電子負載

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 電子負載概述1</p><p>

2、　　1.2 電子負載研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3 電子負載的工作方式3</p><p>　　1.3.1 恒定電流工作方式3</p><p>　　1.3.2 恒定電壓工作方式3</p><p>　　1.3.3 恒定電阻工作方式4</p><p>　　1.4 主要研究內容4</p>&l

3、t;p>　　2 大功率電子負載主電路設計5</p><p>　　2.1 電子負載模擬原理5</p><p>　　2.2 系統(tǒng)方案設計6</p><p>　　2.3 主電路設計8</p><p>　　3 電子負載硬件設計10</p><p>　　3.1 單片機選型10</p><p&

4、gt;　　3.2 電源模塊12</p><p>　　3.3 A/D轉換模塊12</p><p>　　3.4 顯示模塊14</p><p>　　3.5 采樣模塊15</p><p>　　3.5.1 電壓采樣15</p><p>　　3.5.2 電流采樣15</p><p>　　3.5.

5、3 集成運放設計16</p><p>　　3.6 IGBT功率驅動模塊18</p><p>　　4 系統(tǒng)軟件設計20</p><p>　　4.1 匯編語言設計與Keil開發(fā)軟件20</p><p>　　4.2 ADC0809模數(shù)轉換子程序設計21</p><p>　　4.3 顯示子程序設計22</p&

6、gt;<p>　　4.4 電子負載程序設計流程圖22</p><p><b>　　總結與展望25</b></p><p><b>　　參考文獻26</b></p><p>　　附錄1：控制電路圖27</p><p>　　附錄2：電子負載設計程序28</p>&l

7、t;p><b>　　致 謝36</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　進入21世紀，隨著電力電子技術、計算機技術和自動控制技術的迅速發(fā)展，給電源檢測技術帶來了革命性的變化。為了滿足人們對電源檢測越來越高的要求，新的電子負載已經(jīng)漸漸取代傳統(tǒng)的電源檢測技術應用于各個領域之中。本論文主要研究的內容是電子負載

8、的設計與研究。</p><p>　　本論文首先對電子負載的工作原理及控制方式進行了具體的闡述，并分析了電子負載系統(tǒng)的幾種不同的設計方案。最終選擇以以AT89S51單片機為控制核心，設計恒流方式的電子負載，即無論電壓如何變化，流過該電子負載的電流恒定，且電流值可設定。設計系統(tǒng)硬件部分主要包括控制電路、功率驅動電路、采樣電路、A/D轉換電路、顯示電路等模塊，能夠檢測被測電源的電流值、電壓值，各個參數(shù)都能直觀的在數(shù)碼管

9、上顯示。</p><p>　　關鍵詞：電子負載；單片機；采樣；功率驅動</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In the 21st century, with the power electronics technology, computer technology and automatic contro

10、l technology, the rapid development of detection technology to power has brought a revolutionary change. To meet the increasing awareness of the power testing requirements of the new electronic load has been gradually re

11、placing the traditional power detection technology used in various realms. The content of this thesis is the design of electronic load and research.</p><p>　　This paper first principle of the electronic load

12、 and control the way the concrete elaboration and analysis of several different electronic load system design. The final choice to the AT89S51 microcontroller as the control center, the design of electronic constant curr

13、ent mode load, that is, no matter how the change in voltage, flow through the electronic load current constant, and the current value can be set. Hardware design system includes the control circuits, power driver circuit

14、, sampling </p><p>　　Key Words: Electronic load; SCM; Sampling; Power drive</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 電子負載概述</p><p>　　在電子技術應用領域,經(jīng)常要對開關電源、線性電源、UPS 電源

15、、變壓器、整流器、電池、充電器等電子設備進行測試，如何對其輸出特性進行可靠、全面且比較簡單、快捷的測試，一直是儀表測試行業(yè)研究的問題。傳統(tǒng)的測試方法中一般都采用電阻、滑線變阻器、電阻箱等充當測試負載[1]，但這些負載不能滿足我們對負載多方面的要求，如：恒定電流的負載；帶輸出接口的負載；隨意調節(jié)的負載、恒功率的負載、動態(tài)負載；多輸出端口的負載等?，F(xiàn)在有一種新型多功能的電子負載，可據(jù)實際應用中對負載特性的要求進行設置，滿足了我們對負載的各種

16、要求，解決了開發(fā)研制測試中的困難。</p><p>　　在研究電子負載之前，電源測試實驗往往采用電阻性負載，其主要有以下缺點[2]：</p><p>　　（1）負載大小有級調節(jié)，很難精確控制，負載大小隨溫度而變化；</p><p>　?。?）被測試電源釋放的電能全部消耗在電阻上，發(fā)熱嚴重，需要添加使用專門的散熱設備，能量浪費嚴重，成本較高；</p>&

17、lt;p>　　（3）功率比較小，長時間在大電流下工作容易燒損或發(fā)生老化；</p><p>　?。?）體積龐大，占用空間較大。</p><p>　　相對于傳統(tǒng)的電阻性負載，電子負載具有以下幾個方面的優(yōu)點[3]：</p><p>　?。?）負載大小可以連續(xù)調節(jié)，可以按照操控者的設定值精確的運行。</p><p>　?。?）節(jié)約能源，有利于環(huán)

18、保。被測設備的輸出能量可以回饋到電網(wǎng)，達到循環(huán)利用的目的，其損耗僅僅是電能反饋型電子負載的開關等元件的發(fā)熱損耗和線路損耗。由于發(fā)熱損耗極少，避免了試驗場所環(huán)境溫度升高等一系列的問題。</p><p>　?。?）體積小、重量輕。由于被測設備的能量循環(huán)利用，產(chǎn)生的熱量少，無需配備專門的冷卻設備，因此大大降低了設備的占用空間。</p><p>　?。?）自動化程度高，可實現(xiàn)無級調節(jié)。電子負載可以

19、工作在恒電流、恒阻抗、恒功率等模式下，根據(jù)需要對其進行控制，在容量范圍內模擬各種阻抗值的負載，對于輸入負荷進行連續(xù)調節(jié)，提高了可操作性與系統(tǒng)工作效率。</p><p>　　(5)不需要對負載進行定期維護。對比與傳統(tǒng)負載產(chǎn)生大量熱量損耗，低損耗的電子負載不需要經(jīng)常對其維護，使用壽命較高，設備維護工作簡單，降低使用成本。</p><p>　　1.2 電子負載研究現(xiàn)狀</p>&l

20、t;p>　　電子負載是通過控制場效應晶體管或晶體管的導通量(占空比大小)，靠功率管的耗散功率消耗電能的設備。目前國內外的電子負載主要由可控的電子器件組成。</p><p>　　根據(jù)電源類型不同，電子負載可分為兩類[4]：</p><p><b>　?。?）直流電子負載</b></p><p>　　直流電子負載主要應用于直流電源試驗的電子負

21、載，如通訊電源，蓄電池等。直流電子負載一般采用 DC/AC 逆變方式，將直流電源的電能反饋到交流電網(wǎng)中。目前，直流電子負載的研究已比較成熟，也有一些成熟的產(chǎn)品，并且開始在電源的試驗中獲得應用。</p><p><b>　?。?）交流電子負載</b></p><p>　　交流電子負載主要應用于交流電源實驗，一般采用 AC/DC/AC 兩級變換電路構成電子負載主電路。目前

22、相關的文獻都是對UPS老化試驗節(jié)能的研究，其主要目標是在試驗能量的回饋上，交流電子負載的理論尚未完全成熟和完善，還有很多需要研究之處。</p><p>　　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:</p><p>　　(l)采用晶體管的電子負載。</p><p>　　大功率晶體管GTR也是半導體三極管，是內部含有兩個PN結，外部通常有三個引出電極的半

23、導體器件。它對電信號有放大和開關等作用，應用十分廣泛。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}。</p><p>　　(2)采用場效應管的電子負載。</p><p>　　場效應晶體管

24、(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。</p><p>　　(3)采用絕緣柵雙極晶體管的電子負載。</p&g

25、t;<p>　　絕緣柵雙極晶體管，簡稱IGBT，是MOSFET和晶體管技術結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。</p><p>　　從輸出能量是否能夠反饋的角度來分，電子負載又可以分為電能反饋型電子負載和電能消耗型電子負載兩種[5]。電

26、能反饋型電子負載系統(tǒng)被測電源從交流電網(wǎng)獲得能量，然后輸出直流低壓，通過電子負載，輸出之后反饋并入工業(yè)電網(wǎng)中。經(jīng)過電子負載之后的能量并沒有浪費掉，而是反饋回交流電網(wǎng)中，實際損耗的電能僅僅是在被測電源和電子負載模塊上面的損耗。</p><p>　　電能反饋型電子負載與一般的電能消耗型電子負載的不同在于：一方面，電能反饋型電子負載能夠將被測電源的輸出能量大部分反饋回電網(wǎng)，可以節(jié)約大部分的能源，試驗場所也不需要配備較大的

27、電源容量。而且由于絕大部分能量被反饋回電網(wǎng)，大部分能源不會被耗費繼而產(chǎn)生大量熱量，因此不需要配備體積龐大的電阻箱和冷卻設備。另一方面，由于電能反饋型電子負載采用的是 PWM 可逆的整流器，而 PWM 可逆的整流器在開關狀態(tài)下工作，與工作在放大狀態(tài)的電能消耗型電子負載相比，電能反饋型電子負載可以應用在大功率的工作場合中，因為應用領域更廣泛。</p><p>　　隨著電力電子技術的不斷發(fā)展和進步，電子負載從直流發(fā)展到

28、交流，從小功率發(fā)展到大功率，從晶體管式發(fā)展到絕緣柵雙極晶體管，從電能消耗型發(fā)展到電能反饋型。由于國民經(jīng)濟的迅猛發(fā)展以及工業(yè)進程的不斷加快，能源匱乏的問題亟待解決，為了節(jié)約有限的能源，減少龐大的開支，實現(xiàn)試驗自動化的要求，電能反饋型電子負載成為未來科學研究的主要方向。</p><p>　　1.3 電子負載的工作方式</p><p>　　直流電子負載可以具備恒定電流、恒定電阻、恒定電壓、動態(tài)負

29、載及短路負載等工作方式[6]。</p><p>　　1.3.1 恒定電流工作方式</p><p>　　圖1-1是電子負載與被測電源的連接圖和外特性圖。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, 電子負載將根據(jù)設定值來吸收電流。</p><p>　　若被測電壓在5～10V變化，設定電流為100mA，則當調節(jié)被測電壓值時，負載上的電流值應維持在100

30、mA不變, 而此時負載值是可變的。定電流模式能用于測試電壓源及AD/ DC電源的負載調整率。負載調整率是電源在負載變動情況下能夠提供穩(wěn)定的輸出電壓的能力, 是電源輸出電壓偏差率的百分比。</p><p>　　圖1-1 電子負載恒定電流工作方式</p><p>　　1.3.2 恒定電壓工作方式</p><p>　　圖1-2為電子負載與被測電源連接圖和外特性圖。在此方式

31、下電子負載將吸收足夠的電流來控制電壓達到設計值。定電壓模式能被使用于測試電源的限流特性。另外, 負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。</p><p>　　圖1-2 電子負載恒定電壓工作方式</p><p>　　1.3.3 恒定電阻工作方式</p><p>　　此種狀態(tài)下，負載如純電阻，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

32、啟動與限流特性。圖1-3為恒阻方式連接圖和外特性圖, 在定電阻模式中, 電子負載將吸收與輸入電壓成線性的負載電流。</p><p>　　圖1-3 電子負載恒定電阻工作方式</p><p>　　1.4 主要研究內容</p><p>　　本論文的主要內容是一個5KW的電子負載的設計與研究，建立電子負載的控制模型并設計電路滿足設計要求。</p><p&

33、gt;　　論文全文分為五個章節(jié)。第一章主要介紹了電子負載的概念以及電子負載的研究現(xiàn)狀，并描述了電子負載的三種不同的工作方式，同時給出了論文的主要內容與章節(jié)安排。第二章主要介紹了大功率電子負載技術的模擬原理，分析了幾種不同的電子負載系統(tǒng)控制策略，根據(jù)幾種不同的策略來分析并確定系統(tǒng)的控制方法，設計出系統(tǒng)主電路。第三章就是電子負載的控制系統(tǒng)設計，控制系統(tǒng)設計包括單片機的選擇應用，電源模塊，A/D轉換模塊，顯示模塊，采樣模塊以及功率驅動模塊等的

34、設計。第四章就是系統(tǒng)的軟件方面的設計，軟件方面的設計通過分析題意后寫出程序設計流程圖，然后通過匯編語言寫出各模塊的程序。最后一章是對本文主要內容的總結并展望電子負載技術的發(fā)展前景。</p><p>　　2 大功率電子負載主電路設計</p><p>　　2.1 電子負載模擬原理</p><p>　　電子負載的基本功能同普通電阻負載和其他能耗式負載是一樣的，模擬的都是普

35、通電阻負載的輸出特性。負載可以等效為電感和電阻的串聯(lián)，與之同理，電子負載可以模擬實際電阻負載和阻感負載，模擬電阻負載與阻感負載的等值電路分別如圖 2-1 和圖 2-2 所示[7]。</p><p>　　圖2-1 模擬阻感負載的等效電路</p><p>　　圖2-2 模擬電阻負載的等效電路</p><p>　　圖中，為被測電源的輸出電壓，數(shù)學模型表示為：</p&

36、gt;<p><b>　　(2-1)</b></p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　分別解上面兩個方程式可得：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　　(2-4)</b><

37、;/p><p>　　模擬阻感負載，對于任意被試電源電壓Ud，可以根據(jù)式(2-3)求得該電源在設定負載參數(shù) R、L 下的輸出電流值i 。換言之，通過采用合理的控制方法對電子負載進行實時控制，使得電子負載直流側的輸入電流值與式(2-3)中計算得到的電流 i 值始終能夠保持一致，系統(tǒng)便可以實現(xiàn)對負載參數(shù) R、L 的有效模擬。電網(wǎng)電壓和被試電源的輸出電壓 Ud在一定范圍內保持恒定，被試電源的輸出電流值與系統(tǒng)模擬的功率大小值成

38、正比關系，同時也正比于電子負載交流側的電流值。按照式(2-3)的計算值對電流設定值進行控制，使得直流電源輸出電流值保持適當大小，便可以成功模擬 RL 性質的電子負載。同理，純電阻負載模擬過程中，根據(jù)式(2-4)計算出 i 值，以此設定電流值即可。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)方案設計</p><p>　　要使新型電子負載能夠很好的模擬各種負載特性以及實現(xiàn)將能量最大限度的回饋向電網(wǎng)，作為

39、整個電子負載系統(tǒng)的核心，電子負載的監(jiān)控系統(tǒng)的設計顯得尤為重要。如何監(jiān)測整個電子負載系統(tǒng)各個功能模塊的運行性能，如何及時有效的發(fā)出故障報警，如何快速傳送和處理整個負載模塊的數(shù)據(jù)以及信息，直接影響整個電子負載系統(tǒng)的性能。目前針對大功率電子負載的系統(tǒng)的設計有以下幾種方案[8]：</p><p>　　方案一：此方案的整個系統(tǒng)電路包括模擬信號采樣和調理電路、信號處理電路、驅動信號產(chǎn)生電路、故障保護電路、通訊接口電路等。這些

40、電路將采集到的主電路信號通過運算處理，得到功率管驅動信號，以此控制主電路，最終完成電子負載功能的目的。如圖 2-4 所示。</p><p>　　圖2-4 方案一電路</p><p>　　整個系統(tǒng)采用數(shù)字處理芯片來完成系統(tǒng)中各變量的采集處理及故障保護等任務。模擬信號采樣與信號調理電路采集主電路中的直流側電壓、交流側電壓、交流側電流等信號，并將其轉換到 0～3.3V 之間。當電路正常工作時，數(shù)

41、字芯片將調理后的電壓、電流信號進行運算處理，處理得到的結果送入驅動信號產(chǎn)生電路，最終產(chǎn)生驅動信號；如果電壓、電流信號超出特定范圍，經(jīng)故障保護電路判斷之后，將故障信號分別送入驅動信號產(chǎn)生電路及數(shù)字芯片單元，數(shù)字芯片收到故障信號之后觸發(fā)相應動作，驅動信號產(chǎn)生電路將全部驅動信號進行屏蔽，起到保護電路的作用。</p><p>　　方案二：此方案采用 ATmega16 單片機作為核心處理器，可以實現(xiàn)電子負載的智能控制。通過

42、鍵盤，按鍵可以選擇工作方式，設定工作電流、電阻、功率值，并在LED上顯示設定值與實際值。鍵盤、LED顯示、串口通訊實現(xiàn)了人機交互。電子負載主電路采用 MOS 管電路。單片機控制產(chǎn)生一定占空比的 PWM 信號，用PWM波形的占空比來調節(jié)MOS電路的工作時間，進而實現(xiàn)調節(jié)負載工作時的電流，通過控制功率電路 MOS 管的關斷和導通時間，來獲得相應的的工作電壓和工作電流，使負載工作于恒流、恒阻、恒功率等不同的工作方式。為了讓負載在不同方式下準確

43、工作，設計中對被測電源電壓和流過MOS管的電流進行實時采樣，采樣采用ATMEGA16自帶的A/D轉換器進行數(shù)字采集，采樣精度高。檢測電路為電流、電壓負反饋回路，單片機將 A/D 采集的信號與預置值進行比較，以此進一步調節(jié) PWM 占空比。如圖 2-5 所示。</p><p>　　圖2-5 方案二電路</p><p>　　方案三：此方案的控制系統(tǒng)結構如圖 2-6 所示。系統(tǒng)主回路以全控型晶體

44、管IGBT為開關器件，控制回路以單片機C8051F02為核心，它具有較快的運算能力和較為豐富的輸入輸出設備以及接口電路。JTAG 接口對C8051F02 單片機進行調試，這是一種全速、非侵入式、在系統(tǒng)調試。故障檢測模塊主要用于監(jiān)測電網(wǎng)電壓過欠壓情況，絕緣柵雙極晶體管模塊是否超過額定溫度，絕緣柵雙極晶體管模塊是否超過額定電流。單片機判斷主電路工作是否正常。鍵盤輸入模塊用于設定被試電源的輸出電流。液晶顯示模塊用于顯示系統(tǒng)的運行狀況、實際輸出

45、的電流值以及用戶設定值。如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6 方案三電路</p><p>　　通過以上三種方案的比較，可以看出系統(tǒng)控制電路的主要方案基本上是以單片機為主控核心，通過檢測電路檢測被測電源的電路與電壓，再進行A/D轉換給單片機，單片機通過PWM信號發(fā)生器將信號傳送給功率驅動電路以獲得相應的工作電壓與工作電流。同時通過鍵盤輸入電路中設定的各值并通過LED顯示器顯示出來，

46、單片機連接鍵盤與顯示電路等以實現(xiàn)控制系統(tǒng)的人機互動。</p><p><b>　　2.3 主電路設計</b></p><p>　　電子負載的選擇為電阻性的負載，通過電阻消耗被測電源輸入的功率。如下圖2-7所示，將若干個電阻并聯(lián)起來，電路的一端接被測電源，另一端接采樣電路。</p><p><b>　　圖2-7 主電路圖</b&g

47、t;</p><p>　　通過開關元件控制電阻的工作情況，當開關接通時，相應的電阻處于工作狀態(tài)，消耗被測電源的輸入功率。同時，開關的通斷情況改變電路總電阻值，從而改變采樣的電流值。</p><p>　　功率驅動設計也是采樣并聯(lián)的方式，將若干個IGBT并聯(lián)起來。IGBT作為開關電路，集電極接正電壓，發(fā)射極接地，柵極與IGBT驅動功率模塊相連。</p><p>　　圖2

48、-8 IGBT控制電路</p><p>　　3 電子負載硬件設計</p><p>　　電子負載總體設計模塊方框圖如下圖3-1所示。硬件電路主要由檢測模塊、A/D轉換模塊、LED顯示模塊、功率控制模塊構成。</p><p>　　圖3-1 電子負載設計模塊方框圖</p><p><b>　　3.1 單片機選型</b><

49、/p><p>　　本系統(tǒng)需要實時測量數(shù)據(jù)輸入，并進行瞬間處理。又考慮到實際生產(chǎn)中的裝置體積、造價及快速、穩(wěn)定性，因此選用ATMEL公司的AT89C系列的AT89S51，AT89S系列單片機硬件設計簡單，指令系統(tǒng)設計精練。</p><p>　　ATMEL89系列單片機是美國ATMEL公司的8位快速可編程/擦除只讀存儲器（FPEROM）單片機系列。它是以8031核構成，與MCS-51指令系統(tǒng)和引腳

50、完全兼容的、采用ATMEL公司的高精度、非易失性存儲技術制造，芯片上的FPEROM允許在線或采用通用的非易失存儲器編程器對程序存儲器重復編程[10]。</p><p>　　89系列單片機是低功耗CMOS工藝、內部含F(xiàn)lash存儲器的特殊單片機，正是因為這特殊性，89系列單片機在產(chǎn)品開發(fā)及生產(chǎn)便攜式商品、手提式儀器等方面有著十分廣泛的應用，也是目前取代傳統(tǒng)的MCS-51系列單片機的主流單片機之一。本系統(tǒng)選用標準型單

51、片機AT89S51，其結構特點如下:</p><p>　?。?）8 位 CPU；</p><p>　　（2）片內有4KB可在線重復編程快閃擦寫存儲器（Flash memory）；</p><p>　?。?）存儲器可循環(huán)擦寫1000次；</p><p>　?。?）寬工作電壓范圍：Vcc可由4—6V；</p><p>　　

52、（5）程序存儲器具有3級鎖存保護；</p><p>　?。?）128×8位內部RAM；</p><p>　?。?）片內振蕩器及時鐘電路；</p><p>　?。?）32條可編程I/O線；</p><p>　?。?）2個16位定時器/計數(shù)器；</p><p>　　（10）中斷結構具有5個中斷源和2個中斷優(yōu)先級；

53、</p><p>　　（11）可編程全雙工串行接口；</p><p>　?。?2）看門狗（WDT）電路，片內時鐘振蕩器；</p><p>　?。?3）空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保護存儲內容。</p><p>　　AT89S51單片機的封裝形式可有很多種類型，如PDIP、PQFP/TQFP、PLCC形式，多數(shù)都是采用PDIP－40形式，如圖3

54、-2所示。</p><p>　　圖3-2 AT89S51引腳圖</p><p><b>　　引腳功能說明：</b></p><p><b>　　Vcc:電源電壓</b></p><p><b>　　GND:接地端</b></p><p>　　P0口: P

55、0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口,也即地址/數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動8個TTL邏輯門電路，對端口P0寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。在Flash編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。</p><p>　　P1口：P1是一個

56、帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。Flash編程和程序校驗期間，P1接收低8位地址。</p><p>　　P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流

57、，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。</p><p>

58、;　　P3口：P3口是一組帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能。</p><p>　　XTAL1：振蕩器反相放大器及內部時鐘發(fā)生器的輸入端。</p><p&

59、gt;　　XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。</p><p><b>　　3.2 電源模塊</b></p><p>　　電源模塊采用三端穩(wěn)壓集成電路HCPL7805。HCPL－7805系列為三端正穩(wěn)壓電路,有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象普通的三極管，TO-220的標準封裝，能提供多種固定的輸出電壓，應用范圍廣。內含過流、過熱和過載保護電路

60、。帶散熱片時，輸出電流可達 1A。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。電源模塊原理圖如下圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 電源原理圖</p><p>　　3.3 A/D轉換模塊</p><p>　　A/D轉換器的作用是將模擬量轉換成數(shù)字量，以便于計算機進行處理。A/D轉換器選擇為ADC0809轉換器。ADC0809是CMOS逐次

61、逼近型A/D轉換器，具有8路模擬量輸入通道，有轉換啟?？刂?，模擬輸入電壓范疇為0V-5V。其內部除8位A/D轉換電路外，還有一個8路模擬選擇開關、地址鎖存和譯碼器、比較器、8位開關樹型D/A轉換器器、定時和控制電路及三態(tài)輸出鎖存器等組成，可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。</p><p>　　ADC0809芯片為28引腳，雙列直插式封裝，其引腳排列圖如圖示。</p><p>　　圖3-4 ADC

62、0809引腳圖</p><p>　　ADC0809各引腳功能如下：</p><p>　　IN0～IN7：八路模擬量輸入端。</p><p>　　D0～D7：為8位數(shù)字量輸出端。</p><p>　　START：為啟動信號輸人端，高電平有效。在該信號的上升沿清除ADC內的寄存器，在下降沿啟動轉換。</p><p>　　A

63、LE：為地址鎖存控制信號，由低電平至高電平的正跳變將通道地址鎖存至地址鎖存器。通常把START和ALE連接在一起，通過程序輸入一個正脈沖啟動A/D轉換。</p><p>　　EOC：為轉換結束信號，轉換結束為高電平，可作中斷請求信號。</p><p>　　OE：為輸出允許控制，當OE有效時，可把內部轉換的數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)總線。</p><p>　　ADC0809的8路模

64、擬通道選擇開關實現(xiàn)從8路輸入模擬量中選擇一路送給后面的比較器進行比較；地址鎖存與譯碼器用于當ALE信號有效時鎖存從ADDA、ADDB、ADDC 3根地址線上送來的3位地址，譯碼后產(chǎn)生通道選擇信號，從8路模擬通道中選擇當前的模擬通道；比較器、8位開關樹型D/A轉換器、逐次逼近型寄存器、定時和控制電路組成8為A/D轉換器，當START信號有效時，就開始對輸入的當前通道的模擬量進行轉換，轉換完后，把轉換得到的數(shù)字量送到8位三態(tài)鎖存器，同時通過

65、EOC引腳送出轉換結束信號。三態(tài)輸出鎖存器保存當前模擬通道轉換得到的數(shù)字量，當OE信號有效時，把轉換的結果通過D0-D7送出。</p><p>　　單片機AT89S51與A/D轉換器ADC0809連接圖如下圖3-5所示。AT89S51通過地址線P2.7和讀、寫信號線來控制ADC0809的鎖存信號ALE、啟動信號START和輸出允許信號OE，鎖存信號ALE和啟動信號START連接在一起，鎖存的同時啟動。當P2.7和

66、寫信號同為低電平時，鎖存信號ALE和啟動信號START有效，通道地址送地址鎖存器鎖存，同時啟動ADC0809開始轉換。通道地址由P0.0、P0.1和P0.2提供，由于ADC0809的地址鎖存器具有鎖存功能，所以P0.0、P0.1和P0.2可以不需要鎖存器直接連接ADDA、ADDB、ADDC。根據(jù)圖中的連接方法，當要讀取轉換結果時，只需要P2.7和讀信號同為低電平，輸出允許信號OE有效，轉換的數(shù)字量通過D0-D7輸出。轉換結束信號EOC與

67、AT89S51的外中斷INTO相連，由于邏輯關系相反，因而通過反相器連接，那么轉換結束則向89S51發(fā)送中斷請求，CPU相應中斷后，在中斷服務程序中通過讀操作來取得轉換的結果。</p><p>　　圖3-5 AT89S51與ADC0809連接圖</p><p><b>　　3.4 顯示模塊</b></p><p>　　為節(jié)省單片機端口，此設計使

68、用74LS138譯碼器及4塊碼七段譯碼器。這樣只需占用單片機的三個口，就可以動態(tài)顯示4位LED數(shù)碼管，減少了對單片機管腳的占用。顯示模塊連接圖如如3-6所示。</p><p>　　圖3-6 LED顯示電路圖</p><p><b>　　3.5 采樣模塊</b></p><p>　　3.5.1 電壓采樣</p><p>　

69、　電壓采樣模塊采用HCPL-7840芯片。HCPL－7840芯片是HP公司出品的雙直插8腳封裝的集成隔離放大器，它有優(yōu)越的性能，像CMRR、失調電壓、非線性度、工作溫度范圍和工作電壓等都有嚴格的指標。低失調電壓和低失調溫度系數(shù)允許自動校準技術的精確運用。5%的增益容忍度和0.1%的線性度，為精確的負反饋和控制進一步提供性能需求。較寬的溫度范圍允許HCPL－7840被運用于各種惡劣的工作環(huán)境。它能夠傳輸模擬信號的線性光耦，對主電路和控制電

70、路進行隔離，這樣可避免電源噪聲或電磁干擾的影響，避免電流功率電路對控制電路的損害。</p><p>　　如圖3-7所示，7840的腳1、腳8分別為兩組+5V電源的正端VDD1和VDD2；腳4和腳5為+5V電源地GND1和GND2；腳2為VIN+、腳3為VIN-、腳7和腳6分別為VOUT+和VOUT-。</p><p>　　圖3-7 HCPL-7840引腳圖</p><p

71、>　　圖3-8 電壓采樣原理圖</p><p>　　3.5.2 電流采樣</p><p>　　電流采樣中，借助采樣電阻首先將電流信號轉換為電壓信號，裝換為電壓信號后，再用HCPL－788J隔離，它是帶短路和過載檢測功能的隔離運放芯片，電流過載后能在5us從內部向單片機發(fā)送中斷信號，及時保護MOSFET。其輸入范圍為：-250mv～＋250mv；對應輸出為0～4Ｖ；電子負載電流輸入范圍

72、是0～5Ａ；選用0.04Ω采樣電阻。</p><p>　　HCPL-788J引腳圖如下圖3-9所示。電流采樣原理圖如下圖3-10所示。</p><p>　　圖3-9 HCPL-788J引腳圖</p><p>　　圖3-10 電流采樣原理圖</p><p>　　3.5.3 集成運放設計</p><p>　　在本設計中，電

73、流信號的檢測放大部分、單片機控制功率信號輸出部分，以及場效應管驅動信號部分，均應用集成運放芯片進行信號的放大及處理。以下對應用到的運放功能作進一步介紹[11]。集成運放的功能有基本反相放大電路應用、基本同相放大電路應用和基本差放放大電路。</p><p>　　圖3-11為運放基本反相放大電路。圖中R1為輸入隔離電阻，Rf為負反饋電阻，Rp為平衡電阻。Rp＝R1//Rf。Rw為調零電位器。電路的閉環(huán)放大倍數(shù)為Avf

74、＝－Rf／R1。代入電阻數(shù)值，電路的Avf值為100。負號表示輸出電壓與輸入電壓相位相反。電路的輸入電阻為R1，若要保證電路放大倍數(shù)足夠大，則Rf值勢必要相應的增大。這將使電路的精度下降、漂移增大。所以基本反相放大器只適用于輸入阻抗要求不高的場合。</p><p>　　基本反相放大電路的調整方法為先將輸入端接地，細心調整Rw調零電位器，使輸出電壓為零。為減少輸入基極電流造成的誤差，應使平衡電阻Rp等于R1和Rf的

75、并聯(lián)。在實際調整中，應根據(jù)實測結果對Rf值進行適當調整，以滿足所需增益的要求。</p><p>　　圖3-11 集成運放基本反相放大電路</p><p>　　集成運放基本同相放大電路如下圖3-12所示。同相放大電路閉環(huán)放大倍數(shù)計算公式為：Avf＝1＋R3/R2，由公式可見，選用系列電阻時，閉環(huán)放大倍數(shù)不容易為整數(shù)。</p><p>　　圖3-12 運放基本同相放大電

76、路</p><p>　　電路的調整方法和注意事項為將輸入端接地，調整調零電位器R4，使輸出電壓為零。同相放大器將引入等于輸入信號的共模電壓，這將對運放的輸入共模電壓范圍提出較高的要求。也就是說，同相放大器的輸入信號不得超過運放的輸入共模電壓范圍。在作為跟隨器使用時，跟隨精度與共模抑制比直接有關。</p><p>　　集成運放基本差動放大電路如圖3-13所示，實用中往往用差動放大器來放大來自

77、傳感器的微弱電信號。</p><p>　　圖3-13 運放差動放大電路</p><p>　　電路的調整方法和注意事項為將兩個輸入端均接地，調整調零電位器使輸出電壓為零。為抑制共模輸出應精心選配外接電阻，便R1＝R2，Rf＝Rp，公差一般不能超過1％。 輸入的共模信號不得超過所用運放的輸入共模電壓范圍。因為是直接耦合，故信號源內阻直接串入輸入端。使用中應盡量使信號源內阻對兩個輸入端都相等，否

78、則將降低電路抑制共模的能力。要求運放的輸入失調電流盡可能小。</p><p>　　短路保護、過電壓保護測試用來驗證電源在出現(xiàn)上述異常情況時, 能否正確地作出反應。過電壓保護功能對于一些對電壓敏感的負載特別重要, 如: CPU、存儲器、邏輯電路等。因為這些元件若工作電壓超過其額定值時, 會導致永久性的損壞。當電源的輸出短路時, 則電源應該限制其輸出電流或關閉其輸出,以避免損壞。短路保護測試是驗證當輸出短路時, 電源

79、能否正確反應。電子負載可采用短路測試鍵來模擬短路負載,可以直接測量其短路時的輸出電壓及電流。</p><p>　　3.6 IGBT功率驅動模塊</p><p>　　對于5KW的功率，功率驅動模塊采用絕緣柵雙極晶體管IGBT。IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，它融合了這兩種器件的優(yōu)點，既具有MOSFET器件驅動功率小和開關

80、速度快的優(yōu)點，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點[9]。若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅動正電壓，則MOSFET導通，這樣PNP晶體管的集電極和基極之間成低阻狀態(tài)而使晶體管導通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則MOS截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。IGBT與MOSFET一樣也是電壓控制型器件，在它的柵極-發(fā)射極間施加十幾伏的直流電壓，只有很少漏電流流過，基本不消耗功率。</p>&

81、lt;p>　　對于用來驅動IGBT的電路而言，應根據(jù)柵極對驅動信號的要求，因此一個理想的驅動電路應該具有較強的動態(tài)驅動能力，能向IGBT提供適當?shù)恼蚧蚍聪驏艍?，也應該有足夠的輸入輸出電隔離能力。根據(jù)要求，本文設計的的系統(tǒng)采用TLP250作為IGBT的驅動芯片，此芯片用來驅動IGBT模塊時，其優(yōu)點是價格低廉，使用簡單，一致性和穩(wěn)定性好。TLP250引腳圖見圖3-14。圖3-15是用該芯片設計的用來驅動開關管IGBT的電路，驅動電路

82、圍繞TLP250來設計，包括多電源形成電路，反向負偏置電路，過流和短路保護電路。該驅動電路適合中等容量、頻率始終的IGBT逆變系統(tǒng)。當PWM引腳為低電平，G1為高電平，對應的功率管導通；反之，PWM為低電平，U3將產(chǎn)生一個負壓經(jīng)D8加在功率管的柵極，從而加速功率管的關斷。而當輸出出現(xiàn)過壓時，通過穩(wěn)壓管的作用，電路將封閉LP250的工作，從而實現(xiàn)對IGBT的保護。</p><p>　　圖3-14 TLP250引腳圖

83、</p><p>　　圖3-15 IGBT驅動電路</p><p><b>　　4 系統(tǒng)軟件設計</b></p><p>　　4.1 匯編語言設計與Keil開發(fā)軟件</p><p>　　程序設計有時可能是很復雜的工作，為了把復雜的工作條理化，就要有相應的步驟和方法，其步驟一般概括為以下幾點[11]：</p>

84、<p>　　（1）分析題意確定算法。對復雜的問題進行具體分析，找出合理的計算方法及適當?shù)臄?shù)據(jù)結構。</p><p>　　（2）根據(jù)算法畫出程序框圖。畫程序框圖可以把算法和解題步驟逐步具體化，以減少出錯的可能性。</p><p>　　（3）編寫程序。根據(jù)程序框圖所表示的算法和步驟，選用適當指令排列起來，構成一個有機整體，即程序。</p><p>　　單片機

85、應用系統(tǒng)的軟件設計是研制過程中任務最繁重的一項工作，難度也比較大。對于某些較復雜的應用系統(tǒng)，不僅要使用匯編語言來編程，有時還要使用高級語言。單片機應用系統(tǒng)的軟件主要包括兩大部分：用于管理單片機微機系統(tǒng)工作的監(jiān)控程序和用于執(zhí)行實際具體任務的功能程序。對于前者，應盡可能利用現(xiàn)成微機系統(tǒng)的監(jiān)控程序。為了適應各種應用的需要，現(xiàn)代的單片機開發(fā)系統(tǒng)的監(jiān)控軟件功能相當強，并附有豐富的實用子程序，可供用戶直接調用，例如鍵盤管理程序、顯示程序等。因此，在

86、設計系統(tǒng)硬件邏輯和確定應用系統(tǒng)的操作方式時，就應充分考慮這一點。這樣可大大減少軟件設計的工作量，提高編程效率。后者要根據(jù)應用系統(tǒng)的功能要求來編程序。例如，外部數(shù)據(jù)采集、控制算法的實現(xiàn)、外設驅動、故障處理及報警程序等等。</p><p>　　單片機應用系統(tǒng)的軟件設計千差萬別，不存在統(tǒng)一模式。開發(fā)一個軟件的明智方法是盡可能采用模塊化結構。根據(jù)系統(tǒng)軟件的總體構思，按照先粗后細的方法，把整個系統(tǒng)軟件劃分成多個功能獨立、大

87、小適當?shù)哪K。應明確規(guī)定各模塊的功能。盡量使每個模塊功能單一，各模塊間的接口信息簡單、完備，接口關系統(tǒng)一，盡可能使各模塊間的聯(lián)系減少到最低限度。這樣，各個模塊可以分別獨立設計、編制和調試，最后再將各個程序模塊連接成一個完整的程序進行調試。</p><p>　　Keil集成開發(fā)環(huán)境是基于80C51內核的微型處理器軟件開發(fā)平臺，內嵌多種符合當前工業(yè)標準的開發(fā)工具?？梢酝瓿蓮墓こ探?、管理、編譯和鏈接，目標代碼的生成，

88、軟件仿真，硬件仿真等完整的開發(fā)流程。尤其C編譯工具在產(chǎn)生代碼的準確性和效率方面達到了較高的水平，而且可以附加靈活的控制選項，在開發(fā)大型項目時非常理想。</p><p>　　Keil軟件開發(fā)的流程：</p><p><b>　?。?）建立工程；</b></p><p>　?。?）為工程選擇目標器件；</p><p>　?。?/p>

89、3）設置工程的配置參數(shù)；</p><p>　?。?）打開/建立程序文件；</p><p>　?。?）編譯和鏈接工程；</p><p>　　（6）糾正程序中的書寫和語法錯誤并重新編譯連接；</p><p>　　（7）對程序中某些純軟件的部分使用軟件仿真驗證；</p><p>　?。?）使用TKS硬件仿真器對應用程序進行硬

90、件仿真；</p><p>　?。?）將生成的Hex文件燒寫到ROM中運行測試。</p><p>　　上面的流程只是一個標準的開發(fā)流程，實際中用戶可能反復重復一個或幾個步驟。</p><p>　　4.2 ADC0809模數(shù)轉換子程序設計</p><p>　　電子負載系統(tǒng)對外界電壓電流參數(shù)的測試過程中，我們可以把模數(shù)轉換程序以子程序的形式在程序段

91、中出現(xiàn)，而在主程序中當需要測量電壓電流參數(shù)時，直接調用ADC轉換子程序實現(xiàn)。程序形式如下：</p><p>　　ORG00H；主程序段開始</p><p><b>　　……</b></p><p><b>　　……</b></p><p>　　CALL

92、ADC_convert；調用ADC轉換子程序</p><p>　　ADC_convert: ；ADC轉換子程序</p><p><b>　　……</b></p><p><b>　　……</b></p><p>　　RET；子程序調用返回</

93、p><p><b>　　……</b></p><p>　　END ；主程序結束</p><p>　　結合本設計硬件的連接方式，模數(shù)轉換子程序為：</p><p>　　ADC_convert: CLR P3.1 ；選通IN0通道測電壓值</p><p>　　CLR

94、 P3.0</p><p>　　SETB P3.0 ；啟動ADC0809</p><p>　　CLR P3.0</p><p>　　CALL DELAY；延時1ms等待AD轉換結束</p><p>　　MOV A,P0；送轉換數(shù)據(jù)到累加器A</p><p>　　

95、MOV 30H,A；轉換數(shù)據(jù)暫放緩存區(qū)</p><p>　　SETB P3.1 ；選通IN1通道測電流值</p><p>　　CLR P3.0</p><p>　　SETB P3.0 ；啟動0809</p><p>　　CLR P3.0</p><p>

96、;　　CALL DELAY ；延時1ms等待AD轉換結束</p><p>　　MOV A,P1</p><p>　　MOV 31H,A；轉換數(shù)據(jù)暫放緩存區(qū)</p><p>　　RET；AD轉換結束，返回</p><p>　　4.3 顯示子程序設計</p><p>　　顯示

97、模塊設計使用了74LS138譯碼器及4塊碼七段譯碼器。這樣設計節(jié)省了單片機端口，此只需占用單片機的三個口，就可以動態(tài)顯示4位LED數(shù)碼管，減少了對單片機管腳的占用。顯示子程序如下所示。</p><p>　　MOV A,33H</p><p>　　ANL A,#00001111B</p><p>　　MOV P1,A；送第1位顯示

98、</p><p>　　CALL DELAY</p><p>　　MOV A,33H</p><p><b>　　SWAP A</b></p><p>　　ANL A,#00001111B</p><p>　　ORL A,#00010000B</p&

99、gt;<p>　　MOV P1,A ；送第2位顯示</p><p>　　CALL DELAY</p><p>　　MOV A,34H</p><p>　　ANL A,#00001111B </p><p>　　ORL A,#00100000B</p>

100、<p>　　MOV P1,A ；送第3位顯示</p><p>　　CALL DELAY</p><p>　　MOV A,34H</p><p><b>　　SWAP A</b></p><p>　　ANL A,#00001111B</p>

101、<p>　　ORL A,#00110000B</p><p>　　MOV P1,A；送第4位顯示</p><p>　　CALL DELAY</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　4.4 電子負載程序設計流程圖</p><p>　　

102、主程序流程圖如下圖4-1所示。通過調節(jié)AD轉換程序與顯示子程序以獲得實際的電流、電壓和功率值。通過與設定值的比較調節(jié)PWM占空比來調節(jié)顯示的實際值。</p><p>　　圖4-1 主程序流程圖</p><p>　　電子負載按鍵流程圖如下圖4-2所示，每按一次功能鍵，依次顯示電壓值、電流值、功率值。</p><p>　　圖4-2 按鍵程序流程圖</p>

103、<p><b>　　總結與展望</b></p><p>　　隨著電力電子技術的、計算機技術和自動控制技術的迅速發(fā)展，為電源檢測技術帶來了革命性的變化。相對于傳統(tǒng)負載，電子負載在各個方面都有很大的提升，并且可據(jù)實際應用中對負載特性的要求進行設置，以滿足了我們對負載的各種要求，解決了開發(fā)研制測試中的困難。電子負載是通過控制場效應晶體管或晶體管的導通量(占空比大小)，靠功率管的耗散功率消

104、耗電能的設備。</p><p>　　本文介紹了電子負載的概念和分類，以及電子負載的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢，并對電子負載的工作方式和模擬原理做了具體詳細的分析，最終完成了5KW直流電子負載的設計。首先是對大功率電子負載系統(tǒng)方案的比較選擇。電子負載的主系統(tǒng)方案主要有三種，三種方案主體整體上是一樣的，都是要設計A/D轉換電路，電源電路，電流電壓采樣電路，人機互動模式以及功率驅動電路等。不同的地方在于主控制器的選取不同，分別是

105、數(shù)字芯片、單片機ATMEGA16以及單片機C8051F02。最終的設計思路是應用平常學習中經(jīng)常用到的AT89S51單片機為控制核心，設計恒流方式的電子負載，即無論電壓如何變化，流過該電子負載的電流恒定，且電流值可設定。包括控制電路、功率驅動電路、主電路、采樣電路、顯示電路等，能夠檢測被測電源的電流值、電壓值以及功率值，各個參數(shù)都能直觀的在數(shù)碼管上顯示。</p><p>　　雖然設計的內容比較簡單，但是由于電子負載

106、廣泛的應用與廣泛的市場需求，因此對與電子負載進行更深一步的研究以及對新型電子負載的探索，其意義是不言而喻的。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] GUPT S,RANGASWAMY V.Load Bank Elimination for UPS testing[C].SEATTLE,IEEE IAS Conference Reco

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