【正文】 模擬負(fù)載，而非實(shí)際負(fù)載。當(dāng)負(fù)載動(dòng)態(tài)變化時(shí)，放電電流也相應(yīng)地變化。它可以實(shí)現(xiàn)各種試驗(yàn)場(chǎng)合的負(fù)載條件，在傳統(tǒng)的負(fù)載不能滿(mǎn)足條件的情況下，如動(dòng)態(tài)負(fù)載、非線性負(fù)載等，更能顯示出其性能的優(yōu)越性，對(duì)負(fù)載形式的調(diào)節(jié)可以通過(guò)軟件形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。與這些電子產(chǎn)品的發(fā)展不協(xié)調(diào)的是目前國(guó)內(nèi)外對(duì)這些產(chǎn)品的測(cè)試技術(shù)卻未得到相應(yīng)的發(fā)展，一般都采用傳統(tǒng)的靜態(tài)負(fù)載 (如電阻、電阻箱、滑線變阻器等 )能耗放電的辦法進(jìn)行。單片機(jī)輸出不同占空比的 PWM 波形，控制 MOS 管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，調(diào)節(jié)流過(guò)場(chǎng)效應(yīng)的電流。 本設(shè)計(jì)主要包括兩部分：數(shù)據(jù)采集及相關(guān)動(dòng)作的下位機(jī)和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的上位機(jī) 。 PWM。 (5)負(fù)載設(shè)備體積龐大，占用很大空間，且不容易滿(mǎn)足大功率試驗(yàn)的場(chǎng)合 (6)傳統(tǒng)負(fù)載消耗的能量最終轉(zhuǎn)化為熱量，對(duì)散熱造成巨大的負(fù)擔(dān)。隨著 半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件性能不斷提高，而功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件技術(shù)的進(jìn)步，又促進(jìn)了電力電子變流技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是各種電流控制技術(shù)不斷出現(xiàn)和應(yīng)用，這些成果為電力電子技術(shù)在電源測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論和應(yīng)用的基礎(chǔ)。另外，采用電子負(fù)載進(jìn)行試驗(yàn)后，由于不存在大功率的耗能電阻，因此負(fù)載的體積較小，可以有效節(jié)約安裝空間。目前國(guó)內(nèi)外的電子負(fù)載主要由可控的電子器件組成。但是 MOSFET 的通態(tài)電阻較大，且負(fù)載電流較小。由于采用的是能量反饋方式，試驗(yàn)場(chǎng)所也不必配備較大的電源容量。 圖 系統(tǒng)總體結(jié) 構(gòu)圖 圖 中， ATmega88 單片機(jī)為核心處理器。主要是 A/D 轉(zhuǎn)換程序，電壓電流采集程序； (3) 控制程序。 對(duì)電源的老化試驗(yàn)，一般是在老化房中成批量進(jìn)行，電源數(shù)量大，相應(yīng)的電子負(fù)載也多，如果每一臺(tái)電子負(fù)載都需要人來(lái)監(jiān)控的話(huà)，這將耗費(fèi)許多的人力，而且可能因疲勞而導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯(cuò)。電力電子主電路是完成將被測(cè) 電源輸出的直流電，利用有源逆變技術(shù)變換成與工業(yè)電網(wǎng)并網(wǎng)的工頻交流電的能量通路。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 核心處理器 電子負(fù)載 監(jiān)控 系統(tǒng)的核心控 制器 采用 Atmel公司生產(chǎn)的 ATmega88 單片機(jī)，它是基于 AVR 增強(qiáng)型 RISC 結(jié)構(gòu)的 8 位 CMOS 工藝的微控制器。片內(nèi) ISP Flash 可以通過(guò) SPI 接口、通用編程器 、 或引導(dǎo) 程序進(jìn)行多次編程。 AVR 系列單片機(jī)采用低電平復(fù)位，當(dāng)單片機(jī)在工作時(shí)，按下 S1 開(kāi)關(guān)，復(fù)位引腳變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)單片機(jī)復(fù)位。電源的老化試驗(yàn)是模擬實(shí)際使用環(huán)境進(jìn)行一定時(shí)間的放電，以測(cè)試電源的性能和指標(biāo)。當(dāng)不使用掉電監(jiān)測(cè)功能時(shí)，該引腳懸空； ? PFO：掉電檢測(cè)輸出引腳，低電平有效； ? WDI： 看門(mén)狗輸入引腳； ? RESET：復(fù)位電平輸出引腳，低電平有效； 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 ? WDO：看門(mén)狗輸出引腳，當(dāng)內(nèi)部看門(mén)狗定時(shí)器溢出時(shí)，該引腳輸出低電平。如果在 秒內(nèi) WDI 沒(méi)有收到來(lái)自 MPU/MCU 的觸發(fā)信號(hào)，并且 WDI 處于非高阻態(tài)，則 WDO 輸出變低。 當(dāng)由于看門(mén)狗定時(shí)器溢出使 得 WDO 引腳輸出低電平時(shí)， MR引腳為低電平，從而觸發(fā) MAX706 輸出復(fù)位脈沖。它一共使用了兩條電源線：VCC、 GND，三條信號(hào)線： SCK、 MOSI、 MISO，以及復(fù)位線： RESET，如圖 所示 。濾波電路作用是將脈動(dòng)直流 U2 濾除紋波，變成紋波小的變壓器 整流 電路 濾波 電路 穩(wěn)壓 電路 Ui U1 U2 U3 Uo + RL 220V 交流 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 U3，常見(jiàn)的電路有 RC 濾波、 KL 濾波、 TI 型濾波等，常用的選 RC 濾波電路。插入 L 表示 100mA、 M 表示 500mA，如不插入字母則表示 。電感對(duì)高頻信號(hào)的阻抗是很大的，所以，大電容的高頻性能都不好。使用 ATmega88 自帶的 A/D 轉(zhuǎn)換器能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。 由公式（ ）可知，只要能夠 測(cè)得 Vi， 就 可以計(jì)算出電流 I。3位二進(jìn)制信號(hào)選通 8 通道中的 某一個(gè) 通道，可連接該輸入端至輸出。提供 3個(gè)地址輸入引腳 A0、 A1和 A2，允許同一總線上連接 8片 PCA9535。 I2C在。 它允許操作者對(duì) PCI9535 輸入寄存器中的數(shù)據(jù) 進(jìn)行 翻轉(zhuǎn)； ? 低電平有效中斷輸出。 L1 和 C3組成 LC濾波電路保證 A/D 轉(zhuǎn)換器電源電壓穩(wěn)定。為節(jié)省 單片機(jī)的 I/O 口資源，選擇外接的 8 通道模擬多路復(fù)用器。 從功率電 路采集實(shí)際工作電壓和電流，反饋到單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。所以，為了能夠更好的濾除雜波，通常采用一個(gè)大電容再并上一個(gè)小電容的方式。實(shí)際應(yīng)用電路中，芯片輸入端和輸出端與地之間除分別接大容量濾波電容外，通常還需在芯片引出腳根部接小容量電容 (～ 10uF)到地。 U2=( )U1～ ????????????（ ） 每只二極管或橋堆所承受的最大反向電壓： RMU = 2U1 ????? ???????? （ ） 對(duì)于 橋式整流電路，每只二極管的平均電流： D (A V ) R1 0 .4 5 U 1I = I =2R ???????????（ ） RC濾波電路中， C的選擇應(yīng)適應(yīng)下式，即 RC 放電時(shí)間常數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足： RC=(3~5) 2T ?????????????（ ） 式中 T為輸入交流信號(hào)周期； R 為整流濾波電路的等效負(fù)載電阻。 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 直流穩(wěn)壓電源是電子設(shè)備的能源電路，關(guān)系到整個(gè)電路設(shè)計(jì)穩(wěn)定性和可靠性，是電路設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié) 。注意，當(dāng) 程序 在下載 時(shí) ，需要斷開(kāi)看門(mén)狗電路，即將 WDO和 MR 斷開(kāi)，否則可能因復(fù)位不正常而導(dǎo)致芯片鎖死。復(fù)位信號(hào)的產(chǎn)生會(huì)禁止定時(shí)器，可一旦復(fù)位信號(hào)撤銷(xiāo)并且 WDI 輸入端檢測(cè)到短至 50ns 的低電平或高電平跳變，定時(shí)器將開(kāi)始 的計(jì)時(shí)。 在上電期間只要 VCC 大于 ，就能保證輸出電壓不高于 。 對(duì)于 AVR 系列單片機(jī)來(lái)說(shuō)，用的是低電平復(fù)位，因此， 可以 選擇 Maxim公司的專(zhuān)用復(fù)位芯片 MAX706。不過(guò)，內(nèi)置的畢竟是 RC 振蕩，在一些要求較高的場(chǎng)合，比如要與 RS232 通信需要比較精確的波特率時(shí)，最好使用外部的晶振。在更新應(yīng)用 Flash 存儲(chǔ)區(qū)時(shí)引導(dǎo)程序區(qū)的代碼繼續(xù)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)了 Flash 的 RWW 操作。 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32個(gè)通用工作寄存器。 老化架 M 現(xiàn)場(chǎng)總線 每個(gè)電子負(fù)載 老化架 包含 Nm個(gè)電子負(fù)載模塊單元，這些電子負(fù)載模塊單元通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線 上位機(jī)軟件 集中控制。 被測(cè) 電源部分，在硬件連接上為簡(jiǎn)單的輸入 市電 ，輸出直流電壓，作為電子負(fù)載的輸入。 在控制系統(tǒng)中，要提供可靠、穩(wěn)定的設(shè)備為電源的試驗(yàn)服務(wù)，當(dāng)數(shù)臺(tái)電源并聯(lián)考核時(shí)，負(fù)載系統(tǒng)的輸入電流將 非常大，處理這樣大的電流需要多個(gè)負(fù)載模塊的并聯(lián)，同時(shí)還要對(duì)每個(gè)負(fù)載模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，給出狀 態(tài)信息，并進(jìn)行故障報(bào)警 。 系統(tǒng)軟件和硬件聯(lián)機(jī)調(diào)試 (1) 軟件調(diào)試方法 ： 軟件的錯(cuò)誤只有在運(yùn)行中才會(huì)完全暴露出來(lái)，因此，各個(gè)模塊的軟件程序分段進(jìn)行調(diào)試。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(lái)獲得實(shí)際所需的工作電流、電壓。 圖 電子負(fù)載的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖 本課題研究的內(nèi)容 近幾年來(lái)，隨著這些產(chǎn)品向多樣化和復(fù)雜化發(fā)展，如何科學(xué)而快速地檢測(cè)其性能和指標(biāo)成了一大難題。 (3)采用絕緣柵雙極晶體管的電子負(fù)載 絕緣柵雙極晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng) IGBT，是 MOSFET 和晶體管技術(shù)結(jié)合而成的復(fù)合型器件，屬于電壓控制型器件。它對(duì)電信號(hào)有放大和開(kāi)關(guān)等作用，應(yīng)用十分廣泛。 電子負(fù)載研究現(xiàn)狀 在電源生產(chǎn)過(guò)程中，出廠性能測(cè)試是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。當(dāng)負(fù)載恒定時(shí)，放電電流也恒定 。模擬電子負(fù)載就是為了克服上述實(shí)驗(yàn)設(shè)備的缺點(diǎn)而研制的一種電力電子裝置，是微機(jī)測(cè)控技術(shù)、電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的綜合應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各類(lèi)電力電子裝置也應(yīng)運(yùn)而生，并且得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，如有源電力濾波器 (APF)、不間斷電源(UPS)、靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器 (SVG)、交直流穩(wěn)壓電源、通訊電源、柴油發(fā)電機(jī)、蓄電池、車(chē)載電源等，這些產(chǎn)品的出廠試驗(yàn)，如可靠性試驗(yàn) (老化放電試驗(yàn) )、輸出特性試驗(yàn)等場(chǎng)合都要用到負(fù)載測(cè)試，以考察其技術(shù)指標(biāo)和性能。為便于控制的實(shí)現(xiàn)和功能的擴(kuò)展，采用了 ATMEL 公司的AVR 單片機(jī) ATmega88 作為核心控制器，設(shè)計(jì)了控制電路、檢測(cè)電路、通訊電路和驅(qū)動(dòng)電路 ，通過(guò)軟硬件的協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)設(shè)計(jì)。 下位機(jī) 從 直流電子負(fù)載系統(tǒng)方案分析入手，討論了整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路和軟件實(shí)現(xiàn)，并給出較為合理的解決方案。 Monitoring system i 目 錄 第一章 緒論 ......................................................................................................................... 1 研究背景 ...................................................................................................................... 1 研究意義 ...................................................................................................................... 2 電子負(fù)載研究現(xiàn)狀 ...................................................................................................... 2 本課題研究的內(nèi)容 ...................................................................................................... 3 第二章 電子負(fù)載系統(tǒng)分析 ............................................................................................. 5 電子負(fù)載系統(tǒng)方案 ...................................................................................................... 5 硬件和軟件功能的分配與協(xié)調(diào) .................................................................................. 6 軟件設(shè)計(jì) ............................................................................................................ 6 系統(tǒng)軟件和硬件聯(lián)機(jī)調(diào)試 ................................................................................ 6 工業(yè)控制及集中控制系統(tǒng) .......................................................................................... 6 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ...................................................................................................... 9 核心處理器 .................................................................................................................. 9 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) .................................................................................................... 13 直流穩(wěn)壓電源的基本原理 .............................................................................. 13 三端固定式穩(wěn)壓器 .......................................................................................... 14 系統(tǒng)供電設(shè)計(jì) .................................................................................................. 15 電壓及電流數(shù)據(jù)采集 .........................................................................