【文章內(nèi)容簡介】 擬負載時，首先要確定模擬負載與實際負載的匹配性，即兩者變化范圍、變化規(guī)律及 容量是否能夠一致，其次是驗證模擬負載的控制方式是否可行。目前國內(nèi)外的電子負載主要由可控的電子器件組成。根據(jù)選取的可控電子器件的不同，電子負載可以分為以下幾類 ： (l)采用晶體管的電子負載 大功率晶體管 GTR 也是半導體三極管，是內(nèi)部含有兩個 PN 結(jié)，外部通 有三個引出電極的半導體器件。它對電信號有放大和開關(guān)等作用，應用十分廣泛。通過控制其基極湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 3 電流可以控制其集極電流，因此，晶體管可作為一種可變電子負載。由于晶體管屬于電流控制型器件，在控制變化速度上較慢，因此適合模擬一些電流恒定或是變化緩慢的實際負載。其次，晶體管還 存在溫度系數(shù)為負的問題，所以在使用過程中需要考慮溫度補償?shù)膯栴}。 (2)采用場效應管的電子負載 場效應晶體管 (MOSFET)工作在不飽和區(qū)時，根據(jù)漏極與源極之間的伏安特性可以將其看作受柵極和源極間電壓控制的可變電阻。用 MOSFET 做可變電阻具有工作速度快、可靠性好、控制靈敏度高等優(yōu)點，而且既無機械觸點，也無運動部件，噪聲低，壽命長。但是 MOSFET 的通態(tài)電阻較大，且負載電流較小。所以， MOSFET 適合模擬一些變化速度較快，但電流不大的實際負載。 (3)采用絕緣柵雙極晶體管的電子負載 絕緣柵雙極晶體管，簡稱 IGBT，是 MOSFET 和晶體管技術(shù)結(jié)合而成的復合型器件，屬于電壓控制型器件。當 IGBT 工作在不飽和區(qū)時，根據(jù)射極與集極之間的伏安特性可以將其看作受柵極電壓控制的可變電阻。與晶體管相比，它的響應速度快 。與 MOSFET相比，它的負載電流大。 (4)電能反饋型電子負載 電能反饋型電子負載利用電力電子變換技術(shù)將被試電源的輸出能量大部分無污染地反饋回電網(wǎng)，節(jié)約了大部分的能源 。另一方面，因為能源的節(jié)約不會產(chǎn)生大量的熱量，所以不必使用體積龐大的電阻箱及冷卻設備。由于采用的是能量反饋方式，試驗場所也不必配備較大的電源容量。 圖 為這種電子負載的實驗系統(tǒng)示意圖。 圖 電子負載的實驗系統(tǒng)示意圖 本課題研究的內(nèi)容 近幾年來，隨著這些產(chǎn)品向多樣化和復雜化發(fā)展，如何科學而快速地檢測其性能和指標成了一大難題。將電力電子技術(shù)和微機控制技術(shù)引入負載裝置，不但可以實現(xiàn)傳統(tǒng)靜態(tài)負載的基本功能，又可以在不改動硬件情況下升級軟件可實現(xiàn) 很 多種功能 。 220V 交流輸 出 被 試電源 直流母線 電子負載 220V 交流輸入 能量流動方向 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 4 本設計為基于 AVR 單片機的電子負載監(jiān)控系統(tǒng)，主要實現(xiàn)的功能是對電子負載參數(shù)進行檢測和對電子負載進行控制，使用串口與上位機通信實現(xiàn)人 機交互。本設計包括電子負載監(jiān)控系統(tǒng)原理圖的設計，下位機軟件設計，上位機軟件設計三部分內(nèi)容。 (1) 設計任務 完成電子負載監(jiān)控系統(tǒng)原理圖繪制，設計 相關(guān)軟件； 下位機軟件： 根據(jù)上位機軟件的命令實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)老化電流，并記錄相關(guān)告警記錄； 根據(jù)輸入電壓的大小自動調(diào)試內(nèi)部控制電路； 上位機軟件： 自動采集下位機輸入電壓、電流及設置負載電流值； (2)設計要求 下位機設計： 通過接收上位機軟件的命令指令自動調(diào)試負載電流 ； 根據(jù)輸入電壓的大小自動調(diào)節(jié)內(nèi)部控制電路； 實時監(jiān)測輸入電壓、電流，發(fā)現(xiàn)異常立即記錄相關(guān) 數(shù)據(jù)，并上報給后系統(tǒng) ； 恢復默認通訊地址 ； 上位機設計： 自動采集下位機輸入電壓、電流及設置負載電流值； 設置負載電流值； 設置通訊地址 ； 設置下位機采樣基準電壓 ； 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 5 第二章 電子負載系統(tǒng)分析 電子負載系統(tǒng)方案 電子負載系統(tǒng)采用 “ AVR 單片機 +串口通訊 +鍵盤操作 +PWM 移相控制 +AD 轉(zhuǎn)換”結(jié)合的技術(shù)方案 ；集控制、檢測、變換 等功能于一體的設計方法。設計出最大功率為600W，電流 0～ 20A，電壓 0～ 34V 的直流電子負載 。 圖 系統(tǒng)總體結(jié) 構(gòu)圖 圖 中， ATmega88 單片機為核心處理器。 運行指示、 串口通訊和 上位機 實現(xiàn)人機交互， MOS 管電路為電子負載主電路。單片機輸出一定占空比的 PWM 控制信號，控制功率電路 MOS 管的導通和關(guān)斷時間，來獲得實際所需的工作電流、電壓。電路中的檢 測電路為電壓、電流負反饋回路，通過 A/D 采集到單片機，與預置值進行比較，作為單片機進一步調(diào)節(jié) PWM 占空比的依據(jù)。 驅(qū)動 電流檢測 被測電源 A/D 電壓檢測 A/D ATmega88 單片機 串口通信 鍵盤 運行指示 隔離 上位機 485 MOS 管電路 PWM 控制 電子負載 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 6 硬件和軟件功能的分配與協(xié)調(diào) 電子負載系統(tǒng)由軟、硬件共同組成?？紤]到價格、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，對于某些既可用 硬件實現(xiàn)，又可用軟件實現(xiàn)的功能，在進行設計時，充分考慮了硬件和軟件的特點，高效地分配其資源，協(xié)調(diào)其功能。 軟件設計 電子負載的控制程序，包括以下部分： (1) 人機聯(lián)系通信程序。包括上位機設置電子負載的老化電流，設置通信地址，采集電子負載的老化電壓和老化電流并在上位機界面顯示； (2) 數(shù)據(jù)采集和處理程序。主要是 A/D 轉(zhuǎn)換程序，電壓電流采集程序； (3) 控制程序。根據(jù)不同的老化電壓輸出不同的控制信號，根據(jù)上位機設置的電流大小產(chǎn)生占空比不同的 PWM 信號控制 MOS 管的導通和關(guān)斷時間。 系統(tǒng)軟件和硬件聯(lián)機調(diào)試 (1) 軟件調(diào)試方法 ： 軟件的錯誤只有在運行中才會完全暴露出來，因此，各個模塊的軟件程序分段進行調(diào)試。 (2) 硬件調(diào)試方法 ： 由于設計錯誤和加工工藝造成的各種錯線、開路、短路、接觸不良等故障，以及元器件失效或性能不符合要求。首先，在斷電的情況下測試線路的正確性，排除一些明顯的硬件故障。然后，聯(lián)機仿真調(diào)試，即除單片機外，插上所有元器件，和仿真器相連進行調(diào)試，依次對各個部件進行讀、寫操作，檢查結(jié)果的正確性。在硬件和軟件分別通過調(diào)試正常之后，進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，進一步完善和修改控制程序，記錄和測試各項性能指標，直到系統(tǒng) 正常運行。 工業(yè)控制及集中控制系統(tǒng) 在實際的環(huán)境中，考慮到系統(tǒng)的復雜 性 ，需要工業(yè)控制機來集中控制。 對電源的老化試驗，一般是在老化房中成批量進行，電源數(shù)量大，相應的電子負載也多，如果每一臺電子負載都需要人來監(jiān)控的話，這將耗費許多的人力，而且可能因疲勞而導致數(shù)據(jù)出錯。為了避免這些問題，采用工業(yè)控制機來對電子負載集中監(jiān)控 。 在控制系統(tǒng)中，要提供可靠、穩(wěn)定的設備為電源的試驗服務，當數(shù)臺電源并聯(lián)考核時，負載系統(tǒng)的輸入電流將 非常大，處理這樣大的電流需要多個負載模塊的并聯(lián)，同時還要對每個負載模塊進行實時監(jiān)測，給出狀 態(tài)信息，并進行故障報警 。 工業(yè)控制機集中控制系統(tǒng)包括工業(yè)控制機部分、信息傳輸與控制部分、電力電子能量反饋系統(tǒng)和 被測電源 部分 。 如圖 所示： 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 7 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 工業(yè)控制機部分主要完成的工作包括：控制每個 電子 負載模塊的啟動與停止，每個電源模塊的狀態(tài)監(jiān)測，每個 電子 負載模塊的電流值設定，整個系統(tǒng)的各部分狀態(tài)監(jiān)測，每個電子負載地址設置等。 信息傳輸與控制部分主要完成工業(yè)控制機與各個 電子 負載模塊之間的控制信息與參數(shù) 變量信息 的 交換。使得工業(yè)控制機能夠?qū)崟r 信息進行采集、處理、做出響應，保證系統(tǒng)的暢通。 電力電子能量反饋系統(tǒng)，圖 中 電子 負載模塊 1 至 N 所示，該系統(tǒng)主要包括：電力電子主電路、控制系統(tǒng)及控制軟件。電力電子主電路是完成將被測 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。微處理器控制系統(tǒng)及控制軟件實現(xiàn)對逆變電力電子電路的實時控制，完成整個系統(tǒng)所要求的功能，并能夠通過信息傳輸系統(tǒng)與工業(yè)控制機進行數(shù)據(jù)交換。 被測 電源部分，在硬件連接上為簡單的輸入 市電 ，輸出直流電壓，作為電子負載的輸入。 為了便于管理系統(tǒng)，把 多個 電子負載模塊 集中起來 放在一起就 形成電子負載 老化架 。電子負載 老化架 的輸入來自并聯(lián)的直流測試電源 1 至電源 Nm的輸出。電子負載 模塊 輸220V 50HZ DC AC 被測電源 2 電子負載 2 DC AC DC AC 被測電源 3 電子負載 3 DC AC DC AC 被測電源 1 1 電子負載 1 DC AC DC AC 被測電源 N 電子負載 N DC AC 人機界面 工業(yè)控制機 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 8 出工頻的交流，實現(xiàn)能量反饋。每個電子負載 老化架 包含 Nm個電子負載模塊單元，這些電子負載模塊單元通過現(xiàn)場總線 上位機軟件 集中控制。電子負載 組織框圖 如圖 所示。 圖 電子負載組織框圖 電子負載1 電子負載2 電子負載N1 老化架 1 電子負載1 電子負載2 電子負載Nm 老化架 M 現(xiàn)場總線 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 9 第三章 系統(tǒng)硬件設計 核心處理器 電子負載 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，它是基于 AVR 增強型 RISC 結(jié)構(gòu)的 8 位 CMOS 工藝的微控制器。 由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間， ATmega88 的數(shù)據(jù)吞吐率高達 1MIPS / MHz ，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾 。 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元 (ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至 10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率 。 ATmega88 有如下特點 ： 8K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash（ 具有在編程過程中還可以讀的 能力，即 RWW)， 512 字節(jié) EEPROM， 1K 字節(jié) SRAM ， 23 個通用 I/O 口線， 32 個通用工作寄存器，三個具有比較模式的靈活的定時器 /計數(shù)器 (T/C),片內(nèi) /外中斷，可編程串行 USART， 面向字節(jié)的兩線串行接口 (TWI)，一個 SPI 串行端口，一個 6 路 10 位ADC(TQFP 與 MLF 封裝的器件具有 8 路 10 位 ADC)，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，以及五種可以通過軟件選擇的省電模式。空閑模式時 CPU 停止工作，而 SRAM、T/C、 USART、 兩線串行接口、 SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模 式時晶體振蕩器停止振蕩， 所有功能除了中斷和硬件復位之外都停止工作，寄存器的內(nèi)容則一直保持；省電模式時異步定時器繼續(xù)運行，以允許用戶維持時間基準，器件的其他部分則處于睡眠狀態(tài) ； ADC 噪聲抑制模式時 CPU 和所有的 I/O 模塊停止運行 ， 而異步定時器和ADC 繼續(xù)工作，以減少 ADC 轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲 ； Standby 模式時振蕩器工作而其他部分睡眠 ， 使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力。 ATmega88 是以 Atmel的高密度非易失性內(nèi)存技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi) ISP Flash 可以通過 SPI 接口、通用編程器 、 或引導 程序進行多次編程。引導程序可以使用任意接口將應用程序來下載到應用 Flash 存儲區(qū)。在更新應用 Flash 存儲區(qū)時引導程序區(qū)的代碼繼續(xù)運行，從而實現(xiàn)了 Flash 的 RWW 操作。 ATmega88 與傳統(tǒng)的 8051 系列單片機相比，有以下幾大特點： (1)哈佛結(jié)構(gòu)，具備 1MIPS/MHZ 的高速運行處理能力； (2)超功能精簡指令集（ RISC），具有 32 個通用工作寄存器，克服了如 8051 MCU 采用單一 ACC 進行處理造成的瓶頸現(xiàn)象； (3)快速的存取寄存器組、單周期指令系統(tǒng)，大大優(yōu)化了目標代碼的大小、執(zhí)行效率，特別適用于使用高級語言進行開發(fā)； (4)作輸出時可輸出 40mA 的電流 （單一輸出），作輸入時可設置為三態(tài)高阻抗輸入湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 10 或帶上拉電阻輸入，具備 10mA20mA 灌電流的能力； (5)片內(nèi)集成多種頻率的 RC 振蕩器、上電自動復位、看門狗、啟動延時等功能，外圍電路更加簡單，系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠； (6)片上資源豐富：帶 EEPROM， PWM， RTC， SPI， UART， TWI， ISP， AD， Analog Comparator， WDT 等； (7)寬電壓工作范圍，可以工作在 ～ 之