【正文】 電能變?yōu)榱硪环N或多種形式的電能，交流電子負(fù)載也得到了實(shí)現(xiàn)。交流電子負(fù)載是可以模擬傳統(tǒng)真實(shí)阻抗負(fù)載的電力電子裝置，它能模擬一個(gè)固定或變化的負(fù)載，甚至將試驗(yàn)的電能反饋回電網(wǎng)，其設(shè)計(jì)初衷是交流電源出廠試驗(yàn)。交流電源出廠試驗(yàn)通常采用電阻箱耗能的辦法，它存在調(diào)節(jié)不便、自動(dòng)化程度低、耗電量大等缺點(diǎn)，而采用交流電子負(fù)載進(jìn)行試驗(yàn)可有效克服這些缺點(diǎn)，它可使試驗(yàn)更加簡單、靈活，且大大降低試驗(yàn)的成 本。 電子負(fù)載可以模擬真實(shí)環(huán)境中的負(fù)載（用電器）。它有恒流、恒阻、恒壓和恒功率功能，以及短路，過流，動(dòng)態(tài)等等，應(yīng)該說所有的電源廠家都會(huì)有用，而且也必須有。電子負(fù)載分為直流電子負(fù)載和交流電子負(fù)載，由于電子負(fù)載的應(yīng)用 方面 問題， 直流電子負(fù)載應(yīng)用比較廣泛， 本文主要介紹直流電子負(fù)載。 電子負(fù)載與傳統(tǒng)的模擬電阻性負(fù)載相比具有節(jié)能、體積小、重量輕、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，由于電子負(fù)載所具有的性能特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，電子負(fù)載被越來越多地應(yīng)用到各種試驗(yàn)場合。因此，電子負(fù)載的研究具有廣闊的市場和廣泛的應(yīng)用前景。 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第一章 電子負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 2 第 一 章 電子負(fù)載 系 統(tǒng) 設(shè)計(jì)方案 電子負(fù)載 工作原理 電子負(fù)載用于測試直流穩(wěn)壓電源、蓄電池等電源的性能。 電子負(fù)載的原理是控制內(nèi)功率 MOSFET 或晶體管的導(dǎo)通量 （占空比）， 靠功率管的耗散功率消耗電能的設(shè)備 ，它能夠準(zhǔn)確檢測出負(fù)載電壓 ,精確調(diào)整負(fù)載電流 ,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)模擬負(fù)載短路 ,模擬負(fù)載是感性阻性和容性 ,容性負(fù)載電流上升時(shí)間。 它的基本工作方式有恒壓、恒流、恒阻、恒功率這幾種。 （ 1） 恒定電流方式 在定電流模式中 ,在額定使用環(huán)境下 , 不論輸入電壓大小如何變化 , 電子負(fù)載將根據(jù)設(shè)定值來吸收電流。 若被測電壓在 5～ 10V變化，設(shè)定電 流為 100mA，則當(dāng)調(diào)節(jié)被測電壓值時(shí)，負(fù)載上的電流值應(yīng)維持在 100mA不變 , 而此時(shí)負(fù)載值是可變的。定電流模式能用于測試電壓源及 AD/ DC電源的負(fù)載調(diào)整率。負(fù)載調(diào)整率是電源在負(fù)載變動(dòng)情況下能夠提供穩(wěn)定的輸出電壓的能力 , 是電源輸出電壓偏差率的百分比。 （ 2） 恒定電阻方式 此種狀態(tài)下，負(fù)載如純電阻，吸收與電壓成線性正比的電流。此方式適用于測試電壓源，電流源的啟動(dòng)與限流特性。 在定電阻模式中 , 電子負(fù)載將吸收與輸入電壓成線性的負(fù)載電流。若負(fù)載設(shè)定為1 kΩ , 當(dāng)輸入電壓在 1～ 10 V 變化時(shí) , 電流變化則為 10～ 100 mA 。 （ 3） 恒定電壓方式 在 定電壓 方式下電子負(fù)載將吸收足夠的電流來控制電壓達(dá)到設(shè)計(jì)值。定電壓模式能被使用于測試電源的限流特性。另外 , 負(fù)載可以模擬電池的端電壓 , 故也可以使用于測試電池充電器。 （ 4） 恒定功率方 式 在定功率工作模式時(shí)，電子負(fù)載所流入的負(fù)載電流依據(jù)所設(shè)定的功率大小而定，東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第一章 電子負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 3 此時(shí)負(fù)載電流與輸入電壓的乘積等于負(fù)載功率設(shè)定值，即負(fù)載功率保持設(shè)定值不變。 本電子負(fù)載機(jī)實(shí)現(xiàn)了在恒流模式下一定范圍內(nèi)的正常工作， PI 調(diào)節(jié)器的基準(zhǔn)電壓由單片機(jī) D/A轉(zhuǎn)換輸出。用 A/D 轉(zhuǎn)換器與 單片機(jī) 連接把電路中電壓 電流的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào) ，然后用液晶顯示 方式 顯示出即時(shí)的電壓電流。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 根據(jù)電子負(fù)載的原理， 設(shè)計(jì) 出 實(shí)現(xiàn) 恒流 模式下 的 電子負(fù)載 ：能夠檢測被測 電壓型電源的電流、電壓及功率并由液晶顯示。在額定使用環(huán)境下 ,恒流方式為 不論輸入電壓如何變化（在一定范圍內(nèi)），電子負(fù)載將根據(jù)設(shè)定值來吸收電流，流過該電子負(fù)載的電流恒定。 設(shè)計(jì)出最大功率為 100W，電流 O 一 20A，電壓 O一 50V 的直流電子負(fù)載。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案論證 根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，得出以下三種方案 ： 方案一： 如 圖 11所示， 運(yùn)用 傳統(tǒng)的 電子負(fù)載設(shè)計(jì) 方式， 通過比較器 的比較結(jié)果及反饋來控制 MOSFET 的柵極電壓，從而達(dá)到其內(nèi)阻變化的目的。 方案二： 如 圖 12 所示， 采用了單片機(jī)作為核心控制器，設(shè)計(jì)了 AD 電壓電流檢測電路、鍵盤電路、液晶顯示電路和驅(qū)動(dòng)電路， ATmegal6 單片機(jī)為核心處理器。鍵盤、串口通訊和 LCD 實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互， MOS 管電路為電子負(fù)載主電路。單片機(jī)輸出一定占空比的 PWM控制信號(hào)，控制功率電路 MOS 管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，來獲得實(shí)際所需的工作電流、電壓。電路中的檢測電路為電壓、電流負(fù)反饋回路，通過 A/D 采集到單片機(jī)，與預(yù)置值進(jìn)行比較，作為單片機(jī)進(jìn)一步 調(diào)節(jié) PWM 占空比的依據(jù)。 圖 11 傳統(tǒng)的電子負(fù)載設(shè)計(jì) 東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第一章 電子負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 4 圖 12 方案二系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊 方案三：為便于控制的實(shí)現(xiàn)和功能的擴(kuò)展， 如 圖 13 所示 為新型電子負(fù)載設(shè)計(jì)系統(tǒng)模塊框圖 。 采用了 STC89C52 單片機(jī)作為核心控制器，設(shè)計(jì)了 DA輸出控制電路、AD 電壓電流檢測電路、鍵盤電路、液晶顯示電路和驅(qū)動(dòng)電路，通過軟、硬件的協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)設(shè)計(jì)。通過運(yùn)放、 PI 調(diào)節(jié)器及 負(fù) 反饋 控制環(huán)路 ，是整個(gè) 電路的核心實(shí)質(zhì) ，來控制 MOSFET 的柵極電壓，從而達(dá)到其內(nèi)阻變化。 MOS 管 在這里既作為電流的控制器件同時(shí)也作為被測電源的負(fù)載 ，通過 PI 調(diào)節(jié)器 控制 MOS 管的導(dǎo)通量， 從而達(dá)到 流過該電子負(fù)載的電流恒定，實(shí)現(xiàn)恒流工作模式 。 S T C 8 9 C 5 2單片機(jī)L C D 顯 示鍵 盤D / A 轉(zhuǎn) 化 P I 調(diào) 節(jié) 器 M O S 管被 測電 源電 流 檢 測A / D 轉(zhuǎn) 化電 壓 檢 測A / D 轉(zhuǎn) 化V e r fRRU fR圖 13 方案三系統(tǒng)模塊框圖 顯 示 按鍵輸入 Atmeg A/D 轉(zhuǎn)換 PWM 控制 電流檢測 電壓檢測 功率控制 東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第一章 電子負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 5 經(jīng)過比較，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案主要靠硬件實(shí)現(xiàn)，成本較高。而且采用運(yùn)放進(jìn)行比較控制 MOS 管只有通和斷兩種情況，不能實(shí)現(xiàn)逐漸改變 MOS 管導(dǎo)通角的變化，不易控制。方案二 通過 單片機(jī)輸出一定占空比的 PWM控制信號(hào)，控制 MOS 管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，來獲得實(shí)際所需的工作電流、電壓。 這 對(duì)于占空比的細(xì)調(diào) 節(jié)不易控制，誤差較大。 方案 三 采用通過軟、硬件的協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)設(shè)計(jì)。 通過運(yùn)放、 PI 調(diào)節(jié)器及 負(fù) 反饋 控制環(huán)路 ，能夠較精確的 控制 MOS管的導(dǎo)通量 ，實(shí)現(xiàn)無靜差的調(diào)節(jié)。 故 整個(gè)設(shè)計(jì)采用方案三 。 系統(tǒng) 具體 設(shè)計(jì)方案 電子負(fù)載系統(tǒng)由軟、硬件共同組成?？紤]到價(jià)格、工作速度、開發(fā)成本和可靠性等因素，合理地分配了硬件和軟件資源，對(duì)于某些既可用硬件實(shí)現(xiàn)，又可用軟件實(shí)現(xiàn)的功能，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮了硬件和軟件的特點(diǎn)，高效地分配其資源，協(xié)調(diào)其功能。 電子負(fù)載系統(tǒng)的硬件部分包括以下部分： （ 1） 單片機(jī)的選擇與 I/O 的分配 （ 2） 液晶顯 示模塊 （ 3） 鍵盤模塊 （ 4） D/A 轉(zhuǎn)換 模塊 （ 5） A/D 轉(zhuǎn)換 電壓電流采樣 模塊 （ 6） 電流取樣 PI控制器等組成的負(fù)反饋控制模塊 （ 7） 電源電路模塊 電子負(fù)載系統(tǒng)的控制程序，包括以下部分 : (l)人一機(jī)聯(lián)系程序。包括按鍵信息輸入程序和液晶顯示輸出程序等。 (2)數(shù)據(jù)采集和處理程序。主要是 D/A 轉(zhuǎn)換程序、 A/D 轉(zhuǎn)換程序、電壓電流采樣程序。 本制作的電子負(fù)載，主要實(shí)現(xiàn)其恒流工作模式 ， 如 圖 13 所示為 方案三系統(tǒng)模塊框圖。 電路的核心實(shí)質(zhì)是一個(gè)電流取樣 PI 控制器 負(fù)反饋控制環(huán)路， MOS 管 在這里既作為電流的控制器件同時(shí)也作為被測電源的負(fù)載。 PI 控制器 控 制 MOS 管 的導(dǎo)通 量變化 與截止，從而達(dá)到保持電流恒定的目的。 控制部分采用 STC89C52 單片機(jī)來完成，設(shè)定值通過鍵盤輸入送往單片機(jī)，再通過 DA 輸出電路產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓送往 PI 控制器與實(shí)際電壓相比較，基準(zhǔn)電壓與實(shí)際電壓相比較的偏差控制 MOS 管 的導(dǎo)通 量變化 與截止 ， 從而達(dá)到保持電流恒定的目的 。用 A/D 轉(zhuǎn)換器把電路中的電壓電流的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過單片機(jī)來控制轉(zhuǎn)化，然后用液晶顯示顯示出即時(shí)的電壓電流。 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第二章 電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 第 二 章 電子負(fù)載 硬件 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 核心處理器的 設(shè)計(jì) 核心處理器 負(fù)責(zé)控制與協(xié)調(diào)其他各個(gè)模塊工作，并進(jìn)行 簡單的數(shù)字信號(hào)處理。在整個(gè)電子負(fù)載系統(tǒng)中，主控器是系統(tǒng)的控制中心，其工作效率的高低關(guān)系到系統(tǒng)效率的高低以及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì) 過程中 用單片機(jī)作為主控制器。 方案一： 采用 ATMEL 公司的 AT89C51,51單片機(jī)價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。但燒 程序就不方便 。 方案二： STC89C51 與 AT89C51 基本性能相同，但 STC89C51 RMB 較 多 ,8K flash,串口可以直接燒程序 ， 可以和 Keil 直連 。 本設(shè)計(jì)采用 Keil 軟件實(shí)現(xiàn)其軟件部分的設(shè)計(jì)，故選擇方案二。 E A / V P P31X T A L 119X T A L 218R S T9P 3 .7( R D )17P 3 .6( W R )16P 3 .2( I N T 0)12P 3 .3( I N T 1)13P 3 .4( T 0 )14P 3 .5( T 1 )15P 1 .0( T 2 )1P 1 .1( T 2 E X )2P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78( A D 0) P 39( A D 1) P 38( A D 2) P 37( A D 3) P 36( A D 4) P 35( A D 5) P 34( A D 6) P 33( A D 7) P 32( A 8) P 2. 021( A 9) P 2. 122( A 10 ) P 2 .223( A 11 ) P 2 .324( A 12 ) P 2 .425( A 13 ) P 2 .526( A 14 ) P 2 .627( A 15 ) P 2 .728P S E N29A L E / P R O G30( T X D ) P 11( R X D ) P 10G N D20V C C40U1S 1712Y1R910KR 1 01K C110 u FC330PC430PV C CRSTR S TP 2 .5V C CP 0 .3P 0 .2P 0 .1P 0 .0P 0 .4P 0 .5P 0 .6P 0 .7G N DV C CP 1 .0P 1 .1P 1 .2P 1 .3P 1 .4P 1 .5P 1 .6P 1 .7P 3 .2P 3 .3P 3 .4P 3 .5P 3 .6P 3 .7P 2 .0P 2 .1P 2 .2P 2 .3P 2 .412345678J P 2V C CV C CG N D液晶 顯示插座 圖 21 STC89C52單片機(jī) 與液晶顯示模塊連接電路 表 21 單片機(jī) I/O口 分配 I/O口 應(yīng)用 I/O口 應(yīng)用 4 4 矩陣鍵盤輸入 — A/D采樣輸入 — D/A轉(zhuǎn)換輸出 XTAL1XTAL2 時(shí)鐘