简易智能高精度直流电子负载的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了简易智能高精度直流电子负载，包括单片机核心控制模块、16位AD采样模块、12位DA输出模块、高精度电流检测模块、电压采样模块、功率MOSFET驱动模块以及为单片机和各个芯片提供所需的供电电源模块，其中所述16位AD采样模块、12位DA输出模块分别与单片机核心控制模块连接；所述通过按键对电流值进行预置，通过DA输出模块输出模拟电压信号，然后信号输入功率MOSFET驱动模块，驱动外部设备，然后进行反馈，再进行电流采集和电压采集，输出电流由高精度INA282监控、检测，检测输出电流经16位AD采样，反馈至单片机，实现恒流控制模式；通过数字PI控制技术，实现高精度恒压控制模式，具有超高精度，可靠性强，电路设计简单的特点。
【专利说明】简易智能高精度直流电子负载
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及阻性负载，特别是涉及可恒流及恒压模式的简易智能高精度直流电子负载。
【背景技术】
[0002]传统的电阻性负载是各种电阻器、固定电阻仿真恒定负载、可变电阻仿真变动负载，电阻消耗的功率就是等效功率，直流电子负载主要运用了功率半导体器件替代传统的电阻等作为电能消耗的载体，使得负载容易被调节和控制，因而能达到很高的调节精度和稳定性。同时通过灵活多样的调节和控制方法，不仅可以模拟实际的负载情况，还可以模拟一些特殊的负载波形曲线，测试电源设备的动态和瞬态特性。在现实生活中，如充电电源试验、蓄电池放电试验以及购买电池、电源时都需要负载测试，因此对直流电子负载的精度、性能、成本等要求也越来越高。目前很多直流电子负载是采用开关电阻来控制恒定电流，由开关S和电阻R构成开关电阻，特定直流电压Vi加在开关管电阻上，调节PWM信号占空比来调节电路的输入电流，通过闭环控制，实现输入电流的恒定，但这种方法的输入电压必须不低于某一特定的值才能正常运行和保证控制精度。
实用新型内容
[0003]针对现有技术存在的不足，本实用新型提供超高精度、可靠性强、电路设计简单以及成本相对低廉的简易智能高精度直流电子负载。
[0004]为了达到上述目的，本实用新型通过以下技术方案来实现:简易智能高精度直流电子负载，包括单片机核心控制模块、16位AD采样模块、12位DA输出模块、高精度电流检测模块、电压采样模块、功率MOSFET驱动模块、键盘与显示模块以及为单片机和各个芯片提供所需的供电电源模块，其中所述16位AD采样模块、12位DA输出模块以及键盘与显示模块分别与单片机核心控制模块连接，所述单片机核心控制模块对电压、电流和时间进行预先设定，单片机核心控制模块内置的12位DA输出模块分别连接恒压模式、恒流模式以及环境模式的信号输入端，恒压模式、恒流模式以及环境模式的输出端分别与功率MOSFET驱动模块输入端相连，所述功率MOSFET驱动模块输出端分别与高精度电流检测模块、电压采样模块的输入端相连，且所述高精度电流检测模块和电压采样模块的输出端分别与16位AD采样模块相连，所述单片机核心控制模块外连接、实时电子钟模块、环境温度检测模块以及声光报警模块。
[0005]本实用新型进一步设置为:所述的功率MOSFET驱动模块输出端连接过压检测模块，过压检测模块再与单片机核心控制模块相连。所述的功率MOSFET驱动模块外接过压检测模块，过压检测模块再与单片机核心控制模块相连，实现声光报警。使得整个系统设计更加安全可靠。
[0006]本实用新型进一步设置为:所述的单片机核心控制模块的单片机采用W78E58单片机。功耗低，便于实现。
[0007]本实用新型进一步设置为:所述的16位AD采样模块采用超小型16位高精度AD转换芯片ADS1115。提供内置PGA，支持2路差动输入，使用方便，精度高。
[0008]本实用新型进一步设置为:所述的高精度电流检测模块采用电流并联监控器INA282来检测电流。高精度、宽共模范围、双向电流并联监视器。
[0009]本实用新型进一步设置为:所述的12位DA输出模块采用12位DA转换芯片TLV5616。12位电压输出的4线可变串行接口的数模转换器，超低电源消耗。
[0010]本实用新型进一步设置为:所述的实时电子钟模块采用DS1302芯片，环境温度检测模块采用了 LM71芯片。实时监测环境温度，保证测试结果的可靠性。
[0011]本实用新型具有有益效果为:本实用新型能通过按键对电流值进行预置，通过DA输出模块输出模拟电压信号，该信号来决定是恒流模式、恒压模式或者环境模式，然后信号输入功率MOSFET驱动模块，驱动外部设备的同时也会通过过压检测模块进行检测是否过压，然后进行反馈，再通过高精度电流检测模块、电压采样模块进行电流采集和电压采集，输出电流由高精度INA282监控、检测，检测输出电流经16位AD采样，反馈至单片机，实现恒流控制模式，通过数字PI控制技术，实现高精度恒压控制模式。单片机对反馈回来的电流值进行PID算法控制，所述PID算法主要是修正测量电流值和设定电流值的偏差，调节下一次送给D/A的输出值，使最终电流输出值更接近于设定值，实现了软件上的闭环控制，从而提高了测量精度。本实用新型具有超高精度，可靠性强，电路设计简单的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本实用新型的结构示意图；
[0013]图2为本实用新型的工作原理框图；
[0014]图3为本实用新型的电流检测电路图。
[0015]附图标记:1、单片机核心控制模块；2、16位AD采样模块；3、12位DA输出模块；4、高精度电流检测模块；5、电压采样模块；6、功率MOSFET驱动模块；7、键盘与显示模块；8、实时电子钟模块；9、环境温度检测模块；10、声光报警模块；11、过压检测模块；12、供电电源模块；13、横流模式；14、恒压模式；15、环境模式。
【具体实施方式】
[0016]结合附图，对本实用新型较佳实施例做进一步详细说明。
[0017]如图1-3所述的简易智能高精度直流电子负载，包括单片机核心控制模块1、16位AD采样模块2、12位DA输出模块3、高精度电流检测模块4、电压采样模块5、功率MOSFET驱动模块6、键盘与显示模块7以及为单片机和各个芯片提供所需电压电源模块，其中所述16位AD采样模块2、12位DA输出模块3以及键盘与显示模块7分别与单片机核心控制模块I连接，所述单片机核心控制模块I对电压、电流和时间进行预先设定，单片机核心控制模块I内置的12位DA输出模块3分别连接恒压模式14、恒流模式13以及环境模式15的信号输入端，恒压模式14、恒流模式13以及环境模式15的输出端分别与功率MOSFET驱动模块6输入端相连，所述功率MOSFET驱动模块6输出端分别与高精度电流检测模块4、电压采样模块5的输入端相连，且所述高精度电流检测模块4和电压采样模块5的输出端分别与16位AD采样模块2相连，所述单片机核心控制模块I外连接、实时电子钟模块8、环境温度检测模块9以及声光报警模块10。所述的功率MOSFET驱动模块6输出端连接过压检测模块11，过压检测模块11再与单片机核心控制模块I相连。所述的功率MOSFET驱动模块6外接过压检测模块11，过压检测模块11再与单片机核心控制模块I相连，实现声光报警。使得整个系统设计更加安全可靠。
[0018]实际工作时:首先通过按键对电流值进行预置，然后通过DA输出模块输出模拟电压信号，该信号来决定是恒流模式13、恒压模式14或者环境模式15,所述环境模式15可米用定时模式或温度设定的模式，然后信号输入功率MOSFET驱动模块6，驱动外部设备的同时也会通过过压检测模块11进行检测是否过压，然后进行反馈，再通过高精度电流检测模块4、电压采样模块5进行电流采集和电压采集，这些采集到的数字信号然后通过16位的AD采样模数反馈到单片机当中。
[0019]本实用新型中，单片机核心控制模块I采用W78E58单片机，显示采用的是12864液晶显示，12位DA输出模块3采用TLV5616四线可变串行接口的数模转换器，16位AD采样模块2采用超小型16位高精度AD转换芯片ADSl 115，高精度电流检测模块4采用电流并联监控器INA282，电压采样模块5采用电阻分压网络来取样电压，功率MOSFET驱动模块6中功率MOS管采用IRL3803。实时电子钟模块8采用时钟芯片DS1302，环境温度检测模块9采用温度传感器LM71。供电电源模块12由交流220V经全桥整流，三端稳压器7805输出+5v给系统供电。
[0020]恒流电路与恒压电路的设计采用相同的工作电路。恒流电路的设计采用运算放大器MCP6002输出扩展N沟道MOS管IRL3803做电流放大器，使用跟随器的方式获得大电流恒流源。由MOS管输出特性曲线可知，在恒流区漏源电流为恒定值，其大小由栅源电压控制，当栅源电压低于管子的开启电压时，管子进入夹断区，漏极源极上几乎没有电流流过，只要让管子工作在恒流区，就能实现恒流，并且改变栅源电压就能改变恒流的大小。再经过高精度电流并联监控器INA282检测，输出经16位ADS1115采样，单片机采集此信号并作出相应的调整处理后输出到液晶屏上显示。恒压电路设计通过数字PI控制技术，以给定电压与测量电压的偏差为输入，调节电流输出，实现了高精度的恒压电子负载功能。具体采用了增量式PI公式，考虑到电压信号波动较快，采样时间选择为0.1s,同时采用了变参数PI控制。根据实际电路，具体调试了不同偏差下比例和积分系数。
[0021]根据上述所述恒流与恒压电路都具有过压保护设计，过压保护直接采用硬件控制MOS管栅极，进行低电平控制关断，具体做法是使用MCP6002作为比较器，给定参考电压，夕卜部电压经过电阻分压后与之比较，当该电压大于参考电压，则比较器输出高电平。高电平控制三极管导通，同时将MOS管栅极电位拉到低电平，关断恒流输出，避免超压后因过热损坏MOS管。同时，输出信号连接到MCU，系统提供声光报警。同时为提高采样稳定性，剔除共模干扰，两个采样都使用了差动输入方式。
[0022]上述实施例仅用于解释说明本实用新型的发明构思，而非对本实用新型权利保护的限定，凡利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均应落入本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.简易智能高精度直流电子负载，其特征在于:包括单片机核心控制模块(1)、16位AD采样模块(2)、12位DA输出模块(3)、高精度电流检测模块(4)、电压采样模块(5)、功率MOSFET驱动模块(6)、键盘与显示模块(7)以及为单片机和各个芯片提供所需供电电源模块(12)，其中所述16位AD采样模块(2)、12位DA输出模块(3)以及键盘与显示模块(7)分别与单片机核心控制模块⑴连接，所述单片机核心控制模块⑴对电压、电流和时间进行预先设定，单片机核心控制模块(I)内置的12位DA输出模块(3)分别连接恒压模式(14)、恒流模式(13)以及环境模式(15)的信号输入端，恒压模式(14)、恒流模式(13)以及环境模(15)式的输出端分别与功率MOSFET驱动模块(6)输入端相连，所述功率MOSFET驱动模块(6)输出端分别与高精度电流检测模块(4)、电压采样模块(5)的输入端相连，且所述高精度电流检测模块(4)和电压采样模块(5)的输出端分别与16位AD采样模块(2)相连，所述单片机核心控制模块(I)外连接、实时电子钟模块(8)、环境温度检测模块(9)以及声光报警模块(10)。
2.根据权利要求1所述的简易智能高精度直流电子负载，其特征在于，所述的功率MOSFET驱动模块(6)输出端连接过压检测模块(11)，过压检测模块(11)再与单片机核心控制模块(I)相连。
3.根据权利要求1所述的简易智能高精度直流电子负载，其特征在于:所述的单片机核心控制模块(I)的单片机采用W78E58单片机。
4.根据权利要求1所述的简易智能高精度直流电子负载，其特征在于，所述的16位AD采样模块(2)采用超小型16位高精度AD转换芯片ADS1115。
5.根据权利要求1所述的简易智能高精度直流电子负载，其特征在于，所述的12位DA输出模块⑵采用12位DA转换芯片TLV5616。
6.根据权利要求1所述的简易智能高精度直流电子负载，其特征在于，所述的高精度电流检测模块(4)采用电流并联监控器INA282来检测电流。
7.根据权利要求1所述的简易智能高精度直流电子负载，其特征在于，所述的实时电子钟模块(8)采用DS1302芯片，环境温度检测模块(9)采用了 LM71芯片。
【文档编号】G05F1/56GK204166424SQ201420664848
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月6日 优先权日:2014年11月6日
【发明者】汪晓东, 冯亮 申请人:浙江师范大学