直流电子负载的设计

直流电子负载的设计

第25卷第42011年4月

常熟理工学院学报（自然科学）

JournalofChangshuInstituteTechnology（NaturalSciences）

Vol.25No.4Apr.,2011

直流电子负载的设计

吴文进，江善和，任小龙

（安庆师范学院物理与电气工程学院，安徽安庆）

摘

要：以PIC16C716低功耗单片机为核心设计了可以在恒压和恒流两种模式下工作的直流电子

负载.通过功率控制，在恒流模式下，流过负载的电流恒定不变，且电流值可以设定；在恒压模式下，加在负载上的电压恒定不变，且电压值可以设定.系统可以显示电压电流参数，测量误差在0.5%以内.

关键词：PIC单片机；功率控制；恒压模式；恒流模式中图分类号：TP273.1

文献标识码：A

文章编号：1008-2794（2011）04-0086-04

直流电子负载用于测试直流稳压电源、蓄电池等电源的性能，它可以模拟真实环境中的负载（用电器）.与传统的模拟电阻性负载相比具有节能、体积小、效率高等优点,在电源、通讯、汽车、蓄电池等领域有广泛的应用，并成为当前研究的热点.本文设计了一种电子负载，有恒流和恒压两种模式，可手动切换.恒流方式时要求不论输入电压如何变化（在一定范围内），流过该电子负载的电流恒定，且电流值可设定.工作于恒压方式时，电子负载端电压保持恒定，且可设定.

1系统组成

系统主要由比较、检测、显示、功率控制等电路组成，以一片PIC16C716低功耗单片机为核心，根据测量需

要可以选择恒压和恒流两种工作模式.被测电源加在负载两端后，在恒流模式下，当被测电源输出变化时，通过比较电路驱动功率控制模块耗散功率，使流过负载的电流恒定不变，同时系统通过检测驱动显示电流值；在恒压模式下，当被测电源输出变化时，通过比较电路驱动功率控制模块耗散功率，使负载两端的电压恒定不变，同时系统通过检测驱动显示电压值.系统原理框图如图1.

2系统硬件电路设计

（1）电压采样：采用HCPL—7840芯片作为电压采样电路的主要控制元件.HCPL—7840是HP公司出品的

2.1电压、电流采样电路设计

双直插8脚封装的集成隔离放大器，它有优越的性能，像CMRR、失调电压、非线性度、工作范围温度和工作电

收稿日期：2011-03-09

基金项目：安徽高校省级自然科学研究项目（KJ2011Z232）.

作者简介：吴文进（1975—），男，安徽安庆人，安庆师范学院物理与电子工程学院讲师，硕士，研究方向：现代电力电子技

术及应用.

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压等都有严格的指标.它能够传输模拟信号的线性光耦，对主电路和控制电路进行隔离，这样可减弱电源噪声和电磁干扰的影响，避免电流功率电路对控制电路的损害.

（2）电流采样：借助采样电阻首先将电流信号转换为电压信号，再用HCPL—788J隔离，它是带短路和过载检测功能的隔离运放芯片，电流过载后能在5μs从内部向单片机发送中断信号，及时保护MOSFET.其输入范围为：-250mv～+250mv；对应输出为0～4V；电子负载电流输入范围是0～5A；选用0.04Ω采样电阻.2.2电压、电流显示电路设计

显示电路设计采用了ICL7107芯片，如图2.ICL7107是高性能、低功耗的三位半A/D转换器电路，它包含有七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统，ICL7107可直接驱动发光二极管（LED）.ICL7107将高精度、通用性和真正的低成本很好的结合在一起，它有低于10μV的自动校零功能，零漂小于1μV/℃，低于10pF的输入电流，

+

5V

图2显示电路

2.3功率控制电路设计

功率控制电路采用ATMEG8芯片作为主要器件，电路如图3和图4.ATMEG8具有高性能、低功耗的使用特性.它是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位COMS微控制器.由于其先进的指令集及单时钟周期指令执行时间，ATMEG8的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾.主电路结构采用MOS管外加运放电路，且加大功率管散热片面积，确保装置工作稳定，减小测量误差.

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PIC16C176单片机，与设定值进行比较，然后按要求对

图3功率控制原理图（主电路结构）

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功率进行控制，同时对电压和电流参数进行显示.程序采用数据环形缓冲技术，当有中断服务程序出现时，程序会把读到的值存放到一个环形缓冲队列中，主程序不停的查询环形缓冲队列中是否有中断服务程序的出现，若有，则按顺序读程序并处理.程序起始段定义了电压采集函数、电流采集函数、显示函数、定时初始化函数、定时器中断函数和采集数据存入的数组，以方便主程序调用，具体代码及其功能如下：

#include<pic.h>__CONFIG(0x1ffe);__IDLOC(0000);

//烧写配置位

constunsignedcharTABLE[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,图4功率控制原理图（ATMEG8芯片外设电路）

0X82,0XF8,0X80,0X90};//定义常数0-9的数据表格

voidadinitial_voltage(void);//电压采集函数,可在IDE内将浮点数配置为32位以提高显示精度.系统默认为24位

voidadinitial_current(void);//电流采集函数voiddisplay(unsignedint);voiddelay(unsignedcharx);

bank1unsignedcharmax=0,min=0,i=0,K=15,L=15,M=15,DIS=0x7f;bank1unsignedlongsum=0,timesit=0;bank1unsignedintcurrent=0,voltage=0;

unsignedcharAD_data[70]={0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};//AD采集存入数组voidtmint(void);

//定时初始化函数.

//定时器中断函数

//定时初始化函数

voidinitial();//系统初始化voidinterruptclkint(void);voidtmint(void){

asm("clrwdt");T0CS=0;PSA=0;PS2=1;

256分频

PS1=1;PS0=1;T0IF=0;T0IE=1;

}

主程序流程图如图5：

//T0IF是TMR0溢出中断标志位，当其＝1//T0IE是TMR0溢出中断允许位当其＝1

//显示函数

其中定时初始化函数编程代码及其功能如下：

//T0CS是TMR0的时钟源选择位，当其＝1时是用RA4（T0CKI）的外部//PSA是预分频器分配位，当其＝1预分频

输入时钟，当其＝0时是用内部指令周期时钟（CLKOUT）器分配给WDT，当其＝0时预分频器分配给Timer0模块

//PS2:PS1:PS0：预分频比选择位111是

时TMR0寄存器已经溢出（必须用软件清零），当其＝0时寄存器尚未发生溢出时允许TMR0溢出中断，当其＝0时禁止TMR0溢出中断

图5主程序流程图

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4系统测试

在恒流模式下，将选择开关打到恒流

表1恒流模式下负载电流设定值随电源输出电压的变化

负载电流设定值

2v

0.10A0.55A1.49A2.50A3.00A

8v

12v

电源输出电压14v

16v

20v

24v

26v

模式，设定恒流值后，改变稳压源的输出，观察显示的电流和电压值并记录数据，测试数据见表1.在恒压模式下，将选择开关打到恒压模式，设定恒压值后，改变稳压源的输出，观察显示的电流和电压值并记录数据，测试数据见表2.

测试数据分析：在恒流模式下，电流设定值从0.10A—3.00A变化时，调节被测电源的输出，设定的电流值几乎不变化，误差在0.5%以内，符合设计要求.在恒压模式下，设定电压小于3V时，随着电源输出的变化，测量值与设定值之间的误差略大；当设定值在3V—30V变化时，测量值与设定值之间的误差均控制在1%以内，符合设计要求.

0.10A0.10A0.10A0.10A0.10A0.10A0.10A0.10A0.55A0.55A0.55A0.55A0.55A0.55A0.56A0.56A1.49A1.49A1.49A1.49A1.49A1.49A1.49A1.49A2.50A2.50A2.50A2.51A2.51A2.51A2.51A2.51A3.00A3.01A3.01A3.01A3.01A3.02A3.02A3.02A

表2恒压模式下负载电压设定值随电源输出电流的变化

负载电压设定值

1.00V6.00V10.00V16.00V22.00V25.00V30.00V

电源输出电流

0.2A1.01V6.01V

0.8A1.02V6.02V

1.2A1.03V6.03V

1.8A1.05V6.03V

2.2A1.06V6.04V

2.6A1.07V6.06V

3.0A1.10V6.07V

10.0V10.00V10.01V10.01V10.02V10.03V10.04V16.00V16.00V16.02V16.02V16.04V16.05V16.05V22.0V22.01V22.02V22.02V22.03V22.04V22.05V25.00V25.00V25.01V25.02V25.02V25.03V25.04V30.00V30.02V30.04V30.05V30.05V30.07V30.09V

5结论

以一片PIC16C716低功耗单片机为核心，设计出可以在恒压和恒流两种模式下工作的直流负载装置.该直流电子负载工作稳定，测量精度和性价比均优于其他同类产品.参考文献：

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[2]马棡，刘圆圆，瞿文龙.一种双向DC/DC变换器的稳态特性分析[J].电力电子技术，2007，41（5）：15-18.[3]万福君，潘松峰.单片微机原理系统设计及应用[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2001.[4]沙占友.开关电源优化设计[M].北京：中国电力出版社，2002.

[5]陈永真，韩梅，陈之勃.全国大学生电子设计竞赛硬件电路设计精解[M].北京：电子工业出版社，2008.[6]杜少武，陈中.一种新颖的软开关双向DC/DC变换器[J].电力电子技术，2007，41（7）：21-23.

TheDesignofDCLoadSystem

Abstract：TheDCloadsystemwiththemaincomponentofPIC16C716low-powerMCU,canworkintheconstantchangesornot,andthecurrentcanbeset.Intheconstantvoltagemode,nomatterhowthecurrentchanges,theloadvoltageisconstant,andvoltagevaluescanbeset.Thesystemcandisplaythevoltageandcurrent,andthemeasurementparameterserrorislessthan0.5%.

Keywords:PICMCU;powercontrol;constantvoltagemode;constantcurrentmode

(SchoolofPhysicsandElectricalEngineering,AnqingNormalCollege,Anqing246011,China)

WUWen-jin,JIANGShan-he,RENXiao-long

voltageandconstantcurrenttwomodes.Inconstantcurrentmode,thecurrentisconstantwhethertheloadvoltage

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/bbrj.html