流值保持而恒定,与输入电压无关,体现了它的恒流特性。恒流电路图如图4所

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图4 恒流电子负载电路

当设置当前恒流值后,单片机控制DA输出相应的基准电压,此基准电压作为运放1的同相端输入。当输入电压增加时,R4(检流电阻)的分压增加使得运放1的V- 也增加,MOS管Q1关断,R4分压减小,负反馈最终使运放1的V-和V+相等,维持平衡。即R4上的电压恒定,也即是流过R4的电流恒定;当输入电压减小时,R4分压减小,Q1导通程度大,R4分压相对提高,最终也要实现运放1的V-和V+相等,从而实现设定的稳定电流。

2.恒压电路的设计
恒压工作模式时,电子负载所流入的负载电流根据设定的负载电压而定,此时负载电流将会改变直到负载电压等于设定值为止,则电子负载电压保持设定值不变,体现了恒压的特点。恒压电路如图5所示。

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图5 恒压电子负载电路

由DA输入设定值参考电压值与R5、R7分压后的电压值,用运放进行比较。若运放正负输入端电压不相等,则运放输出控制MOS管开通,使输出电压恒定。达到恒压工作模式。

3.恒阻电路的设计
恒阻工作模式,电子负载所流入的负载电流根据所设定负载电阻和输入电压的大小而定,此时负载电流与输入电压成正比,比值就是负载电阻。
恒阻的原理是基于恒流的原理实现的,主要是通过在恒流电路的基础上通过单片机MSP430F2616检测到的输入电压来计算电流,使两者成比例,可达到实现恒阻的目的。恒阻电子负载电路如图6所示。

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图6 恒阻电子负载电路

假设要求恒阻模式时的电阻为R,有R/R1=N,将DA的电压设成V/N,所以R1两端的电压也是U/N,所以又
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由于不断的对电压采样,DA也在随电压变化而变化。这种情况下,表达式中不出现电压,即电路的等效电阻是恒定的,因此实现了恒阻模式。

4.MOS电路的设计
电路当中使用IRF540N为N沟道增强型的MOS管,在恒流工作模式时需工作在可变电阻区,已达到恒流的工作特点。所以需通过调节MOS管的UGD>UGS(th)这就需要MOS管工作在可变电阻区时UGD>3V。

5.保护电路
(1)过载保护路
负载回路上的电压设定不得超过40V。在电流值采样端,电压不得大于5V,即流过1欧姆电阻的电流不得超过5A,实际中设置为4A,流过10欧姆电阻的电流不得超过0.5A,实际设定为0.4A。当达到过载值时,单片机经过AD得知后,会迅速把控制主控MOS管栅压的MOS管导通,将栅压拉到GND,使主控管截止,断开负载,同时蜂鸣器会发声提醒。过载保护电路图如附录。
(2)过热保护
因为电子负载内的MOS管在调整电路时工作在可变电阻区,在调整电流时会过热。本系统能够实现对电子负载内部的功率器件以及电源的温度进行实时监测,当温度超过限定值时采取一定的措施防止温度进一步升高以免发生危险。系统温度检测是由数字温度传感器ds18B20实现的。Ds18b20具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。硬件接口电路附录图?所示。
18B20实现对功率器件温度的检测。当检测到温度高于60度时,风扇工作;当温度小于55度时,风扇停转。

6.无线显示模块
用的nRF24L01芯片,用另一个单片机MSP430FE427A接收主控单片机发送的数据,并通过12864显示电压、电流的设定值及实际AD采样值。

三、 软件设计部分
1.程序设计
本设计对单片机程控输出数字信号,经过D/A转换器输出模拟量,再经过运算放大器隔离放大,控制输出功率管的基极,随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。在通过键盘设定好需要输出电流值后,单片机对设定值按照一定的算法进行处理。经D/A输出电压控制恒流源电路输出相应的电流值。单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控,输出电流经过电流/电压转变后,通过A/D转换芯片,实时把模拟量转化为数据量,再经单片机分析处理,通过数据形式的反馈环节,使电流或者电压更加稳定。  程序流程图附录如图6所示。

四、系统测试和数据分析
1.测试方法
(1)在测试基本部分指标时,接 欧姆负载RL,让电源处于额定输出功率工作状态下,测量直流输出电压U0和总电流I0,并利用公式n=U02/(24*I0*RL)来计算供电系统的效率。调整负载电阻,保持输出电压U0=8.0±0.4V,使两个模块输出电流之和分别为I0=1.0A和I0=1.5A,且分别设定I1 :I2=1:1和I1 :I2=1:2模式分配电流,测量I1 、I2的大小,计算误差。
(2)在测试发挥部分指标时,调整负载电阻,I0在 1.5~3.5A之间变化,设定电流比在(0.5~2.0)范围变化,在此,我们取两个模块输出电流之和分别为I0=2.4A和I0=3.5A,
且分别设定I1 :I2=0.8和I1 :I2=1.8模式分配电流,测量I1 、I2的大小,计算误差。

2.测试数据表格
(1)恒流模式的测试
通过键盘设置恒定值和稳压电源提供不同的端电压,测得测试点电流数据如附录表1所示。
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2%。说明系统在恒流模式下工作正常。
(2)恒压模式的测试
恒压模式的测试方法与恒流模式相类似,其测试所得数据如附录表2所示。
由数据表明,实测电压的值都稳定在设定值左右,经计算,相对误差小于1.5%。说明系统在恒压模式下工作正常。
综上所述,系统符合测试要求。
(3)恒阻模式的测试
测试所得数据如附录表3所示。

五、结论与系统改进措施
(1)负载工作模式可以三种切换,超出题目要求。
(2)恒压工作状态下,调节相对误差为4.1%,完全满足题目要求。
(3)恒流工作状态下,调节相对误差为3.4%,完全满足题目要求。
(4)具有负载短路保护及自动恢复功能,保护阈值电流为 4.6A(偏差范围为0.1),满足题目要求。

六、结束语
经过四天三夜的辛勤努力,我们实现了题目的要求。在某些性能参数上超过了题目的要求。但由于时间紧,工作量大,系统还存在许多可以改进的地方,比如电路布局和抗干扰方面还有很大的提升空间。相信经过改进,性能还会有进一步的提升。本次竞赛极大的锻炼了我们,虽然遇到了很多困难和阻碍,但总体上成功与挫折交替,困难与希望并存,我们将继续努力争取更大的进步。





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