基于AVR單片機電子負載監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文.doc

湖 南 科 技 大 學畢 業(yè) 設(shè) 計（ 論 文 ）題目基于AVR單片機電子負載監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計作者學院專業(yè)學號指導(dǎo)教師湖 南 科 技 大 學畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 機電工程學 院 測控技術(shù)與儀器 系（教研室）系（教研室）主任: （簽名） 年 月 日學生姓名: 學號: 0703030122 專業(yè): 測控技術(shù)與儀器 1 設(shè)計（論文）題目及專題： 基于AVR單片機電子負載監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 2 學生設(shè)計（論文）時間：自 2011 年 3 月 1 日開始至 2011 年 6 月 8 日止3 設(shè)計（論文）所用資源和參考資料：4 設(shè)計（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：5 提交設(shè)計（論文）形式（設(shè)計說明與圖紙或論文等）及要求：6 發(fā)題時間： 年 月 日指導(dǎo)教師： （簽名）學 生： （簽名）湖 南 科 技 大 學畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)人評語主要對學生畢業(yè)設(shè)計（論文）的工作態(tài)度，研究內(nèi)容與方法，工作量，文獻應(yīng)用，創(chuàng)新性，實用性，科學性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進行綜合評價指導(dǎo)人： （簽名）年 月 日 指導(dǎo)人評定成績： 湖 南 科 技 大 學畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱人評語主要對學生畢業(yè)設(shè)計（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究內(nèi)容與方法，實用性與科學性，結(jié)論和存在的不足等進行綜合評價評閱人： （簽名）年 月 日 評閱人評定成績： 湖 南 科 技 大 學畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯記錄日期： 學生： 學號： 班級： 題目： 提交畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會下列材料：1 設(shè)計（論文）說明書共頁2 設(shè)計（論文）圖 紙共頁3 指導(dǎo)人、評閱人評語共頁畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會評語：主要對學生畢業(yè)設(shè)計（論文）的研究思路，設(shè)計（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對設(shè)計（論文）的介紹，回答問題情況等進行綜合評價答辯委員會主任： （簽名）委員： （簽名）（簽名）（簽名）（簽名） 答辯成績： 總評成績： 摘 要電子負載與傳統(tǒng)的模擬電阻性負載相比具有節(jié)能、體積小、效率高等優(yōu)點，在電源、通訊、汽車、蓄電池等領(lǐng)域得到了較好的應(yīng)用，并已成為當前研究的熱點。電子負載由數(shù)字控制器、檢測與驅(qū)動電路、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?。?，實現(xiàn)對電源參數(shù)的穩(wěn)定控制。本設(shè)計主要包括兩部分：數(shù)據(jù)采集及相關(guān)動作的下位機和實現(xiàn)遠程監(jiān)控的上位機。下位機從直流電子負載系統(tǒng)方案分析入手，討論了整個系統(tǒng)的硬件電路和軟件實現(xiàn)，并給出較為合理的解決方案。為便于控制的實現(xiàn)和功能的擴展，采用了ATMEL公司的AVR單片機ATmega88作為核心控制器，設(shè)計了控制電路、檢測電路、通訊電路和驅(qū)動電路，通過軟硬件的協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)了整個設(shè)計。單片機輸出不同占空比的PWM波形，控制MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，調(diào)節(jié)流過場效應(yīng)的電流。上位機使用Visual C+開發(fā)平臺，實現(xiàn)了對電子負載老化電壓、老化電流等數(shù)據(jù)的實時顯示，上位機設(shè)置負載電流大小，電壓超限報警等功能。基于AVR單片機的電子負載監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測輸入電子負載的老化電壓、老化電流，實現(xiàn)單個上位機監(jiān)控大量下位機的功能，極大的減少了人員冗余，改善了工作人員的勞動條件，對實際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：電子負載；ATmega88；PWM；監(jiān)控系統(tǒng)ABSTRACTElectronic load can save less energy and is smaller in size and more efficient than resistance load. Therefore, electronic load is generally used to power, communication, automobile, accumulator and so on. Electronic load is becoming increasingly the hotspot. The electronic load includes of digital controller, detection and driver circuit and communication circuit. Digital controls the on and off time of the MOS transistors witch expend energy of the power supply. It is realized that the parameter of the power be controlled steadily.The system mainly was composed by two parts. One is the data acquisition and related actions for the next bit plane. The other is remote monitoring of the host computer.The next bit plane scheme of direct current electronic load is analyzed, especially the hardware and software realization is discussed particularly in the paper, and a reasonable solution scheme is presented. For the sake of the control and functional expansion, ATmega88, AVR microcontroller produced by ATMEL Corporation, is used as the core controller of whole control circuit. Control circuit includes of detection circuit, communication circuit and driver circuit. Through the coordination of the software and hardware, the design can be realized. The microcontroller output will be PWM waveforms with different duty cycle. According to control the on and off time of the MOS transistors, the current of FET can be regulated.The electronic load monitoring system base on AVR microcontroller monitor the input voltage and current by the electronic load in real time. Realized single host computer monitor a mass of next bit plane, greatly reducing the redundancies and tend to improve the working conditions. So it can get some guiding significance for the actual production.Key Words: Electronic load; ATmega88; PWM; Monitoring system目 錄第一章緒論11.1 研究背景11.2 研究意義21.3 電子負載研究現(xiàn)狀21.4 本課題研究的內(nèi)容3第二章電子負載系統(tǒng)分析52.1 電子負載系統(tǒng)方案52.2 硬件和軟件功能的分配與協(xié)調(diào)62.2.1 軟件設(shè)計62.2.2 系統(tǒng)軟件和硬件聯(lián)機調(diào)試62.3 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93.1 核心處理器93.2 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計133.2.1 直流穩(wěn)壓電源的基本原理133.2.2 三端固定式穩(wěn)壓器143.2.3 系統(tǒng)供電設(shè)計153.3 電壓及電流數(shù)據(jù)采集163.4 I/O擴展193.5 PWM控制電路213.6 通信電路設(shè)計22第四章下位機軟件設(shè)計244.1 下位機軟件總體設(shè)計244.2 數(shù)據(jù)采集及計算254.3 PWM程序設(shè)計274.4 I2C程序設(shè)計284.5 通信程序設(shè)計354.5.1 單片機USART0口354.5.2 通信協(xié)議384.2.3 電壓電流數(shù)據(jù)采集394.2.4 ADC基準電壓404.2.5 通訊地址設(shè)定41第五章上位機軟件設(shè)計445.1 Windows程序內(nèi)部運行機制445.2 串口通信455.3 數(shù)據(jù)錄入與顯示界面設(shè)計465.3.1 主頁面設(shè)計465.3.2 設(shè)置界面設(shè)計475.4 程序設(shè)計475.4 運行結(jié)果及分析51第六章總結(jié)55參考文獻56致謝58附錄A 硬件電路圖59-ii-湖南科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）第一章 緒論1.1 研究背景自第一只晶閘管問世以來，電力電子技術(shù)逐漸登上了現(xiàn)代電氣傳動技術(shù)的舞臺，成為國際上競爭最激烈的高新技術(shù)領(lǐng)域之一。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各類電力電子裝置也應(yīng)運而生，并且得到了越來越廣泛的應(yīng)用，如有源電力濾波器(APF)、不間斷電源(UPS)、靜態(tài)無功補償器(SVG)、交直流穩(wěn)壓電源、通訊電源、柴油發(fā)電機、蓄電池、車載電源等，這些產(chǎn)品的出廠試驗，如可靠性試驗(老化放電試驗)、輸出特性試驗等場合都要用到負載測試，以考察其技術(shù)指標和性能。與這些電子產(chǎn)品的發(fā)展不協(xié)調(diào)的是目前國內(nèi)外對這些產(chǎn)品的測試技術(shù)卻未得到相應(yīng)的發(fā)展，一般都采用傳統(tǒng)的靜態(tài)負載(如電阻、電阻箱、滑線變阻器等)能耗放電的辦法進行。但它們存在如下一些缺點：(l)電阻一般采用有級調(diào)節(jié)，很難滿足阻值連續(xù)變化情況以及負載形式靈活變化的要求;(2)傳統(tǒng)的負載形式單一，實際應(yīng)用中很多負載都要求是動態(tài)變化的，如消耗功率是溫度、時間、頻率等的函數(shù)，也可能是要求恒定電流、恒定電壓、恒定阻抗、不同功率因數(shù)或非線性形式的負載等。傳統(tǒng)的靜態(tài)負載模擬不了復(fù)雜的負載形式。(3)電阻功率較小，在長時間大電流試驗環(huán)境下容易造成電阻老化和燒損(4)試驗電能全部消耗在電阻上，造成巨大的浪費;(5)負載設(shè)備體積龐大，占用很大空間，且不容易滿足大功率試驗的場合(6)傳統(tǒng)負載消耗的能量最終轉(zhuǎn)化為熱量，對散熱造成巨大的負擔。由于傳統(tǒng)試驗方式存在諸多缺點，國內(nèi)外的學者一直致力于研究更好的電源試驗裝置，主要解決負載的靈活調(diào)節(jié)以及試驗電能的回饋問題。模擬電子負載就是為了克服上述實驗設(shè)備的缺點而研制的一種電力電子裝置，是微機測控技術(shù)、電力電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的綜合應(yīng)用。它可以實現(xiàn)各種試驗場合的負載條件，在傳統(tǒng)的負載不能滿足條件的情況下，如動態(tài)負載、非線性負載等，更能顯示出其性能的優(yōu)越性，對負載形式的調(diào)節(jié)可以通過軟件形式來實現(xiàn)。它體積小、安裝使用方便，能夠?qū)⒋郎y設(shè)備的輸出功率無污染的反饋給電網(wǎng)，其損耗僅僅是PWM變流器的開關(guān)損耗和線路損耗，從而在很大程度上減少試驗過程中的能量損耗，有效的降低了試驗成本。由于在這過程中能量消耗很少，所以省去了龐大的散熱設(shè)備，節(jié)約了安裝空間，并且對于能源問題日益嚴峻的今天，研究模擬電子負載具有很大的經(jīng)濟意義，是科學發(fā)展觀在科技學術(shù)問題上的指導(dǎo)和應(yīng)用。因此，電子負載模擬裝置在實驗室及電源等生產(chǎn)過程中有很大的應(yīng)用空間，其市場前景非常廣闊。1.2 研究意義電力電子技術(shù)是近年來發(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)于一體的一門新學科，廣泛應(yīng)用于機電一體化、電氣傳動、新能源、航天、核電、激光、材料等領(lǐng)域，有專家預(yù)言，在21世紀高度發(fā)展的自動化領(lǐng)域內(nèi)有兩項重要的技術(shù)，那就是計算機技術(shù)和電力電子技術(shù)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，功率半導(dǎo)體開關(guān)器件性能不斷提高，而功率半導(dǎo)體開關(guān)器件技術(shù)的進步，又促進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)在電源測試領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論和應(yīng)用的基礎(chǔ)。電源的測試，本質(zhì)上就是使電源按照一定的電流進行放電。當負載恒定時，放電電流也恒定;當負載動態(tài)變化時，放電電流也相應(yīng)地變化。因此可以設(shè)想，如果采用電力電子變流裝置作為負載對電源進行試驗，精確控制電源的放電電流，那么從電源側(cè)來看就如同對一個真實負載進行放電，從而可以模擬一個傳統(tǒng)的自然負載。進一步而言，如果采用有效的電流控制技術(shù)，能夠在大范圍內(nèi)控制放電電流，就能模擬各種負載，包括一些動態(tài)變化的負載、諧波負載和非線性負載，使得一個電子負載就能滿足任何試驗場合。再結(jié)合逆變技術(shù)，將試驗?zāi)芰咳繜o污染的回饋給電網(wǎng)，就能在完成對電源正常試驗的同時有效地解決電能浪費問題。如果采用大功率開關(guān)器件，就能使得電子負載具有足夠大的容量，完成對大功率電源的試驗。另外，采用電子負載進行試驗后，由于不存在大功率的耗能電阻，因此負載的體積較小，可以有效節(jié)約安裝空間。因此從理論上而言，采用電子負載完全可以解決采用傳統(tǒng)負載進行電源試驗時存在的各種缺點。1.3 電子負載研究現(xiàn)狀在電源生產(chǎn)過程中，出廠性能測試是非常重要的一個環(huán)節(jié)。為了便于測試，一般采用的是模擬負載，而非實際負載。傳統(tǒng)上使用靜態(tài)負載(例如電阻、電阻箱、滑線變阻器等)來替代實際負載。但是由于實際負載的形式較為復(fù)雜，通常都是動態(tài)的，即負載隨時間、頻率在不斷地變化，因此靜態(tài)負載很難完全模擬實際負載。一直以來，國內(nèi)外學者都在不斷研究可以替代實際負載的電子模擬負載，即電子負載。在選擇合適的電子模擬負載時，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(dǎo)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(dǎo)體器件。它對電信號有放大和開關(guān)等作用，應(yīng)用十分廣泛。通過控制其基極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(yīng)管的電子負載場效應(yīng)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(fù)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(yīng)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(shè)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1.1為這種電子負載的實驗系統(tǒng)示意圖。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圖1.1 電子負載的實驗系統(tǒng)示意圖1.4 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(fù)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。本設(shè)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(shè)計包括電子負載監(jiān)控系統(tǒng)原理圖的設(shè)計，下位機軟件設(shè)計，上位機軟件設(shè)計三部分內(nèi)容。(1) 設(shè)計任務(wù)完成電子負載監(jiān)控系統(tǒng)原理圖繪制，設(shè)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(shè)置負載電流值；(2)設(shè)計要求下位機設(shè)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(fù)默認通訊地址；上位機設(shè)計：自動采集下位機輸入電壓、電流及設(shè)置負載電流值；設(shè)置負載電流值；設(shè)置通訊地址；設(shè)置下位機采樣基準電壓；-61-第二章 電子負載系統(tǒng)分析2.1 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(shè)計方法。設(shè)計出最大功率為600W，電流020A，電壓034V的直流電子負載。驅(qū)動電流檢測被測電源A/D電壓檢測A/DATmega88單片機串口通信鍵盤運行指示隔離上位機485MOS管電路PWM控制電子負載圖2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖圖2.1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(dǎo)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(yù)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)。2.2 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。考慮到價格、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(shè)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。2.2.1 軟件設(shè)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(shè)置電子負載的老化電流，設(shè)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(shè)置的電流大小產(chǎn)生占空比不同的PWM信號控制MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷時間。2.2.2 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(shè)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。2.3 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(fù)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(yīng)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(dǎo)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(shè)備為電源的試驗服務(wù)，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2.2所示：220V 50HZDC AC被測電源2電子負載2DC ACDC AC被測電源3電子負載3DC ACDC AC被測電源11電子負載1DC ACDC AC被測電源N電子負載NDC AC人機界面工業(yè)控制機圖2.2 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(shè)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(shè)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(yīng)，保證系統(tǒng)的暢通。電力電子能量反饋系統(tǒng)，圖2.2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2.3所示。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 圖2.3 電子負載組織框圖第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 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(fù)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(dǎo)程序進行多次編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序來下載到應(yīng)用 Flash 存儲區(qū)。在更新應(yīng)用 Flash 存儲區(qū)時引導(dǎo)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(shè)置為三態(tài)高阻抗輸入或帶上拉電阻輸入，具備10mA-20mA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(fù)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2.7V5.5V之間；(8)功耗極低；(9)性價比高。單片機ATmega88系統(tǒng)的基本電路如下：圖3.1 ATmega88單片機系統(tǒng)的基本電路圖3.1中，單片機ATmega88為薄塑封四角扁平封裝(TQFP)。由于ATmega88在內(nèi)部已經(jīng)內(nèi)置了上電復(fù)位設(shè)計，并且在熔絲位設(shè)計里可以控制復(fù)位的額外時間，因此ATmega88外部的復(fù)位電路在上電時可以設(shè)計的非常簡單，直接接一只10K的電阻到VCC即可，如圖3.1中所示的R0。為了可靠，再加上一只0.1uF的電容以消除干擾雜波，如圖3.1中所示的C3。D1（1N4148）的作用有兩個：作用一是將復(fù)位輸入的最高電壓嵌位在(VCC+0.5)V左右；另一作用是系統(tǒng)斷電時將R0短路，讓C3快速放電，以便讓下一次來電時能產(chǎn)生有效的復(fù)位。AVR系列單片機采用低電平復(fù)位，當單片機在工作時，按下S1開關(guān)，復(fù)位引腳變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)單片機復(fù)位。ATmega88在出廠時已經(jīng)提供了由片內(nèi)RC振蕩器產(chǎn)生的8MHZ的時鐘，可以通過編程熔絲位進行8分頻得到1MHZ的時鐘。不過，內(nèi)置的畢竟是RC振蕩，在一些要求較高的場合，比如要與RS232通信需要比較精確的波特率時，最好使用外部的晶振。外部振蕩電路的接法如圖3.1所示。AVR單片機在出廠時已經(jīng)編程熔絲位使用內(nèi)部RC振蕩器，并且進行了8分頻，如果要使用外部時鐘，需要重新編程熔絲位。單片機復(fù)位電路設(shè)計的好壞，直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性。許多人在設(shè)計完單片機系統(tǒng)，并在實驗室調(diào)試成功后，在現(xiàn)場卻出現(xiàn)了“死機”、“程序走飛”等現(xiàn)象，這主要是單片機的復(fù)位電路設(shè)計不可靠引起的。對于實際的電子負載，大多數(shù)都是用來對電源做老化試驗。電源的老化試驗是模擬實際使用環(huán)境進行一定時間的放電，以測試電源的性能和指標。一般情況下，模擬的使用環(huán)境是比較惡劣的，為保證電子負載的可靠運行，單片機系統(tǒng)的可靠性設(shè)計是必不可少的一個環(huán)節(jié)，因此，電子負載的單片機系統(tǒng)一般不采用如圖3.1所示的復(fù)位電路，而是使用專用的復(fù)位芯片使單片機能夠可靠復(fù)位。對于AVR系列單片機來說，用的是低電平復(fù)位，因此，可以選擇Maxim公司的專用復(fù)位芯片MAX706。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)。將常用的功能集成到一片8引腳封裝的小芯片內(nèi)，與采用分立元件或單一功能芯片組合的電路相比，大大減小了系統(tǒng)電路的復(fù)雜性和數(shù)量，顯著提高了系統(tǒng)的可靠性和精確度。MAX706的引腳配置如圖3.2所示：圖3.2 MAX706引腳配置其引腳功能分別如下：l MR：手動復(fù)位輸入端，當其接上一個小于0.8V的電平時就能夠觸發(fā)一個復(fù)位脈沖；l VCC：電源引腳，輸入電壓范圍為4.5V5.5V；l GND：接地引腳；l PFI：掉電監(jiān)測輸入引腳。當輸入這個引腳的電壓低于1.25V時，PFO輸出低電平。這個引腳可以用來監(jiān)測外部電壓是否低于某一閥值，只需要兩個電阻分壓采樣外部電壓即可，通過改變電阻的比值可以監(jiān)測不同的閥值電壓。當不使用掉電監(jiān)測功能時，該引腳懸空；l PFO：掉電檢測輸出引腳，低電平有效；l WDI：看門狗輸入引腳；l RESET：復(fù)位電平輸出引腳，低電平有效；l WDO：看門狗輸出引腳，當內(nèi)部看門狗定時器溢出時，該引腳輸出低電平。MAX706提供上電復(fù)位功能。在上電期間只要VCC大于1.0V，就能保證輸出電壓不高于0.4V的低電平。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4.4V以上。在超過此門限后，內(nèi)部定時器大約再維持200mS后釋放RESET，使其返回高電平。無論何時只要電源電壓降到復(fù)位門限一下，RESET引腳就會變低。在掉電期間，一旦電源電壓VCC降到復(fù)位門限以下，只要VCC不比1.0V還低，就能使RESET維持電壓不高于0.4V的低電平。MAX706片內(nèi)看門狗定時器用于監(jiān)控MPU/MCU的活動。如果在1.6秒內(nèi)WDI沒有收到來自MPU/MCU的觸發(fā)信號，并且WDI處于非高阻態(tài)，則WDO輸出變低。只要復(fù)位信號有效或WDI輸入高阻，則看門狗定時器功能就被禁止，且保持清零和不計時狀態(tài)。復(fù)位信號的產(chǎn)生會禁止定時器，可一旦復(fù)位信號撤銷并且WDI輸入端檢測到短至50ns的低電平或高電平跳變，定時器將開始1.6s的計時。即WDI端的跳變會清零定時器并啟動一次新的計數(shù)周期。一旦電源電壓VCC降至復(fù)位門限以下，WDO端也將變低并保持低電平。只要VCC升至門限電壓以上，WDO就會立即變高。使用MAX706構(gòu)成的單片機復(fù)位電路如圖3.3所示：圖3.3 MAX706構(gòu)成的單片機復(fù)位電路在圖3.3中，MAX706的掉電檢測功能并沒有使用，所以將PFI和PFO引腳懸空。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3.3所示，將看門狗輸出引腳WDO接到手動復(fù)位引腳輸入端MR。當由于看門狗定時器溢出使得WDO引腳輸出低電平時，MR引腳為低電平，從而觸發(fā)MAX706輸出復(fù)位脈沖。使用看門狗時，需要定期的喂狗，將單片機引腳PC0接到MAX706的WDI端，定期喂狗，否則看門狗電路認為單片機運行不正常而輸出復(fù)位信號。注意，當程序在下載時，需要斷開看門狗電路，即將WDO和MR斷開，否則可能因復(fù)位不正常而導(dǎo)致芯片鎖死。每一片單片機都需要有軟件才能完成特定的功能。在軟件設(shè)計好后，要將軟件燒錄到單片機的Flash中。為了燒錄程序方便及考慮到以后升級的需要，需要預(yù)留程序下載接口。ATmega88支持高壓/并行編程和串行編程，由于高壓并行編程需要連接較多的引腳和使用12V的電壓，因此一般情況下都是使用ATmega88的串行編程，即ISP編程。ATmega88的ISP編程接口如圖3.4所示：圖3.4 ISP編程接口ISP是In System Program的縮寫，意思是在系統(tǒng)編程。它一共使用了兩條電源線：VCC、GND，三條信號線：SCK、MOSI、MISO，以及復(fù)位線：RESET，如圖3.4所示。由于僅僅使用了幾條數(shù)據(jù)線，所以我們亦常將其稱為串行編程。3.2 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計直流穩(wěn)壓電源是電子設(shè)備的能源電路，關(guān)系到整個電路設(shè)計穩(wěn)定性和可靠性，是電路設(shè)計中非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。在整個下位機系統(tǒng)中，供電模塊起著不可忽視的重要作用。它給各個模塊提供“動力”，才能保證每個分塊的正常工作。3.2.1 直流穩(wěn)壓電源的基本原理直流電源電路一般由電源變壓器，整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成。如圖3.5所示：變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路UiU1U2U3Uo+RL-220V交流圖3.5 直流穩(wěn)壓電源基本組成框圖電源變壓器的作用是將電網(wǎng)220V的交流電壓變成整流電路所需的電壓U1。整流電路的作用是將交流電壓U1變換成脈動的直流U2，它主要有半波整流、全波整流方式，可以由整流二級管構(gòu)成的整流橋堆來執(zhí)行，常見的整流二級管有1N4007、1N5148等，橋堆有RS210等。濾波電路作用是將脈動直流U2濾除紋波，變成紋波小的U3，常見的電路有RC濾波、KL濾波、TI型濾波等，常用的選RC濾波電路。其中他們的關(guān)系為： （3.1）其中，n為變壓器的變比。 （3.2）每只二極管或橋堆所承受的最大反向電壓： （3.3）對于橋式整流電路，每只二極管的平均電流： （3.4）RC濾波電路中，C的選擇應(yīng)適應(yīng)下式，即RC放電時間常數(shù)應(yīng)滿足： （3.5）式中T為輸入交流信號周期；R為整流濾波電路的等效負載電阻。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，常見的穩(wěn)壓電路有三端穩(wěn)壓器，串聯(lián)式穩(wěn)壓電路等。3.2.2 三端固定式穩(wěn)壓器國內(nèi)外各廠家生產(chǎn)的三端（電壓輸入端，電壓輸出端，公共接地端）固定式正壓穩(wěn)壓器均命名為78系列，三端固定式負壓穩(wěn)壓器均命名為79系列。該系列穩(wěn)壓器有過流、過熱和調(diào)整管安全工作區(qū)保護，以防過載而損壞。其中78后面的數(shù)字代表穩(wěn)壓器輸出的正電壓數(shù)值（一般有05、06、08、09、10、12、15、18、20、24V共9種輸出電壓），各廠家在78系列前面冠以不同的英文字母代號。78系列穩(wěn)壓器最大輸出電流分100mA、500mA、1.5A三種，以插入78和電壓數(shù)字之間的字母來表示。插入L表示100mA、M表示500mA，如不插入字母則表示1.5A。三端固定式穩(wěn)壓器的基本電路如圖3.6所示：圖3.6 78系列三端穩(wěn)壓基本應(yīng)用電路如圖3.6所示，只要把正輸入電壓Ui加到7805的輸入端，7805的公共端接地，則輸出端便能輸出芯片標稱正電壓Uo。實際應(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(0.1uF10uF)到地。3.2.3 系統(tǒng)供電設(shè)計在本設(shè)計中，按照系統(tǒng)要求，需要使用+12V和+5V兩種電源。下位機中的工作電壓是通過市電經(jīng)過變壓器后轉(zhuǎn)為頻率為50HZ的15V的交流電，經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓后輸出分別為12V和5V的直流電壓，如圖3.7，圖3.8，圖3.9所示：圖3.7 交流整流電路圖3.8 直流12V電路圖3.9 直流5V電路在圖3.7中，輸入為220V的交流電，輸出為經(jīng)過整流之后的脈動直流。其中F1為保險管，T1為220V-15V的工頻變壓器實現(xiàn)降壓，D1為用整流二極管構(gòu)成的全橋，將交流電整流成脈動直流電。圖3.8中，C1為濾波電容，脈動直流有很大的諧波，因此使用電容濾除這些諧波。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)致了大電容的分布電感比較大。電感對高頻信號的阻抗是很大的，所以，大電容的高頻性能都不好。而一些小容量電容則剛剛相反，由于容量小，因此體積可以做得很小，而且常使用平板電容的結(jié)構(gòu)，這樣小容量電容的分布電感就很小，它就具有了很好的高頻特性，但由于容量小的緣故，對低頻信號的阻抗大。所以，為了能夠更好的濾除雜波，通常采用一個大電容再并上一個小電容的方式。圖3.9為將12V的直流電轉(zhuǎn)換成5V的直流電。3.3 電壓及電流數(shù)據(jù)采集A/D是檢測和測量環(huán)節(jié)的重要技術(shù)手段，為了讓負載準確工作在不同方式下，設(shè)計中對被測電源的輸出電壓輸出電流進行實時采樣。A/D轉(zhuǎn)換器選用ATmega88自帶的具有10位高精度的逐次逼近型A/D。A/D與一個8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對來自端口A的8路單端輸入電壓進行采樣，單端電壓輸入以0V為基準，A/D由單片機的AVCC引腳單獨提供電源。當在A/D參考電壓引腳加上5V的參考電壓時，A/D轉(zhuǎn)換器的采樣精度可達。使用ATmega88自帶的A/D轉(zhuǎn)換器能夠滿足設(shè)計要求，簡化了電路設(shè)計。采樣電路包括電壓采樣電路和電流采樣電路。從功率電路采集實際工作電壓和電流，反饋到單片機，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。電壓采樣電路中，由于電子負載的輸入電壓范圍比較寬，電壓較高，采樣前首先要進行分壓設(shè)計。圖3.10為電壓采樣電路原理圖。圖3.10 電壓采樣電路原理圖在圖3.10中，Vin為待檢測的電壓，Vout為對Vin分壓后得到的輸出值。Vout和Vin關(guān)系為： （3.6）電流采樣電路中，首先借助采樣電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。圖3.11所示為電流采樣電路原理圖：圖3.11 電流采樣電路原理圖如圖3.11所示，電流I在R0上會產(chǎn)生壓降，假定運算放大器開環(huán)增益為K，則可以得到電流I和輸出Vi的關(guān)系： （3.7）運算放大器的開環(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。由公式（3.7）可知，只要能夠測得Vi，就可以計算出電流I。本設(shè)計中，要求能夠?qū)?路輸入的電壓電流信號進行檢測，如果選用ATmega88的8通道模擬多路復(fù)用器來采集這輸入的4路電壓電流信號的話，將占用單片機的8個I/O口，這對于本就很緊張的I/O口資源來說是一種浪費。為節(jié)省單片機的I/O口資源，選擇外接的8通道模擬多路復(fù)用器。本系統(tǒng)使用8通道模擬多路復(fù)用器CD4051。其芯片引腳配置如圖3.12所示：CHANNELS IN/OUTCHANNELS IN/OUTCHANNELS IN/OUT圖3.12 CD4051引腳配置CD4051是單8 通道數(shù)字控制模擬開關(guān)，有3個二進制控制輸入端A、B、C 和INH 輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.520V 的數(shù)字信號可控制峰峰值至20V 的模擬信號。這些開關(guān)電路在整個VDDVSS 和VDDVEE 電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號的邏輯狀態(tài)無關(guān)。當INH 輸入端為高電平時，所有的通道截止。3位二進制信號選通8 通道中的某一個通道，可連接該輸入端至輸出。CD4051真值表如表3.1所示：表3.1 CD4051真值表輸入值選擇通道INHCBA00000000110010200113010040101501106011171XXX關(guān)閉所有通道完整的電壓及電流采集電路如圖3.13所示：圖3.13 電壓及電流數(shù)據(jù)采集電路圖3.13中，VT1VT4為各通道的電壓，IT1IT4為各通道的電流，A、B、C用于控制CD4051選擇某一通道。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。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。3.4 I/O擴展單片機的I/O口始終是有限的，若所需要的I/O口較多時，單片機的I/O就不能夠滿足所需要求。為了解決這些問題，可以對單片機的I/O口進行擴展。本設(shè)計選擇PCA9535對單片機I/O口進行擴展。PCA9535引腳配置如圖3.14所示：圖3.14 PCA9535引腳配置PCA9535是Philips公司生產(chǎn)的基于I2C接口的I/O口擴展芯片，能夠擴展2路8位I/O端口I/O0和I/O1，通過I2C接口受控于單片機。提供3個地址輸入引腳A0、A1和A2，允許同一總線上連接8片PCA9535。PCA9535主要特性如下：l 工作電壓范圍為2.3V5.5V；l 提供極性翻轉(zhuǎn)寄存器。它允許操作者對PCI9535輸入寄存器中的數(shù)據(jù)進行翻轉(zhuǎn)；l 低電平有效中斷輸出。當PCA9535的I/O配置為輸入時，I/O引腳電平的變化將會觸發(fā)PC