基于STC12C5A60S的直流电子负载的设计方案

　　摘要：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+<V-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，电流降低，直至V+=V-.所稳定的电流=V-除以阻值。

　　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，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。（作者：张安全）