【正文】 使用 PCA9535 擴(kuò)展 I/O 口電路如圖 所示 ： PD3/PCINT19/OC2B/INT1PD4/PCINT20/XCK/T0GNDVCCGNDVCCPB6/PCINT6/XTAL1/TOSC1PB7/PCINT7/XTAL2/TOSC2PD5/PCINT21/OC0B/T1PD6/PCINT22/OC0A/AIN0PD7/PCINT23/AIN1PB0/PCINT0/CLKO/ICP1PB1/PCINT1/OC1APB2/PCINT2/SS/OC1BPB3/PCINT3/OC2A/MOSIPB4/PCINT4/MISOPB5/SCK/PCINT5AVCCAD6AREFGNDADC7PC0/ADC0/PCINT8PC1/ADC1/PCINT9PC2/ADC2/PCINT10PC3/ADC3/PCINT11PC4/ADC4/SDA/PCINT12PC5/ADC5/SCL/PCINT13PC6/RESET/PCINT14PD0/RXD/PCINT15PD1/TXD/PCINT16PD2/INT0/PCINT17U1ATmega88 TQFPINTA1A2I/I/I/I/I/I/I/I/VSS I/I/I/I/I/I/I/I/A0SCLSDAVDDU3PCA9535PWGNDGNDGND2KR62KR72KR82KR92KR102KR112KR122KR135V10KR1410KR1510KR1610KR1710KR1810KR1910KR2010KR21104C65VVAC1VAC2VAC3VAC4VAD_1VAD_2VAD_3VAD_4KCM1KCM2KCM3KCM410KR2810KR295VGND 圖 擴(kuò)展 I/O 電路圖 在 I2C 協(xié)議中，為了實(shí)現(xiàn)“線與”功能， 協(xié)議的 SDA 線和 SCL 線 設(shè)計(jì) 為開(kāi)漏輸出，只能輸出低電平，不能輸出高電平。 當(dāng) PCA9535 的 I/O 配置為輸入時(shí)， I/O 引腳電平的變化將會(huì)觸發(fā) PCA9535 發(fā)出中斷信號(hào) 。 PCA9535 引腳配置如 圖 所示： 123456782423222120191817VDDA0SCLSDAI/INTI/A1I/I/I/I/I/I/I/A29I/10I/11I/12VSS16I/15I/14I/13I/ 圖 PCA9535 引腳配置 PCA9535 是 Philips 公司生產(chǎn)的 基于 I2C 接口的 I/O 口 擴(kuò)展芯片 ，能夠擴(kuò)展 2 路 8位 I/O 端口 I/O0 和 I/O1，通過(guò) I2C 接口受控于單片機(jī)。TL431 和 R1， R2 構(gòu)成的電路用以提供精確的 A/D 轉(zhuǎn)換電壓基準(zhǔn)。當(dāng) INH 輸入端 為高電平 時(shí)，所有的通道截止。 本系統(tǒng)使用 8通道模擬多路復(fù)用器 CD4051。圖 所示為電流采樣電路原理圖： 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 R0IVi 圖 電流采樣電路原理圖 如圖 所示，電流 I在 R0 上會(huì)產(chǎn)生壓降，假定運(yùn)算放大器開(kāi)環(huán)增益為 K，則可以得到 電流 I和輸出 Vi 的關(guān)系 ： ViI=KR0 ??????????????（ ） 運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益 K可以參看有關(guān)生產(chǎn)廠家提供的資料，電阻 R0 為毫歐級(jí)。 電壓采樣電路中，由于電子負(fù)載的輸入電壓范圍比較寬，電壓較高，采樣前首先 要進(jìn)行分壓設(shè)計(jì)。當(dāng)在 A/D 參考電壓引腳加上 5V 的參考電壓時(shí)， A/D 轉(zhuǎn)換器的 采樣精度可達(dá) 5V/1024 ? 。圖 為將 12V 的直流電轉(zhuǎn)換成 5V的直流電。大電容一般體積大，且通常使用多層卷繞的方式制 作，這就導(dǎo)致了湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 大電容的分布電感比較大。 系統(tǒng)供電設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)中，按照系統(tǒng)要求，需要使用 +12V 和 +5V 兩種電源。 78 系列 穩(wěn)壓器最大輸出電流分 100mA、500mA、 三種，以插入 78和電壓數(shù)字之間的字母來(lái)表示。穩(wěn)壓的作用是將濾波電路輸出電壓經(jīng)穩(wěn)壓后，輸出較平穩(wěn)的電壓，常見(jiàn)的穩(wěn)壓電路有三端穩(wěn)壓器，串聯(lián)式穩(wěn)壓電路等。 整流電路的作用是將交流電壓 U1 變換成脈動(dòng)的直流 U2，它主要有半波整流、全波整流方式，可以由整流二級(jí)管構(gòu)成的整流橋堆來(lái)執(zhí)行，常見(jiàn)的整流二級(jí)管有 1N4001N5148 等，橋堆有 RS210 等。在整個(gè)下位機(jī)系統(tǒng)中， 供電模塊起著不可忽視的重要作用。ATmega88 的 ISP 編程接口如圖 所示： PD3/PCINT19/OC2B/INT1PD4/PCINT20/XCK/T0GNDVCCGNDVCCPB6/PCINT6/XTAL1/TOSC1PB7/PCINT7/XTAL2/TOSC2PD5/PCINT21/OC0B/T1PD6/PCINT22/OC0A/AIN0PD7/PCINT23/AIN1PB0/PCINT0/CLKO/ICP1PB1/PCINT1/OC1APB2/PCINT2/SS/OC1BPB3/PCINT3/OC2A/MOSIPB4/PCINT4/MISO PB5/SCK/PCINT5AVCCAD6AREFGNDADC7PC0/ADC0/PCINT8PC1/ADC1/PCINT9PC2/ADC2/PCINT10PC3/ADC3/PCINT11PC4/ADC4/SDA/PCINT12PC5/ADC5/SCL/PCINT13PC6/RESET/PCINT14PD0/RXD/PCINT15PD1/TXD/PCINT16PD2/INT0/PCINT17U1ATmega88 TQFPMOSI VDDNC GNDSCKGNDMISOGNDRSTGNDJP2ISPMOSIRSTMISO5VGNDMOSIMISORST5V5VGNDGND 圖 ISP 編程接口 ISP 是 In System Program 的縮寫，意思是在系統(tǒng)編程。 每一片單片機(jī)都需要有軟件才能完成特定的功能。本系統(tǒng)使用 MAX706 的上電復(fù)位功能 和 看門 狗 復(fù)位 功能 ，如圖 所示，將看門狗輸出引腳 WDO 接到手 動(dòng) 復(fù)位引腳輸入端 MR。即 WDI 端的跳變會(huì)清零定時(shí)器并啟動(dòng)一次新的計(jì)數(shù)周期。 MAX706 片內(nèi)看門狗定時(shí)器用于監(jiān)控 MPU/MCU 的活動(dòng)。在 VCC上升期間 RESET維持低電平直到電源電壓升至復(fù)位門限 以上。這個(gè)引腳可以用來(lái)監(jiān)測(cè)外部電壓是否低于某一閥值，只需要兩個(gè)電阻分壓采樣外部電壓即可，通過(guò)改變電阻的比值可以監(jiān)測(cè)不同的閥值電壓。 MAX706 是一組 CMOS 監(jiān)控電路，能夠監(jiān)控電源電壓，電池故障和微處理器或微控制器的工作狀態(tài)。 對(duì)于實(shí)際的電子負(fù)載，大多數(shù)都是用來(lái)對(duì)電源做老化試驗(yàn)。外部振蕩電路的接法如圖 所示。 D1（ 1N4148）的作用有兩個(gè)：作用一是將復(fù)位輸入 的最高電壓嵌位在 (VCC+)V 左右；另一作用是系統(tǒng)斷電時(shí)將 R0短路，讓 C3 快速放電，以便讓下一次來(lái)電時(shí)能產(chǎn)生有效的復(fù)位。 ATmega88 與傳統(tǒng)的 8051 系列單片機(jī)相比，有以下幾大特點(diǎn)： (1)哈佛結(jié)構(gòu)，具備 1MIPS/MHZ 的高速運(yùn)行處理能力； (2)超功能精簡(jiǎn)指令集（ RISC），具有 32 個(gè)通用工作寄存器，克服了如 8051 MCU 采用單一 ACC 進(jìn)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(biāo)代碼的大小、執(zhí)行效率，特別適用于使用高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)； (4)作輸出時(shí)可輸出 40mA 的電流 （單一輸出），作輸入時(shí)可設(shè)置為三態(tài)高阻抗輸入湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(dòng)復(fù)位、看門狗、啟動(dòng)延時(shí)等功能，外圍電路更加簡(jiǎn)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 ～ 之間； (8)功耗極低； (9)性價(jià)比高。 ATmega88 是以 Atmel的高密度非易失性內(nèi)存技術(shù)生產(chǎn)的。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(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。 老化架 1 電子負(fù)載1 電子負(fù)載2 電子負(fù)載Nm 電子負(fù)載 組織框圖 如圖 所示。 為了便于管理系統(tǒng)，把 多個(gè) 電子負(fù)載模塊 集中起來(lái) 放在一起就 形成電子負(fù)載 老化架 。 電力電子能量反饋系統(tǒng)，圖 中 電子 負(fù)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。 工業(yè)控制機(jī)集中控制系統(tǒng)包括工業(yè)控制機(jī)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(cè)電源 部分 。 工業(yè)控制及集中控制系統(tǒng) 在實(shí)際的環(huán)境中，考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜 性 ，需要工業(yè)控制機(jī)來(lái)集中控制。 (2) 硬件調(diào)試方法 ： 由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和加工工藝造成的各種錯(cuò)線、開(kāi)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。包括上位機(jī)設(shè)置電子負(fù)載的老化電流，設(shè)置通信地址，采集電子負(fù)載的老化電壓和老化電流并在上位機(jī)界面顯示； (2) 數(shù)據(jù)采集和處理程序。電路中的檢 測(cè)電路為電壓、電流負(fù)反饋回路，通過(guò) 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)。設(shè)計(jì)出最大功率為600W，電流 0～ 20A，電壓 0～ 34V 的直流電子負(fù)載 。將電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)引入負(fù)載裝置，不但可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)靜態(tài)負(fù)載的基本功能，又可以在不改動(dòng)硬件情況下升級(jí)軟件可實(shí)現(xiàn) 很 多種功能 。另一方面，因?yàn)槟茉吹墓?jié)約不會(huì)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(shè)備。當(dāng) IGBT 工作在不飽和區(qū)時(shí)，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。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(diǎn)，而且既無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)，也無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，噪聲低，壽命長(zhǎng)。通過(guò)控制其基極湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(fù)載。 在選擇合適的電子模擬負(fù)載時(shí)，首先要確定模擬負(fù)載與實(shí)際負(fù)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(yàn)證模擬負(fù)載的控制方式是否可行。為了便于測(cè)試，一般采用的是模擬負(fù)載，而非實(shí)際負(fù)載。如果采用大功率開(kāi)關(guān)器件，就能使得電子負(fù)載具有足夠大的容量，完成對(duì)大功率電源的試驗(yàn)。當(dāng)負(fù)載動(dòng)態(tài)變化時(shí)，放電電流也相應(yīng)地變化。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 研究意義 電力電子技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展迅速的一種高新技術(shù)，它是集電力技術(shù)、微電子技術(shù)和信息控制技術(shù)于一體的一門新學(xué)科，廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化、電氣傳動(dòng)、新能源、航天、核電、激光、材料等領(lǐng)域，有專家預(yù)言，在 21 世紀(jì)高度發(fā)展的自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)有兩項(xiàng)重要的技術(shù)，那就是計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)。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)。 (3)電阻功率較小，在長(zhǎng)時(shí)間大電流試驗(yàn)環(huán)境下容易造成電阻老化和燒損 (4)試驗(yàn)電能全部消耗在電阻上，造成巨大的浪費(fèi) 。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。 ATmega88。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。電子負(fù)載由數(shù)字控制器、檢測(cè)與驅(qū)動(dòng)電路、通訊電路等組成，數(shù)字控制器控制 MOSFET 或晶體管的導(dǎo)通量（占空比大?。瑢?shí)現(xiàn)對(duì)電源參數(shù)的穩(wěn)定控制。 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) 。 上位機(jī)使用 Visual C++開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電子負(fù)載老化電壓、老化電流等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，上位機(jī)設(shè)置負(fù)載電流大小，電壓超限報(bào)警等功能。 PWM。但它們存在如下一些缺點(diǎn)： (l)電阻一般采用有級(jí)調(diào)節(jié)，很難滿足阻值連續(xù)變化情況以及負(fù)載形式靈活變化的要求 。 (5)負(fù)載設(shè)備體積龐大，占用很大空間，且不容易滿足大功率試驗(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)。它體積小、安裝使用方便，能夠?qū)⒋郎y(cè)設(shè)備的輸出功率無(wú)污染的反饋給電網(wǎng)，其損耗僅僅是 PWM 變流器的開(kāi)關(guān)損耗和線路損耗，從而在很大程度上減少試驗(yàn)過(guò)程中的能量損耗，有效的降低了試驗(yàn)成本。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