簡易智能高精度直流電子負載的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了簡易智能高精度直流電子負載，包括單片機核心控制模塊、16位AD采樣模塊、12位DA輸出模塊、高精度電流檢測模塊、電壓采樣模塊、功率MOSFET驅(qū)動模塊以及為單片機和各個芯片提供所需的供電電源模塊，其中所述16位AD采樣模塊、12位DA輸出模塊分別與單片機核心控制模塊連接；所述通過按鍵對電流值進行預置，通過DA輸出模塊輸出模擬電壓信號，然后信號輸入功率MOSFET驅(qū)動模塊，驅(qū)動外部設(shè)備，然后進行反饋，再進行電流采集和電壓采集，輸出電流由高精度INA282監(jiān)控、檢測，檢測輸出電流經(jīng)16位AD采樣，反饋至單片機，實現(xiàn)恒流控制模式；通過數(shù)字PI控制技術(shù)，實現(xiàn)高精度恒壓控制模式，具有超高精度，可靠性強，電路設(shè)計簡單的特點。
【專利說明】簡易智能高精度直流電子負載

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及阻性負載，特別是涉及可恒流及恒壓模式的簡易智能高精度直流電子負載。

【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的電阻性負載是各種電阻器、固定電阻仿真恒定負載、可變電阻仿真變動負載，電阻消耗的功率就是等效功率，直流電子負載主要運用了功率半導體器件替代傳統(tǒng)的電阻等作為電能消耗的載體，使得負載容易被調(diào)節(jié)和控制，因而能達到很高的調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定性。同時通過靈活多樣的調(diào)節(jié)和控制方法，不僅可以模擬實際的負載情況，還可以模擬一些特殊的負載波形曲線，測試電源設(shè)備的動態(tài)和瞬態(tài)特性。在現(xiàn)實生活中，如充電電源試驗、蓄電池放電試驗以及購買電池、電源時都需要負載測試，因此對直流電子負載的精度、性能、成本等要求也越來越高。目前很多直流電子負載是采用開關(guān)電阻來控制恒定電流，由開關(guān)S和電阻R構(gòu)成開關(guān)電阻，特定直流電壓Vi加在開關(guān)管電阻上，調(diào)節(jié)PWM信號占空比來調(diào)節(jié)電路的輸入電流，通過閉環(huán)控制，實現(xiàn)輸入電流的恒定，但這種方法的輸入電壓必須不低于某一特定的值才能正常運行和保證控制精度。
實用新型內(nèi)容
[0003]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本實用新型提供超高精度、可靠性強、電路設(shè)計簡單以及成本相對低廉的簡易智能高精度直流電子負載。
[0004]為了達到上述目的，本實用新型通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):簡易智能高精度直流電子負載，包括單片機核心控制模塊、16位AD采樣模塊、12位DA輸出模塊、高精度電流檢測模塊、電壓采樣模塊、功率MOSFET驅(qū)動模塊、鍵盤與顯示模塊以及為單片機和各個芯片提供所需的供電電源模塊，其中所述16位AD采樣模塊、12位DA輸出模塊以及鍵盤與顯示模塊分別與單片機核心控制模塊連接，所述單片機核心控制模塊對電壓、電流和時間進行預先設(shè)定，單片機核心控制模塊內(nèi)置的12位DA輸出模塊分別連接恒壓模式、恒流模式以及環(huán)境模式的信號輸入端，恒壓模式、恒流模式以及環(huán)境模式的輸出端分別與功率MOSFET驅(qū)動模塊輸入端相連，所述功率MOSFET驅(qū)動模塊輸出端分別與高精度電流檢測模塊、電壓采樣模塊的輸入端相連，且所述高精度電流檢測模塊和電壓采樣模塊的輸出端分別與16位AD采樣模塊相連，所述單片機核心控制模塊外連接、實時電子鐘模塊、環(huán)境溫度檢測模塊以及聲光報警模塊。
[0005]本實用新型進一步設(shè)置為:所述的功率MOSFET驅(qū)動模塊輸出端連接過壓檢測模塊，過壓檢測模塊再與單片機核心控制模塊相連。所述的功率MOSFET驅(qū)動模塊外接過壓檢測模塊，過壓檢測模塊再與單片機核心控制模塊相連，實現(xiàn)聲光報警。使得整個系統(tǒng)設(shè)計更加安全可靠。
[0006]本實用新型進一步設(shè)置為:所述的單片機核心控制模塊的單片機采用W78E58單片機。功耗低，便于實現(xiàn)。
[0007]本實用新型進一步設(shè)置為:所述的16位AD采樣模塊采用超小型16位高精度AD轉(zhuǎn)換芯片ADS1115。提供內(nèi)置PGA，支持2路差動輸入，使用方便，精度高。
[0008]本實用新型進一步設(shè)置為:所述的高精度電流檢測模塊采用電流并聯(lián)監(jiān)控器INA282來檢測電流。高精度、寬共模范圍、雙向電流并聯(lián)監(jiān)視器。
[0009]本實用新型進一步設(shè)置為:所述的12位DA輸出模塊采用12位DA轉(zhuǎn)換芯片TLV5616。12位電壓輸出的4線可變串行接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，超低電源消耗。
[0010]本實用新型進一步設(shè)置為:所述的實時電子鐘模塊采用DS1302芯片，環(huán)境溫度檢測模塊采用了 LM71芯片。實時監(jiān)測環(huán)境溫度，保證測試結(jié)果的可靠性。
[0011]本實用新型具有有益效果為:本實用新型能通過按鍵對電流值進行預置，通過DA輸出模塊輸出模擬電壓信號，該信號來決定是恒流模式、恒壓模式或者環(huán)境模式，然后信號輸入功率MOSFET驅(qū)動模塊，驅(qū)動外部設(shè)備的同時也會通過過壓檢測模塊進行檢測是否過壓，然后進行反饋，再通過高精度電流檢測模塊、電壓采樣模塊進行電流采集和電壓采集，輸出電流由高精度INA282監(jiān)控、檢測，檢測輸出電流經(jīng)16位AD采樣，反饋至單片機，實現(xiàn)恒流控制模式，通過數(shù)字PI控制技術(shù)，實現(xiàn)高精度恒壓控制模式。單片機對反饋回來的電流值進行PID算法控制，所述PID算法主要是修正測量電流值和設(shè)定電流值的偏差，調(diào)節(jié)下一次送給D/A的輸出值，使最終電流輸出值更接近于設(shè)定值，實現(xiàn)了軟件上的閉環(huán)控制，從而提高了測量精度。本實用新型具有超高精度，可靠性強，電路設(shè)計簡單的特點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2為本實用新型的工作原理框圖；
[0014]圖3為本實用新型的電流檢測電路圖。
[0015]附圖標記:1、單片機核心控制模塊；2、16位AD采樣模塊；3、12位DA輸出模塊；4、高精度電流檢測模塊；5、電壓采樣模塊；6、功率MOSFET驅(qū)動模塊；7、鍵盤與顯示模塊；8、實時電子鐘模塊；9、環(huán)境溫度檢測模塊；10、聲光報警模塊；11、過壓檢測模塊；12、供電電源模塊；13、橫流模式；14、恒壓模式；15、環(huán)境模式。

【具體實施方式】
[0016]結(jié)合附圖，對本實用新型較佳實施例做進一步詳細說明。
[0017]如圖1-3所述的簡易智能高精度直流電子負載，包括單片機核心控制模塊1、16位AD采樣模塊2、12位DA輸出模塊3、高精度電流檢測模塊4、電壓采樣模塊5、功率MOSFET驅(qū)動模塊6、鍵盤與顯示模塊7以及為單片機和各個芯片提供所需電壓電源模塊，其中所述16位AD采樣模塊2、12位DA輸出模塊3以及鍵盤與顯示模塊7分別與單片機核心控制模塊I連接，所述單片機核心控制模塊I對電壓、電流和時間進行預先設(shè)定，單片機核心控制模塊I內(nèi)置的12位DA輸出模塊3分別連接恒壓模式14、恒流模式13以及環(huán)境模式15的信號輸入端，恒壓模式14、恒流模式13以及環(huán)境模式15的輸出端分別與功率MOSFET驅(qū)動模塊6輸入端相連，所述功率MOSFET驅(qū)動模塊6輸出端分別與高精度電流檢測模塊4、電壓采樣模塊5的輸入端相連，且所述高精度電流檢測模塊4和電壓采樣模塊5的輸出端分別與16位AD采樣模塊2相連，所述單片機核心控制模塊I外連接、實時電子鐘模塊8、環(huán)境溫度檢測模塊9以及聲光報警模塊10。所述的功率MOSFET驅(qū)動模塊6輸出端連接過壓檢測模塊11，過壓檢測模塊11再與單片機核心控制模塊I相連。所述的功率MOSFET驅(qū)動模塊6外接過壓檢測模塊11，過壓檢測模塊11再與單片機核心控制模塊I相連，實現(xiàn)聲光報警。使得整個系統(tǒng)設(shè)計更加安全可靠。
[0018]實際工作時:首先通過按鍵對電流值進行預置，然后通過DA輸出模塊輸出模擬電壓信號，該信號來決定是恒流模式13、恒壓模式14或者環(huán)境模式15,所述環(huán)境模式15可米用定時模式或溫度設(shè)定的模式，然后信號輸入功率MOSFET驅(qū)動模塊6，驅(qū)動外部設(shè)備的同時也會通過過壓檢測模塊11進行檢測是否過壓，然后進行反饋，再通過高精度電流檢測模塊4、電壓采樣模塊5進行電流采集和電壓采集，這些采集到的數(shù)字信號然后通過16位的AD采樣模數(shù)反饋到單片機當中。
[0019]本實用新型中，單片機核心控制模塊I采用W78E58單片機，顯示采用的是12864液晶顯示，12位DA輸出模塊3采用TLV5616四線可變串行接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，16位AD采樣模塊2采用超小型16位高精度AD轉(zhuǎn)換芯片ADSl 115，高精度電流檢測模塊4采用電流并聯(lián)監(jiān)控器INA282，電壓采樣模塊5采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)來取樣電壓，功率MOSFET驅(qū)動模塊6中功率MOS管采用IRL3803。實時電子鐘模塊8采用時鐘芯片DS1302，環(huán)境溫度檢測模塊9采用溫度傳感器LM71。供電電源模塊12由交流220V經(jīng)全橋整流，三端穩(wěn)壓器7805輸出+5v給系統(tǒng)供電。
[0020]恒流電路與恒壓電路的設(shè)計采用相同的工作電路。恒流電路的設(shè)計采用運算放大器MCP6002輸出擴展N溝道MOS管IRL3803做電流放大器，使用跟隨器的方式獲得大電流恒流源。由MOS管輸出特性曲線可知，在恒流區(qū)漏源電流為恒定值，其大小由柵源電壓控制，當柵源電壓低于管子的開啟電壓時，管子進入夾斷區(qū)，漏極源極上幾乎沒有電流流過，只要讓管子工作在恒流區(qū)，就能實現(xiàn)恒流，并且改變柵源電壓就能改變恒流的大小。再經(jīng)過高精度電流并聯(lián)監(jiān)控器INA282檢測，輸出經(jīng)16位ADS1115采樣，單片機采集此信號并作出相應的調(diào)整處理后輸出到液晶屏上顯示。恒壓電路設(shè)計通過數(shù)字PI控制技術(shù)，以給定電壓與測量電壓的偏差為輸入，調(diào)節(jié)電流輸出，實現(xiàn)了高精度的恒壓電子負載功能。具體采用了增量式PI公式，考慮到電壓信號波動較快，采樣時間選擇為0.1s,同時采用了變參數(shù)PI控制。根據(jù)實際電路，具體調(diào)試了不同偏差下比例和積分系數(shù)。
[0021]根據(jù)上述所述恒流與恒壓電路都具有過壓保護設(shè)計，過壓保護直接采用硬件控制MOS管柵極，進行低電平控制關(guān)斷，具體做法是使用MCP6002作為比較器，給定參考電壓，夕卜部電壓經(jīng)過電阻分壓后與之比較，當該電壓大于參考電壓，則比較器輸出高電平。高電平控制三極管導通，同時將MOS管柵極電位拉到低電平，關(guān)斷恒流輸出，避免超壓后因過熱損壞MOS管。同時，輸出信號連接到MCU，系統(tǒng)提供聲光報警。同時為提高采樣穩(wěn)定性，剔除共模干擾，兩個采樣都使用了差動輸入方式。
[0022]上述實施例僅用于解釋說明本實用新型的發(fā)明構(gòu)思，而非對本實用新型權(quán)利保護的限定，凡利用此構(gòu)思對本實用新型進行非實質(zhì)性的改動，均應落入本實用新型的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.簡易智能高精度直流電子負載，其特征在于:包括單片機核心控制模塊(1)、16位AD采樣模塊(2)、12位DA輸出模塊(3)、高精度電流檢測模塊(4)、電壓采樣模塊(5)、功率MOSFET驅(qū)動模塊(6)、鍵盤與顯示模塊(7)以及為單片機和各個芯片提供所需供電電源模塊(12)，其中所述16位AD采樣模塊(2)、12位DA輸出模塊(3)以及鍵盤與顯示模塊(7)分別與單片機核心控制模塊⑴連接，所述單片機核心控制模塊⑴對電壓、電流和時間進行預先設(shè)定，單片機核心控制模塊(I)內(nèi)置的12位DA輸出模塊(3)分別連接恒壓模式(14)、恒流模式(13)以及環(huán)境模式(15)的信號輸入端，恒壓模式(14)、恒流模式(13)以及環(huán)境模(15)式的輸出端分別與功率MOSFET驅(qū)動模塊(6)輸入端相連，所述功率MOSFET驅(qū)動模塊(6)輸出端分別與高精度電流檢測模塊(4)、電壓采樣模塊(5)的輸入端相連，且所述高精度電流檢測模塊(4)和電壓采樣模塊(5)的輸出端分別與16位AD采樣模塊(2)相連，所述單片機核心控制模塊(I)外連接、實時電子鐘模塊(8)、環(huán)境溫度檢測模塊(9)以及聲光報警模塊(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的簡易智能高精度直流電子負載，其特征在于，所述的功率MOSFET驅(qū)動模塊(6)輸出端連接過壓檢測模塊(11)，過壓檢測模塊(11)再與單片機核心控制模塊(I)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的簡易智能高精度直流電子負載，其特征在于:所述的單片機核心控制模塊(I)的單片機采用W78E58單片機。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的簡易智能高精度直流電子負載，其特征在于，所述的16位AD采樣模塊(2)采用超小型16位高精度AD轉(zhuǎn)換芯片ADS1115。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的簡易智能高精度直流電子負載，其特征在于，所述的12位DA輸出模塊⑵采用12位DA轉(zhuǎn)換芯片TLV5616。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的簡易智能高精度直流電子負載，其特征在于，所述的高精度電流檢測模塊(4)采用電流并聯(lián)監(jiān)控器INA282來檢測電流。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的簡易智能高精度直流電子負載，其特征在于，所述的實時電子鐘模塊(8)采用DS1302芯片，環(huán)境溫度檢測模塊(9)采用了 LM71芯片。
【文檔編號】G05F1/56GK204166424SQ201420664848
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月6日
【發(fā)明者】汪曉東, 馮亮 申請人:浙江師范大學