基于AVR單片機(jī)電子負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文.doc

湖 南 科 技 大 學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（ 論 文 ）題目基于AVR單片機(jī)電子負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)作者學(xué)院專業(yè)學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師湖 南 科 技 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 機(jī)電工程學(xué) 院 測(cè)控技術(shù)與儀器 系（教研室）系（教研室）主任: （簽名） 年 月 日學(xué)生姓名: 學(xué)號(hào): 0703030122 專業(yè): 測(cè)控技術(shù)與儀器 1 設(shè)計(jì)（論文）題目及專題： 基于AVR單片機(jī)電子負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 學(xué)生設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間：自 2011 年 3 月 1 日開(kāi)始至 2011 年 6 月 8 日止3 設(shè)計(jì)（論文）所用資源和參考資料：4 設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：5 提交設(shè)計(jì)（論文）形式（設(shè)計(jì)說(shuō)明與圖紙或論文等）及要求：6 發(fā)題時(shí)間： 年 月 日指導(dǎo)教師： （簽名）學(xué) 生： （簽名）湖 南 科 技 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)人評(píng)語(yǔ)主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的工作態(tài)度，研究?jī)?nèi)容與方法，工作量，文獻(xiàn)應(yīng)用，創(chuàng)新性，實(shí)用性，科學(xué)性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)指導(dǎo)人： （簽名）年 月 日 指導(dǎo)人評(píng)定成績(jī)： 湖 南 科 技 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱人評(píng)語(yǔ)主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究?jī)?nèi)容與方法，實(shí)用性與科學(xué)性，結(jié)論和存在的不足等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)評(píng)閱人： （簽名）年 月 日 評(píng)閱人評(píng)定成績(jī)： 湖 南 科 技 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯記錄日期： 學(xué)生： 學(xué)號(hào)： 班級(jí)： 題目： 提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)下列材料：1 設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū)共頁(yè)2 設(shè)計(jì)（論文）圖 紙共頁(yè)3 指導(dǎo)人、評(píng)閱人評(píng)語(yǔ)共頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)評(píng)語(yǔ)：主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的研究思路，設(shè)計(jì)（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）的介紹，回答問(wèn)題情況等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)答辯委員會(huì)主任： （簽名）委員： （簽名）（簽名）（簽名）（簽名） 答辯成績(jī)： 總評(píng)成績(jī)： 摘 要電子負(fù)載與傳統(tǒng)的模擬電阻性負(fù)載相比具有節(jié)能、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，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(dāng)前研究的熱點(diǎn)。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（占空比大小），實(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)。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。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)。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。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?；贏VR單片機(jī)的電子負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸入電子負(fù)載的老化電壓、老化電流，實(shí)現(xiàn)單個(gè)上位機(jī)監(jiān)控大量下位機(jī)的功能，極大的減少了人員冗余，改善了工作人員的勞動(dòng)條件，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：電子負(fù)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(fù)載研究現(xiàn)狀21.4 本課題研究的內(nèi)容3第二章電子負(fù)載系統(tǒng)分析52.1 電子負(fù)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(jì)62.2.2 系統(tǒng)軟件和硬件聯(lián)機(jī)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(jì)93.1 核心處理器93.2 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)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(jì)153.3 電壓及電流數(shù)據(jù)采集163.4 I/O擴(kuò)展193.5 PWM控制電路213.6 通信電路設(shè)計(jì)22第四章下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)244.1 下位機(jī)軟件總體設(shè)計(jì)244.2 數(shù)據(jù)采集及計(jì)算254.3 PWM程序設(shè)計(jì)274.4 I2C程序設(shè)計(jì)284.5 通信程序設(shè)計(jì)354.5.1 單片機(jī)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(zhǔn)電壓404.2.5 通訊地址設(shè)定41第五章上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)445.1 Windows程序內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制445.2 串口通信455.3 數(shù)據(jù)錄入與顯示界面設(shè)計(jì)465.3.1 主頁(yè)面設(shè)計(jì)465.3.2 設(shè)置界面設(shè)計(jì)475.4 程序設(shè)計(jì)475.4 運(yùn)行結(jié)果及分析51第六章總結(jié)55參考文獻(xiàn)56致謝58附錄A 硬件電路圖59-ii-湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第一章 緒論1.1 研究背景自第一只晶閘管問(wèn)世以來(lái)，電力電子技術(shù)逐漸登上了現(xiàn)代電氣傳動(dòng)技術(shù)的舞臺(tái)，成為國(guó)際上競(jìng)爭(zhēng)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(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。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。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;(2)傳統(tǒng)的負(fù)載形式單一，實(shí)際應(yīng)用中很多負(fù)載都要求是動(dòng)態(tài)變化的，如消耗功率是溫度、時(shí)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(fù)載等。傳統(tǒng)的靜態(tài)負(fù)載模擬不了復(fù)雜的負(fù)載形式。(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);(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)。由于傳統(tǒng)試驗(yàn)方式存在諸多缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者一直致力于研究更好的電源試驗(yàn)裝置，主要解決負(fù)載的靈活調(diào)節(jié)以及試驗(yàn)電能的回饋問(wèn)題。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。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)。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。由于在這過(guò)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(duì)于能源問(wèn)題日益嚴(yán)峻的今天，研究模擬電子負(fù)載具有很大的經(jīng)濟(jì)意義，是科學(xué)發(fā)展觀在科技學(xué)術(shù)問(wèn)題上的指導(dǎo)和應(yīng)用。因此，電子負(fù)載模擬裝置在實(shí)驗(yàn)室及電源等生產(chǎn)過(guò)程中有很大的應(yīng)用空間，其市場(chǎng)前景非常廣闊。1.2 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(mén)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)。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)。電源的測(cè)試，本質(zhì)上就是使電源按照一定的電流進(jìn)行放電。當(dāng)負(fù)載恒定時(shí)，放電電流也恒定;當(dāng)負(fù)載動(dòng)態(tài)變化時(shí)，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(fù)載對(duì)電源進(jìn)行試驗(yàn)，精確控制電源的放電電流，那么從電源側(cè)來(lái)看就如同對(duì)一個(gè)真實(shí)負(fù)載進(jìn)行放電，從而可以模擬一個(gè)傳統(tǒng)的自然負(fù)載。進(jìn)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(fù)載，包括一些動(dòng)態(tài)變化的負(fù)載、諧波負(fù)載和非線性負(fù)載，使得一個(gè)電子負(fù)載就能滿足任何試驗(yàn)場(chǎng)合。再結(jié)合逆變技術(shù)，將試驗(yàn)?zāi)芰咳繜o(wú)污染的回饋給電網(wǎng)，就能在完成對(duì)電源正常試驗(yàn)的同時(shí)有效地解決電能浪費(fèi)問(wèn)題。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)。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。因此從理論上而言，采用電子負(fù)載完全可以解決采用傳統(tǒng)負(fù)載進(jìn)行電源試驗(yàn)時(shí)存在的各種缺點(diǎn)。1.3 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)。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。傳統(tǒng)上使用靜態(tài)負(fù)載(例如電阻、電阻箱、滑線變阻器等)來(lái)替代實(shí)際負(fù)載。但是由于實(shí)際負(fù)載的形式較為復(fù)雜，通常都是動(dòng)態(tài)的，即負(fù)載隨時(shí)間、頻率在不斷地變化，因此靜態(tài)負(fù)載很難完全模擬實(shí)際負(fù)載。一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都在不斷研究可以替代實(shí)際負(fù)載的電子模擬負(fù)載，即電子負(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。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。根據(jù)選取的可控電子器件的不同，電子負(fù)載可以分為以下幾類：(l)采用晶體管的電子負(fù)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(gè)PN結(jié)，外部通有三個(gè)引出電極的半導(dǎo)體器件。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。通過(guò)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(fù)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(shí)際負(fù)載。其次，晶體管還存在溫度系數(shù)為負(fù)的問(wèn)題，所以在使用過(guò)程中需要考慮溫度補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。(2)采用場(chǎng)效應(yīng)管的電子負(fù)載場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)工作在不飽和區(qū)時(shí)，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(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)。但是MOSFET的通態(tài)電阻較大，且負(fù)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(shí)際負(fù)載。(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(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。與晶體管相比，它的響應(yīng)速度快;與MOSFET相比，它的負(fù)載電流大。(4)電能反饋型電子負(fù)載電能反饋型電子負(fù)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(wú)污染地反饋回電網(wǎng)，節(jié)約了大部分的能源;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。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1.1為這種電子負(fù)載的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。220V交流輸出被試電源直流母線電子負(fù)載220V交流輸入能量流動(dòng)方向圖1.1 電子負(fù)載的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖1.4 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。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。本設(shè)計(jì)為基于AVR單片機(jī)的電子負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)電子負(fù)載參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和對(duì)電子負(fù)載進(jìn)行控制，使用串口與上位機(jī)通信實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。本設(shè)計(jì)包括電子負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)原理圖的設(shè)計(jì)，下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)三部分內(nèi)容。(1) 設(shè)計(jì)任務(wù)完成電子負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)原理圖繪制，設(shè)計(jì)相關(guān)軟件；下位機(jī)軟件：根據(jù)上位機(jī)軟件的命令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)調(diào)試內(nèi)部控制電路；上位機(jī)軟件：自動(dòng)采集下位機(jī)輸入電壓、電流及設(shè)置負(fù)載電流值；(2)設(shè)計(jì)要求下位機(jī)設(shè)計(jì)：通過(guò)接收上位機(jī)軟件的命令指令自動(dòng)調(diào)試負(fù)載電流；根據(jù)輸入電壓的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)內(nèi)部控制電路；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(bào)給后系統(tǒng)；恢復(fù)默認(rèn)通訊地址；上位機(jī)設(shè)計(jì)：自動(dòng)采集下位機(jī)輸入電壓、電流及設(shè)置負(fù)載電流值；設(shè)置負(fù)載電流值；設(shè)置通訊地址；設(shè)置下位機(jī)采樣基準(zhǔn)電壓；-61-第二章 電子負(fù)載系統(tǒng)分析2.1 電子負(fù)載系統(tǒng)方案電子負(fù)載系統(tǒng)采用“AVR單片機(jī)+串口通訊+鍵盤(pán)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(cè)、變換等功能于一體的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)出最大功率為600W，電流020A，電壓034V的直流電子負(fù)載。驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)被測(cè)電源A/D電壓檢測(cè)A/DATmega88單片機(jī)串口通信鍵盤(pán)運(yùn)行指示隔離上位機(jī)485MOS管電路PWM控制電子負(fù)載圖2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖圖2.1中，ATmega88單片機(jī)為核心處理器。運(yùn)行指示、串口通訊和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，MOS管電路為電子負(fù)載主電路。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。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)。2.2 硬件和軟件功能的分配與協(xié)調(diào)電子負(fù)載系統(tǒng)由軟、硬件共同組成?？紤]到價(jià)格、工作速度、開(kāi)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(duì)于某些既可用硬件實(shí)現(xiàn)，又可用軟件實(shí)現(xiàn)的功能，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮了硬件和軟件的特點(diǎn)，高效地分配其資源，協(xié)調(diào)其功能。2.2.1 軟件設(shè)計(jì)電子負(fù)載的控制程序，包括以下部分：(1) 人機(jī)聯(lián)系通信程序。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。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(hào)，根據(jù)上位機(jī)設(shè)置的電流大小產(chǎn)生占空比不同的PWM信號(hào)控制MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間。2.2.2 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。(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。首先，在斷電的情況下測(cè)試線路的正確性，排除一些明顯的硬件故障。然后，聯(lián)機(jī)仿真調(diào)試，即除單片機(jī)外，插上所有元器件，和仿真器相連進(jìn)行調(diào)試，依次對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行讀、寫(xiě)操作，檢查結(jié)果的正確性。在硬件和軟件分別通過(guò)調(diào)試正常之后，進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，進(jìn)一步完善和修改控制程序，記錄和測(cè)試各項(xiàng)性能指標(biāo)，直到系統(tǒng)正常運(yùn)行。2.3 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。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，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)。為了避免這些問(wèn)題，采用工業(yè)控制機(jī)來(lái)對(duì)電子負(fù)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(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。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。如圖2.2所示：220V 50HZDC AC被測(cè)電源2電子負(fù)載2DC ACDC AC被測(cè)電源3電子負(fù)載3DC ACDC AC被測(cè)電源11電子負(fù)載1DC ACDC AC被測(cè)電源N電子負(fù)載NDC AC人機(jī)界面工業(yè)控制機(jī)圖2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖工業(yè)控制機(jī)部分主要完成的工作包括：控制每個(gè)電子負(fù)載模塊的啟動(dòng)與停止，每個(gè)電源模塊的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，每個(gè)電子負(fù)載模塊的電流值設(shè)定，整個(gè)系統(tǒng)的各部分狀態(tài)監(jiān)測(cè)，每個(gè)電子負(fù)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(jī)與各個(gè)電子負(fù)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(jī)能夠?qū)?shí)時(shí)信息進(jìn)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(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。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。微處理器控制系統(tǒng)及控制軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變電力電子電路的實(shí)時(shí)控制，完成整個(gè)系統(tǒng)所要求的功能，并能夠通過(guò)信息傳輸系統(tǒng)與工業(yè)控制機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。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。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。電子負(fù)載老化架的輸入來(lái)自并聯(lián)的直流測(cè)試電源1至電源Nm的輸出。電子負(fù)載模塊輸出工頻的交流，實(shí)現(xiàn)能量反饋。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。電子負(fù)載組織框圖如圖2.3所示。電子負(fù)載1電子負(fù)載2電子負(fù)載N1老化架1電子負(fù)載1電子負(fù)載2電子負(fù)載Nm老化架M現(xiàn)場(chǎng)總線 圖2.3 電子負(fù)載組織框圖第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 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。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega88的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)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(gè)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(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)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(diǎn)：8K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash（具有在編程過(guò)程中還可以讀的能力，即RWW)，512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM ，23個(gè)通用I/O口線，32個(gè)通用工作寄存器，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)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(gè)SPI串行端口，一個(gè) 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(mén)狗定時(shí)器，以及五種可以通過(guò)軟件選擇的省電模式?？臻e模式時(shí)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(shí)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(shí)異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，以允許用戶維持時(shí)間基準(zhǔn)，器件的其他部分則處于睡眠狀態(tài)；ADC噪聲抑制模式時(shí)CPU和所有的I/O模塊停止運(yùn)行，而異步定時(shí)器和ADC繼續(xù)工作，以減少ADC轉(zhuǎn)換時(shí)的開(kāi)關(guān)噪聲；Standby模式時(shí)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(shí)具有快速啟動(dòng)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(guò) SPI接口、通用編程器、或引導(dǎo)程序進(jìn)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(lái)下載到應(yīng)用 Flash 存儲(chǔ)區(qū)。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。 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(dòng)復(fù)位、看門(mén)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2.7V5.5V之間；(8)功耗極低；(9)性價(jià)比高。單片機(jī)ATmega88系統(tǒng)的基本電路如下：圖3.1 ATmega88單片機(jī)系統(tǒng)的基本電路圖3.1中，單片機(jī)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(jì)，并且在熔絲位設(shè)計(jì)里可以控制復(fù)位的額外時(shí)間，因此ATmega88外部的復(fù)位電路在上電時(shí)可以設(shè)計(jì)的非常簡(jiǎn)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(gè)：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(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。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)榈碗娖剑|發(fā)單片機(jī)復(fù)位。ATmega88在出廠時(shí)已經(jīng)提供了由片內(nèi)RC振蕩器產(chǎn)生的8MHZ的時(shí)鐘，可以通過(guò)編程熔絲位進(jìn)行8分頻得到1MHZ的時(shí)鐘。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。外部振蕩電路的接法如圖3.1所示。AVR單片機(jī)在出廠時(shí)已經(jīng)編程熔絲位使用內(nèi)部RC振蕩器，并且進(jìn)行了8分頻，如果要使用外部時(shí)鐘，需要重新編程熔絲位。單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)的好壞，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性。許多人在設(shè)計(jì)完單片機(jī)系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試成功后，在現(xiàn)場(chǎng)卻出現(xiàn)了“死機(jī)”、“程序走飛”等現(xiàn)象，這主要是單片機(jī)的復(fù)位電路設(shè)計(jì)不可靠引起的。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)。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)。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(fù)載的可靠運(yùn)行，單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，因此，電子負(fù)載的單片機(jī)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(jī)能夠可靠復(fù)位。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(dòng)復(fù)位輸入端，當(dāng)其接上一個(gè)小于0.8V的電平時(shí)就能夠觸發(fā)一個(gè)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(cè)輸入引腳。當(dāng)輸入這個(gè)引腳的電壓低于1.25V時(shí)，PFO輸出低電平。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。當(dāng)不使用掉電監(jiān)測(cè)功能時(shí)，該引腳懸空；l PFO：掉電檢測(cè)輸出引腳，低電平有效；l WDI：看門(mén)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(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。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(mén)限4.4V以上。在超過(guò)此門(mén)限后，內(nèi)部定時(shí)器大約再維持200mS后釋放RESET，使其返回高電平。無(wú)論何時(shí)只要電源電壓降到復(fù)位門(mén)限一下，RESET引腳就會(huì)變低。在掉電期間，一旦電源電壓VCC降到復(fù)位門(mén)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(mén)狗定時(shí)器用于監(jiān)控MPU/MCU的活動(dòng)。如果在1.6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。只要復(fù)位信號(hào)有效或WDI輸入高阻，則看門(mén)狗定時(shí)器功能就被禁止，且保持清零和不計(jì)時(shí)狀態(tài)。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1.6s的計(jì)時(shí)。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。一旦電源電壓VCC降至復(fù)位門(mén)限以下，WDO端也將變低并保持低電平。只要VCC升至門(mén)限電壓以上，WDO就會(huì)立即變高。使用MAX706構(gòu)成的單片機(jī)復(fù)位電路如圖3.3所示：圖3.3 MAX706構(gòu)成的單片機(jī)復(fù)位電路在圖3.3中，MAX706的掉電檢測(cè)功能并沒(méi)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(mén)狗復(fù)位功能，如圖3.3所示，將看門(mén)狗輸出引腳WDO接到手動(dòng)復(fù)位引腳輸入端MR。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。使用看門(mén)狗時(shí)，需要定期的喂狗，將單片機(jī)引腳PC0接到MAX706的WDI端，定期喂狗，否則看門(mén)狗電路認(rèn)為單片機(jī)運(yùn)行不正常而輸出復(fù)位信號(hào)。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。每一片單片機(jī)都需要有軟件才能完成特定的功能。在軟件設(shè)計(jì)好后，要將軟件燒錄到單片機(jī)的Flash中。為了燒錄程序方便及考慮到以后升級(jí)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(xiě)，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(hào)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(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)。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。它給各個(gè)模塊提供“動(dòng)力”，才能保證每個(gè)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(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1N4007、1N5148等，橋堆有RS210等。濾波電路作用是將脈動(dòng)直流U2濾除紋波，變成紋波小的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。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(duì)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(shí)間常數(shù)應(yīng)滿足： （3.5）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。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。3.2.2 三端固定式穩(wěn)壓器國(guó)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(fù)壓穩(wěn)壓器均命名為79系列。該系列穩(wěn)壓器有過(guò)流、過(guò)熱和調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)，以防過(guò)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(hào)。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(lái)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(biāo)稱正電壓Uo。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(0.1uF10uF)到地。3.2.3 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。下位機(jī)中的工作電壓是通過(guò)市電經(jīng)過(guò)變壓器后轉(zhuǎn)為頻率為50HZ的15V的交流電，經(jīng)過(guò)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(guò)整流之后的脈動(dòng)直流。其中F1為保險(xiǎn)管，T1為220V-15V的工頻變壓器實(shí)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(dòng)直流電。圖3.8中，C1為濾波電容，脈動(dòng)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(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。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(duì)低頻信號(hào)的阻抗大。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。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(cè)和測(cè)量環(huán)節(jié)的重要技術(shù)手段，為了讓負(fù)載準(zhǔn)確工作在不同方式下，設(shè)計(jì)中對(duì)被測(cè)電源的輸出電壓輸出電流進(jìn)行實(shí)時(shí)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(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對(duì)來(lái)自端口A的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣，單端電壓輸入以0V為基準(zhǔn)，A/D由單片機(jī)的AVCC引腳單獨(dú)提供電源。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)。使用ATmega88自帶的A/D轉(zhuǎn)換器能夠滿足設(shè)計(jì)要求，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。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(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)。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)。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(cè)的電壓，Vout為對(duì)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(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。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(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： （3.7）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)。由公式（3.7）可知，只要能夠測(cè)得Vi，就可以計(jì)算出電流I。本設(shè)計(jì)中，要求能夠?qū)?路輸入的電壓電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，如果選用ATmega88的8通道模擬多路復(fù)用器來(lái)采集這輸入的4路電壓電流信號(hào)的話，將占用單片機(jī)的8個(gè)I/O口，這對(duì)于本就很緊張的I/O口資源來(lái)說(shuō)是一種浪費(fèi)。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。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(kāi)關(guān)，有3個(gè)二進(jìn)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(hào)可控制峰峰值至20V 的模擬信號(hào)。這些開(kāi)關(guān)電路在整個(gè)VDDVSS 和VDDVEE 電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號(hào)的邏輯狀態(tài)無(wú)關(guān)。當(dāng)INH 輸入端為高電平時(shí)，所有的通道截止。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。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(zhǔn)。3.4 I/O擴(kuò)展單片機(jī)的I/O口始終是有限的，若所需要的I/O口較多時(shí)，單片機(jī)的I/O就不能夠滿足所需要求。為了解決這些問(wèn)題，可以對(duì)單片機(jī)的I/O口進(jìn)行擴(kuò)展。本設(shè)計(jì)選擇PCA9535對(duì)單片機(jī)I/O口進(jìn)行擴(kuò)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(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)。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。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(duì)PCI9535輸入寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)；l 低電平有效中斷輸出。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)PC