2012年江苏省大学生电子设计竞赛（TI杯）
简易直流电子负载（C题）
设计报告
二O一二年八月八日
摘要：本系统设计的直流电子负载，以TI的MSP430F169单片机为主控芯片，包括控制器、矩阵键盘、液晶显示、恒流电路、辅助电源电路、电压电流检测电路。系统以比例—积分调节作为恒流控制核心，电流采样采用TI提供的ADS1115和INA282芯片，辅助电源采用TI提供的TPS54331和LM2576电源芯片。以三极管TIP42C为功率器件，通过控制其基极电流达到控制负载电流的目的。本系统还扩展了简单的恒阻、恒压、动态带载以及描绘U-I特性曲线的功能。本报告着重阐述了系统框架、工作原理、软硬件设计，并给出了系统各项数据测试表。测试结果表明，该系统具有稳定性强、调节速度快的特点，很好地达到了题目要求的性能指标。
关键词：直流电子负载 恒流 恒阻 恒压 动态带载 U-I特性曲线
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Abstract：The design of the system DC electronic load involves the master chip--TI's MSP430F169 MCU controller, matrix keyboard, LCD, constant current circuit, the auxiliary power supply circuit, voltage and current detection circuit. System to proportional - integral adjustment as a constant current control core, proportional to speed up the adjustment speed, integral system without static error.The current sample provided by TI ADS1115 and INA282 chip. Auxiliary power is provided by TI TPS54331 and the LM2576 power chip. Transistor TIP42C power devices controlled by controlling the base current to achieve the purpose of load current. The system also extends the simple constant resistance, constant voltage and simulate dynamic load. This report focuses on a systems framework, working principle, hardware and software design, and gives the system the data test sheet. The test results show that the system stability, adjust the speed and quickness, a good performance to the subject requirements.
Key words：DC Electronic Load constant current constant resistance constant pressure Dynamic load U-I characteristic curve
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一、系统方案
1.1赛题分析
题目要求实现一个恒定电流工作模式的直流电子负载，并且电流值能够任意设定，同时还要求实时检测电压值和电流值，并且达到一定的精度，系统还要求能够实现检测直流稳压电源的负载调整率。设计中利用PI调节使得负载电流恒定，利用MSP430F169控制器实现电流设定和功能切换，以TIP42C三极管为功率器件，通过控制其基极电流来控制负载电流。电压采样采用简易的电阻分压电路，电流采样采用TI提供的高精度、宽共模范围的电流采样芯片INA282，通过单片机检测空载和满载时的两个电压值可以顺利计算出直流稳压电源的负载调整率。 1.2核心技术
系统以PNP型三极管TIP42C为功率器件，用来消耗直流稳压电源提供的功率；以比例—积分调节来调节电路电流，一是使得电路电流恒定、二是使得电路电流跟随给定的变化；以MSP430F169为主控器，来实现电压电流采样、电流值设定以及工作模式选择。 1.3系统结构与功能
RW键盘与显示MSP430F169D/A给定PI功率器件直流稳压电源A/D采样电流检测电压检测图1 系统结构示意图
系统以TIP42C为功率器件，以PI调节为恒流控制核心，以MSP430F169为主控制器，可以实现键盘设定、液晶显示、DA给定以及电压电流的采样。 1.3.1恒流模式
当设定一个电流值之后，单片机通过内部计算给出相应的DA值，此时PI开始起调节作用，最后实现给定端与输入端达到一定，从而实现输出电流跟随给定的变化。（Rw为0欧姆）
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1.3.2恒阻模式
在恒流模式基础之上进行简单的扩展之后，可以实现恒阻模式。当设定负载等效的电阻值之后，单片机根据检测到的输入端电压计算出应该给定的电流值，从而实现恒阻模式。（Rw为0欧姆） 1.3.3恒压模式
恒压模式采用比较法，当设定电压值之后，单片机比较设定值与检测值的大小，当实际值比设定值小时，通过减小DA值来减小电路电流，从而减小电阻Rw上的压降来增加电子负载上的电压，从而实现恒压控制。（Rw不为0） 1.3.4动态带载
系统可以简单地模拟一个动态负载，实现负载电流按照梯形图样变化，动态负载的相关参数可以简单设置，同时单片机还可以通过电流采样芯片将电流波形在12864液晶上画出来。 1.3.5 U-I特性曲线描绘
在测量负载调整率时，系统还可以显示稳压电源输出电压与输出电流的关系。当电流在0到1A变化时，DA每改变一次，测量一次稳压电源输出电压，并
将此曲线在12864液晶上实时描绘出来。 1.4实现方法与方案选择 1.4.1主控制器
方案一：使用89C51单片机，由于51单片机编程较简单，通俗易懂，但是要想达到本题要求需要外加DA芯片。
方案二：使用MSP430F169单片机， MSP430 单片机是 16 位的单片机，采用了精简指令集（ RISC ）结构，只有简洁的 27 条指令，功能强，运行的速度快。同时自带DA，因此可以简化外围电路。同时430功耗低，符合时代要求。
综合可虑我们选择方案二。
1.4.2 AD采样电路
方案一：采样MSP430F169单片机自带的12位AD采样功能，根据计算难以达到题目要求的精度。
方案二：采用TI公司提供的16位高精度AD采样芯片ADS1115，此芯片的精度明显高于单片机自带的AD采样功能。
两者相比方案二能够更好地满足题目的要求。
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简易直流电子负载
