电子负载的设计与研究(修改版)

目录摘要IABSTRACTII1绪论111电子负载概述112电子负载研究现状113电子负载的工作方式3131恒定电流工作方式3132恒定电压工作方式3133恒定电阻工作方式414主要研究内容42大功率电子负载主电路设计521电子负载模拟原理522系统方案设计623主电路设计83电子负载硬件设计1031单片机选型1032电源模块1233A/D转换模块1234显示模块1435采样模块15351电压采样15352电流采样15353集成运放设计1636IGBT功率驱动模块184系统软件设计2041汇编语言设计与KEIL开发软件2042ADC0809模数转换子程序设计2143显示子程序设计2244电子负载程序设计流程图22总结与展望25参考文献26附录1控制电路图27附录2电子负载设计程序28致谢36摘要进入21世纪，随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的迅速发展，给电源检测技术带来了革命性的变化。为了满足人们对电源检测越来越高的要求，新的电子负载已经渐渐取代传统的电源检测技术应用于各个领域之中。本论文主要研究的内容是电子负载的设计与研究。本论文首先对电子负载的工作原理及控制方式进行了具体的阐述，并分析了电子负载系统的几种不同的设计方案。最终选择以以AT89S51单片机为控制核心，设计恒流方式的电子负载，即无论电压如何变化，流过该电子负载的电流恒定，且电流值可设定。设计系统硬件部分主要包括控制电路、功率驱动电路、采样电路、A/D转换电路、显示电路等模块，能够检测被测电源的电流值、电压值，各个参数都能直观的在数码管上显示。关键词电子负载；单片机；采样；功率驱动ABSTRACTINTHE21STCENTURY,WITHTHEPOWERELECTRONICSTECHNOLOGY,COMPUTERTECHNOLOGYANDAUTOMATICCONTROLTECHNOLOGY,THERAPIDDEVELOPMENTOFDETECTIONTECHNOLOGYTOPOWERHASBROUGHTAREVOLUTIONARYCHANGETOMEETTHEINCREASINGAWARENESSOFTHEPOWERTESTINGREQUIREMENTSOFTHENEWELECTRONICLOADHASBEENGRADUALLYREPLACINGTHETRADITIONALPOWERDETECTIONTECHNOLOGYUSEDINVARIOUSREALMSTHECONTENTOFTHISTHESISISTHEDESIGNOFELECTRONICLOADANDRESEARCHTHISPAPERFIRSTPRINCIPLEOFTHEELECTRONICLOADANDCONTROLTHEWAYTHECONCRETEELABORATIONANDANALYSISOFSEVERALDIFFERENTELECTRONICLOADSYSTEMDESIGNTHEFINALCHOICETOTHEAT89S51MICROCONTROLLERASTHECONTROLCENTER,THEDESIGNOFELECTRONICCONSTANTCURRENTMODELOAD,THATIS,NOMATTERHOWTHECHANGEINVOLTAGE,FLOWTHROUGHTHEELECTRONICLOADCURRENTCONSTANT,ANDTHECURRENTVALUECANBESETHARDWAREDESIGNSYSTEMINCLUDESTHECONTROLCIRCUITS,POWERDRIVERCIRCUIT,SAMPLINGCIRCUIT,A/DCONVERTERCIRCUIT,DISPLAYCIRCUITANDOTHERMODULES,CANDETECTTHECURRENTVALUEOFTHEMEASUREDPOWER,VOLTAGEVALUES,EACHPARAMETERCANBEVISUALLYDISPLAYEDINTHEDIGITALKEYWORDSELECTRONICLOADSCMSAMPLINGPOWERDRIVE1绪论11电子负载概述在电子技术应用领域,经常要对开关电源、线性电源、UPS电源、变压器、整流器、电池、充电器等电子设备进行测试，如何对其输出特性进行可靠、全面且比较简单、快捷的测试，一直是仪表测试行业研究的问题。传统的测试方法中一般都采用电阻、滑线变阻器、电阻箱等充当测试负载1，但这些负载不能满足我们对负载多方面的要求，如恒定电流的负载；带输出接口的负载；随意调节的负载、恒功率的负载、动态负载；多输出端口的负载等。现在有一种新型多功能的电子负载，可据实际应用中对负载特性的要求进行设置，满足了我们对负载的各种要求，解决了开发研制测试中的困难。在研究电子负载之前，电源测试实验往往采用电阻性负载，其主要有以下缺点2（1）负载大小有级调节，很难精确控制，负载大小随温度而变化；（2）被测试电源释放的电能全部消耗在电阻上，发热严重，需要添加使用专门的散热设备，能量浪费严重，成本较高；（3）功率比较小，长时间在大电流下工作容易烧损或发生老化；（4）体积庞大，占用空间较大。相对于传统的电阻性负载，电子负载具有以下几个方面的优点3（1）负载大小可以连续调节，可以按照操控者的设定值精确的运行。（2）节约能源，有利于环保。被测设备的输出能量可以回馈到电网，达到循环利用的目的，其损耗仅仅是电能反馈型电子负载的开关等元件的发热损耗和线路损耗。由于发热损耗极少，避免了试验场所环境温度升高等一系列的问题。（3）体积小、重量轻。由于被测设备的能量循环利用，产生的热量少，无需配备专门的冷却设备，因此大大降低了设备的占用空间。（4）自动化程度高，可实现无级调节。电子负载可以工作在恒电流、恒阻抗、恒功率等模式下，根据需要对其进行控制，在容量范围内模拟各种阻抗值的负载，对于输入负荷进行连续调节，提高了可操作性与系统工作效率。5不需要对负载进行定期维护。对比与传统负载产生大量热量损耗，低损耗的电子负载不需要经常对其维护，使用寿命较高，设备维护工作简单，降低使用成本。12电子负载研究现状电子负载是通过控制场效应晶体管或晶体管的导通量占空比大小，靠功率管的耗散功率消耗电能的设备。目前国内外的电子负载主要由可控的电子器件组成。根据电源类型不同，电子负载可分为两类4（1）直流电子负载直流电子负载主要应用于直流电源试验的电子负载，如通讯电源，蓄电池等。直流电子负载一般采用DC/AC逆变方式，将直流电源的电能反馈到交流电网中。目前，直流电子负载的研究已比较成熟，也有一些成熟的产品，并且开始在电源的试验中获得应用。（2）交流电子负载交流电子负载主要应用于交流电源实验，一般采用AC/DC/AC两级变换电路构成电子负载主电路。目前相关的文献都是对UPS老化试验节能的研究，其主要目标是在试验能量的回馈上，交流电子负载的理论尚未完全成熟和完善，还有很多需要研究之处。根据选取的可控电子器件的不同，电子负载可以分为以下几类L采用晶体管的电子负载。大功率晶体管GTR也是半导体三极管，是内部含有两个PN结，外部通常有三个引出电极的半导体器件。它对电信号有放大和开关等作用，应用十分广泛。通过控制其基极电流可以控制其集极电流，因此，晶体管可作为一种可变电子负载。由于晶体管属于电流控制型器件，在控制变化速度上较慢，因此适合模拟一些电流恒定或是变化缓慢的实际负载。其次，晶体管还存在温度系数为负的问题，所以在使用过程中需要考虑温度补偿的问题。2采用场效应管的电子负载。场效应晶体管MOSFET工作在不饱和区时，根据漏极与源极之间的伏安特性可以将其看作受栅极和源极间电压控制的可变电阻。用MOSFET做可变电阻具有工作速度快、可靠性好、控制灵敏度高等优点，而且既无机械触点，也无运动部件，噪声低，寿命长。但是MOSFET的通态电阻较大，且负载电流较小。所以，MOSFET适合模拟一些变化速度较快，但电流不大的实际负载。3采用绝缘栅双极晶体管的电子负载。绝缘栅双极晶体管，简称IGBT，是MOSFET和晶体管技术结合而成的复合型器件，属于电压控制型器件。当IGBT工作在不饱和区时，根据射极与集极之间的伏安特性可以将其看作受栅极电压控制的可变电阻。与晶体管相比，它的响应速度快与MOSFET相比，它的负载电流大。从输出能量是否能够反馈的角度来分，电子负载又可以分为电能反馈型电子负载和电能消耗型电子负载两种5。电能反馈型电子负载系统被测电源从交流电网获得能量，然后输出直流低压，通过电子负载，输出之后反馈并入工业电网中。经过电子负载之后的能量并没有浪费掉，而是反馈回交流电网中，实际损耗的电能仅仅是在被测电源和电子负载模块上面的损耗。电能反馈型电子负载与一般的电能消耗型电子负载的不同在于一方面，电能反馈型电子负载能够将被测电源的输出能量大部分反馈回电网，可以节约大部分的能源，试验场所也不需要配备较大的电源容量。而且由于绝大部分能量被反馈回电网，大部分能源不会被耗费继而产生大量热量，因此不需要配备体积庞大的电阻箱和冷却设备。另一方面，由于电能反馈型电子负载采用的是PWM可逆的整流器，而PWM可逆的整流器在开关状态下工作，与工作在放大状态的电能消耗型电子负载相比，电能反馈型电子负载可以应用在大功率的工作场合中，因为应用领域更广泛。随着电力电子技术的不断发展和进步，电子负载从直流发展到交流，从小功率发展到大功率，从晶体管式发展到绝缘栅双极晶体管，从电能消耗型发展到电能反馈型。由于国民经济的迅猛发展以及工业进程的不断加快，能源匮乏的问题亟待解决，为了节约有限的能源，减少庞大的开支，实现试验自动化的要求，电能反馈型电子负载成为未来科学研究的主要方向。13电子负载的工作方式直流电子负载可以具备恒定电流、恒定电阻、恒定电压、动态负载及短路负载等工作方式6。131恒定电流工作方式图11是电子负载与被测电源的连接图和外特性图。在定电流模式中,在额定使用环境下,不论输入电压大小如何变化,电子负载将根据设定值来吸收电流。若被测电压在510V变化，设定电流为100MA，则当调节被测电压值时，负载上的电流值应维持在100MA不变,而此时负载值是可变的。定电流模式能用于测试电压源及AD/DC电源的负载调整率。负载调整率是电源在负载变动情况下能够提供稳定的输出电压的能力,是电源输出电压偏差率的百分比。一一一一一一一一一一一一一U/VI/MA图11电子负载恒定电流工作方式132恒定电压工作方式图12为电子负载与被测电源连接图和外特性图。在此方式下电子负载将吸收足够的电流来控制电压达到设计值。定电压模式能被使用于测试电源的限流特性。另外,负载可以模拟电池的端电压,故也可以使用于测试电池充电器。一一一一一一一一一一I/MAU/V一一一_图12电子负载恒定电压工作方式133恒定电阻工作方式此种状态下，负载如纯电阻，吸收与电压成线性正比的电流。此方式适用于测试电压源，电流源的启动与限流特性。图13为恒阻方式连接图和外特性图,在定电阻模式中,电子负载将吸收与输入电压成线性的负载电流。一一一一一一一一一一一一一一_一一一一一一U/VI/MA图13电子负载恒定电阻工作方式14主要研究内容本论文的主要内容是一个5KW的电子负载的设计与研究，建立电子负载的控制模型并设计电路满足设计要求。论文全文分为五个章节。第一章主要介绍了电子负载的概念以及电子负载的研究现状，并描述了电子负载的三种不同的工作方式，同时给出了论文的主要内容与章节安排。第二章主要介绍了大功率电子负载技术的模拟原理，分析了几种不同的电子负载系统控制策略，根据几种不同的策略来分析并确定系统的控制方法，设计出系统主电路。第三章就是电子负载的控制系统设计，控制系统设计包括单片机的选择应用，电源模块，A/D转换模块，显示模块，采样模块以及功率驱动模块等的设计。第四章就是系统的软件方面的设计，软件方面的设计通过分析题意后写出程序设计流程图，然后通过汇编语言写出各模块的程序。最后一章是对本文主要内容的总结并展望电子负载技术的发展前景。2大功率电子负载主电路设计21电子负载模拟原理电子负载的基本功能同普通电阻负载和其他能耗式负载是一样的，模拟的都是普通电阻负载的输出特性。负载可以等效为电感和电阻的串联，与之同理，电子负载可以模拟实际电阻负载和阻感负载，模拟电阻负载与阻感负载的等值电路分别如图21和图22所示7。UDIRL图21模拟阻感负载的等效电路UDIR图22模拟电阻负载的等效电路图中，为被测电源的输出电压，数学模型表示为DU21DIURLT22I分别解上面两个方程式可得（231RIDLIE）24DUIR模拟阻感负载，对于任意被试电源电压UD，可以根据式23求得该电源在设定负载参数R、L下的输出电流值I。换言之，通过采用合理的控制方法对电子负载进行实时控制，使得电子负载直流侧的输入电流值与式23中计算得到的电流I值始终能够保持一致，系统便可以实现对负载参数R、L的有效模拟。电网电压和被试电源的输出电压UD在一定范围内保持恒定，被试电源的输出电流值与系统模拟的功率大小值成正比关系，同时也正比于电子负载交流侧的电流值。按照式23的计算值对电流设定值进行控制，使得直流电源输出电流值保持适当大小，便可以成功模拟RL性质的电子负载。同理，纯电阻负载模拟过程中，根据式24计算出I值，以此设定电流值即可。22系统方案设计要使新型电子负载能够很好的模拟各种负载特性以及实现将能量最大限度的回馈向电网，作为整个电子负载系统的核心，电子负载的监控系统的设计显得尤为重要。如何监测整个电子负载系统各个功能模块的运行性能，如何及时有效的发出故障报警，如何快速传送和处理整个负载模块的数据以及信息，直接影响整个电子负载系统的性能。目前针对大功率电子负载的系统的设计有以下几种方案8方案一此方案的整个系统电路包括模拟信号采样和调理电路、信号处理电路、驱动信号产生电路、故障保护电路、通讯接口电路等。这些电路将采集到的主电路信号通过运算处理，得到功率管驱动信号，以此控制主电路，最终完成电子负载功能的目的。如图24所示。一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一图24方案一电路整个系统采用数字处理芯片来完成系统中各变量的采集处理及故障保护等任务。模拟信号采样与信号调理电路采集主电路中的直流侧电压、交流侧电压、交流侧电流等信号，并将其转换到033V之间。当电路正常工作时，数字芯片将调理后的电压、电流信号进行运算处理，处理得到的结果送入驱动信号产生电路，最终产生驱动信号；如果电压、电流信号超出特定范围，经故障保护电路判断之后，将故障信号分别送入驱动信号产生电路及数字芯片单元，数字芯片收到故障信号之后触发相应动作，驱动信号产生电路将全部驱动信号进行屏蔽，起到保护电路的作用。方案二此方案采用ATMEGA16单片机作为核心处理器，可以实现电子负载的智能控制。通过键盘，按键可以选择工作方式，设定工作电流、电阻、功率值，并在LED上显示设定值与实际值。键盘、LED显示、串口通讯实现了人机交互。电子负载主电路采用MOS管电路。单片机控制产生一定占空比的PWM信号，用PWM波形的占空比来调节MOS电路的工作时间，进而实现调节负载工作时的电流，通过控制功率电路MOS管的关断和导通时间，来获得相应的的工作电压和工作电流，使负载工作于恒流、恒阻、恒功率等不同的工作方式。为了让负载在不同方式下准确工作，设计中对被测电源电压和流过MOS管的电流进行实时采样，采样采用ATMEGA16自带的A/D转换器进行数字采集，采样精度高。检测电路为电流、电压负反馈回路，单片机将A/D采集的信号与预置值进行比较，以此进一步调节PWM占空比。如图25所示。一一一一MOS一一一一一一一一ATMEGA16LED一一一一一485一一SP1一一PWM一一一一一一一一一一一一图25方案二电路方案三此方案的控制系统结构如图26所示。系统主回路以全控型晶体管IGBT为开关器件，控制回路以单片机C8051F02为核心，它具有较快的运算能力和较为丰富的输入输出设备以及接口电路。JTAG接口对C8051F02单片机进行调试，这是一种全速、非侵入式、在系统调试。故障检测模块主要用于监测电网电压过欠压情况，绝缘栅双极晶体管模块是否超过额定温度，绝缘栅双极晶体管模块是否超过额定电流。单片机判断主电路工作是否正常。键盘输入模块用于设定被试电源的输出电流。液晶显示模块用于显示系统的运行状况、实际输出的电流值以及用户设定值。如图26所示。PWM一一一一一一一一C8051F02一一一一一一一一一一一一一一一一一一IGBT一一一一一一一一LED一一JTAG一一一一一一一一一一图26方案三电路通过以上三种方案的比较，可以看出系统控制电路的主要方案基本上是以单片机为主控核心，通过检测电路检测被测电源的电路与电压，再进行A/D转换给单片机，单片机通过PWM信号发生器将信号传送给功率驱动电路以获得相应的工作电压与工作电流。同时通过键盘输入电路中设定的各值并通过LED显示器显示出来，单片机连接键盘与显示电路等以实现控制系统的人机互动。23主电路设计电子负载的选择为电阻性的负载，通过电阻消耗被测电源输入的功率。如下图27所示，将若干个电阻并联起来，电路的一端接被测电源，另一端接采样电路。图27主电路图通过开关元件控制电阻的工作情况，当开关接通时，相应的电阻处于工作状态，消耗被测电源的输入功率。同时，开关的通断情况改变电路总电阻值，从而改变采样的电流值。功率驱动设计也是采样并联的方式，将若干个IGBT并联起来。IGBT作为开关电路，集电极接正电压，发射极接地，栅极与IGBT驱动功率模块相连。图28IGBT控制电路3电子负载硬件设计电子负载总体设计模块方框图如下图31所示。硬件电路主要由检测模块、A/D转换模块、LED显示模块、功率控制模块构成。显示按键输入单片机A/D转换PWM控制电流检测电压检测功率控制图31电子负载设计模块方框图31单片机选型本系统需要实时测量数据输入，并进行瞬间处理。又考虑到实际生产中的装置体积、造价及快速、稳定性，因此选用ATMEL公司的AT89C系列的AT89S51，AT89S系列单片机硬件设计简单，指令系统设计精练。ATMEL89系列单片机是美国ATMEL公司的8位快速可编程/擦除只读存储器（FPEROM）单片机系列。它是以8031核构成，与MCS51指令系统和引脚完全兼容的、采用ATMEL公司的高精度、非易失性存储技术制造，芯片上的FPEROM允许在线或采用通用的非易失存储器编程器对程序存储器重复编程10。89系列单片机是低功耗CMOS工艺、内部含FLASH存储器的特殊单片机，正是因为这特殊性，89系列单片机在产品开发及生产便携式商品、手提式仪器等方面有着十分广泛的应用，也是目前取代传统的MCS51系列单片机的主流单片机之一。本系统选用标准型单片机AT89S51，其结构特点如下（1）8位CPU；（2）片内有4KB可在线重复编程快闪擦写存储器（FLASHMEMORY）；（3）存储器可循环擦写1000次；（4）宽工作电压范围VCC可由46V；（5）程序存储器具有3级锁存保护；（6）1288位内部RAM；（7）片内振荡器及时钟电路；（8）32条可编程I/O线；（9）2个16位定时器/计数器；（10）中断结构具有5个中断源和2个中断优先级；（11）可编程全双工串行接口；（12）看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器；（13）空闲状态维持低功耗和掉电状态保护存储内容。AT89S51单片机的封装形式可有很多种类型，如PDIP、PQFP/TQFP、PLCC形式，多数都是采用PDIP40形式，如图32所示。图32AT89S51引脚图引脚功能说明VCC电源电压GND接地端P0口P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在FLASH编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。FLASH编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。P2口P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能。XTAL1振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2振荡器反相放大器的输出端。32电源模块电源模块采用三端稳压集成电路HCPL7805。HCPL7805系列为三端正稳压电路,有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象普通的三极管，TO220的标准封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。内含过流、过热和过载保护电路。带散热片时，输出电流可达1A。虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。电源模块原理图如下图33所示。图33电源原理图33A/D转换模块A/D转换器的作用是将模拟量转换成数字量，以便于计算机进行处理。A/D转换器选择为ADC0809转换器。ADC0809是CMOS逐次逼近型A/D转换器，具有8路模拟量输入通道，有转换启停控制，模拟输入电压范畴为0V5V。其内部除8位A/D转换电路外，还有一个8路模拟选择开关、地址锁存和译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器器、定时和控制电路及三态输出锁存器等组成，可以直接与系统数据总线相连。ADC0809芯片为28引脚，双列直插式封装，其引脚排列图如图示。图34ADC0809引脚图ADC0809各引脚功能如下IN0IN7八路模拟量输入端。D0D7为8位数字量输出端。START为启动信号输人端，高电平有效。在该信号的上升沿清除ADC内的寄存器，在下降沿启动转换。ALE为地址锁存控制信号，由低电平至高电平的正跳变将通道地址锁存至地址锁存器。通常把START和ALE连接在一起，通过程序输入一个正脉冲启动A/D转换。EOC为转换结束信号，转换结束为高电平，可作中断请求信号。OE为输出允许控制，当OE有效时，可把内部转换的数据送往数据总线。ADC0809的8路模拟通道选择开关实现从8路输入模拟量中选择一路送给后面的比较器进行比较；地址锁存与译码器用于当ALE信号有效时锁存从ADDA、ADDB、ADDC3根地址线上送来的3位地址，译码后产生通道选择信号，从8路模拟通道中选择当前的模拟通道；比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近型寄存器、定时和控制电路组成8为A/D转换器，当START信号有效时，就开始对输入的当前通道的模拟量进行转换，转换完后，把转换得到的数字量送到8位三态锁存器，同时通过EOC引脚送出转换结束信号。三态输出锁存器保存当前模拟通道转换得到的数字量，当OE信号有效时，把转换的结果通过D0D7送出。单片机AT89S51与A/D转换器ADC0809连接图如下图35所示。AT89S51通过地址线P27和读、写信号线来控制ADC0809的锁存信号ALE、启动信号START和输出允许信号OE，锁存信号ALE和启动信号START连接在一起，锁存的同时启动。当P27和写信号同为低电平时，锁存信号ALE和启动信号START有效，通道地址送地址锁存器锁存，同时启动ADC0809开始转换。通道地址由P00、P01和P02提供，由于ADC0809的地址锁存器具有锁存功能，所以P00、P01和P02可以不需要锁存器直接连接ADDA、ADDB、ADDC。根据图中的连接方法，当要读取转换结果时，只需要P27和读信号同为低电平，输出允许信号OE有效，转换的数字量通过D0D7输出。转换结束信号EOC与AT89S51的外中断INTO相连，由于逻辑关系相反，因而通过反相器连接，那么转换结束则向89S51发送中断请求，CPU相应中断后，在中断服务程序中通过读操作来取得转换的结果。图35AT89S51与ADC0809连接图34显示模块为节省单片机端口，此设计使用74LS138译码器及4块码七段译码器。这样只需占用单片机的三个口，就可以动态显示4位LED数码管，减少了对单片机管脚的占用。显示模块连接图如如36所示。图36LED显示电路图35采样模块351电压采样电压采样模块采用HCPL7840芯片。HCPL7840芯片是HP公司出品的双直插8脚封装的集成隔离放大器，它有优越的性能，像CMRR、失调电压、非线性度、工作温度范围和工作电压等都有严格的指标。低失调电压和低失调温度系数允许自动校准技术的精确运用。5的增益容忍度和01的线性度，为精确的负反馈和控制进一步提供性能需求。较宽的温度范围允许HCPL7840被运用于各种恶劣的工作环境。它能够传输模拟信号的线性光耦，对主电路和控制电路进行隔离，这样可避免电源噪声或电磁干扰的影响，避免电流功率电路对控制电路的损害。如图37所示，7840的脚1、脚8分别为两组5V电源的正端VDD1和VDD2；脚4和脚5为5V电源地GND1和GND2；脚2为VIN、脚3为VIN、脚7和脚6分别为VOUT和VOUT。图37HCPL7840引脚图图38电压采样原理图352电流采样电流采样中，借助采样电阻首先将电流信号转换为电压信号，装换为电压信号后，再用HCPL788J隔离，它是带短路和过载检测功能的隔离运放芯片，电流过载后能在5US从内部向单片机发送中断信号，及时保护MOSFET。其输入范围为250MV250MV；对应输出为04；电子负载电流输入范围是05；选用004采样电阻。HCPL788J引脚图如下图39所示。电流采样原理图如下图310所示。图39HCPL788J引脚图图310电流采样原理图353集成运放设计在本设计中，电流信号的检测放大部分、单片机控制功率信号输出部分，以及场效应管驱动信号部分，均应用集成运放芯片进行信号的放大及处理。以下对应用到的运放功能作进一步介绍11。集成运放的功能有基本反相放大电路应用、基本同相放大电路应用和基本差放放大电路。图311为运放基本反相放大电路。图中R1为输入隔离电阻，RF为负反馈电阻，RP为平衡电阻。RPR1/RF。RW为调零电位器。电路的闭环放大倍数为AVFRFR1。代入电阻数值，电路的AVF值为100。负号表示输出电压与输入电压相位相反。电路的输入电阻为R1，若要保证电路放大倍数足够大，则RF值势必要相应的增大。这将使电路的精度下降、漂移增大。所以基本反相放大器只适用于输入阻抗要求不高的场合。基本反相放大电路的调整方法为先将输入端接地，细心调整RW调零电位器，使输出电压为零。为减少输入基极电流造成的误差，应使平衡电阻RP等于R1和RF的并联。在实际调整中，应根据实测结果对RF值进行适当调整，以满足所需增益的要求。图311集成运放基本反相放大电路集成运放基本同相放大电路如下图312所示。同相放大电路闭环放大倍数计算公式为AVF1R3/R2，由公式可见，选用系列电阻时，闭环放大倍数不容易为整数。图312运放基本同相放大电路电路的调整方法和注意事项为将输入端接地，调整调零电位器R4，使输出电压为零。同相放大器将引入等于输入信号的共模电压，这将对运放的输入共模电压范围提出较高的要求。也就是说，同相放大器的输入信号不得超过运放的输入共模电压范围。在作为跟随器使用时，跟随精度与共模抑制比直接有关。集成运放基本差动放大电路如图313所示，实用中往往用差动放大器来放大来自传感器的微弱电信号。图313运放差动放大电路电路的调整方法和注意事项为将两个输入端均接地，调整调零电位器使输出电压为零。为抑制共模输出应精心选配外接电阻，便R1R2，RFRP，公差一般不能超过1。输入的共模信号不得超过所用运放的输入共模电压范围。因为是直接耦合，故信号源内阻直接串入输入端。使用中应尽量使信号源内阻对两个输入端都相等，否则将降低电路抑制共模的能力。要求运放的输入失调电流尽可能小。短路保护、过电压保护测试用来验证电源在出现上述异常情况时,能否正确地作出反应。过电压保护功能对于一些对电压敏感的负载特别重要,如CPU、存储器、逻辑电路等。因为这些元件若工作电压超过其额定值时,会导致永久性的损坏。当电源的输出短路时,则电源应该限制其输出电流或关闭其输出,以避免损坏。短路保护测试是验证当输出短路时,电源能否正确反应。电子负载可采用短路测试键来模拟短路负载,可以直接测量其短路时的输出电压及电流。36IGBT功率驱动模块对于5KW的功率，功率驱动模块采用绝缘栅双极晶体管IGBT。IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融合了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点9。若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极和基极之间成低阻状态而使晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOS截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件，在它的栅极发射极间施加十几伏的直流电压，只有很少漏电流流过，基本不消耗功率。对于用来驱动IGBT的电路而言，应根据栅极对驱动信号的要求，因此一个理想的驱动电路应该具有较强的动态驱动能力，能向IGBT提供适当的正向或反向栅压，也应该有足够的输入输出电隔离能力。根据要求，本文设计的的系统采用TLP250作为IGBT的驱动芯片，此芯片用来驱动IGBT模块时，其优点是价格低廉，使用简单，一致性和稳定性好。TLP250引脚图见图314。图315是用该芯片设计的用来驱动开关管IGBT的电路，驱动电路围绕TLP250来设计，包括多电源形成电路，反向负偏置电路，过流和短路保护电路。该驱动电路适合中等容量、频率始终的IGBT逆变系统。当PWM引脚为低电平，G1为高电平，对应的功率管导通；反之，PWM为低电平，U3将产生一个负压经D8加在功率管的栅极，从而加速功率管的关断。而当输出出现过压时，通过稳压管的作用，电路将封闭LP250的工作，从而实现对IGBT的保护。图314TLP250引脚图图315IGBT驱动电路4系统软件设计41汇编语言设计与KEIL开发软件程序设计有时可能是很复杂的工作，为了把复杂的工作条理化，就要有相应的步骤和方法，其步骤一般概括为以下几点11（1）分析题意确定算法。对复杂的问题进行具体分析，找出合理的计算方法及适当的数据结构。（2）根据算法画出程序框图。画程序框图可以把算法和解题步骤逐步具体化，以减少出错的可能性。（3）编写程序。根据程序框图所表示的算法和步骤，选用适当指令排列起来，构成一个有机整体，即程序。单片机应用系统的软件设计是研制过程中任务最繁重的一项工作，难度也比较大。对于某些较复杂的应用系统，不仅要使用汇编语言来编程，有时还要使用高级语言。单片机应用系统的软件主要包括两大部分用于管理单片机微机系统工作的监控程序和用于执行实际具体任务的功能程序。对于前者，应尽可能利用现成微机系统的监控程序。为了适应各种应用的需要，现代的单片机开发系统的监控软件功能相当强，并附有丰富的实用子程序，可供用户直接调用，例如键盘管理程序、显示程序等。因此，在设计系统硬件逻辑和确定应用系统的操作方式时，就应充分考虑这一点。这样可大大减少软件设计的工作量，提高编程效率。后者要根据应用系统的功能要求来编程序。例如，外部数据采集、控制算法的实现、外设驱动、故障处理及报警程序等等。单片机应用系统的软件设计千差万别，不存在统一模式。开发一个软件的明智方法是尽可能采用模块化结构。根据系统软件的总体构思，按照先粗后细的方法，把整个系统软件划分成多个功能独立、大小适当的模块。应明确规定各模块的功能。尽量使每个模块功能单一，各模块间的接口信息简单、完备，接口关系统一，尽可能使各模块间的联系减少到最低限度。这样，各个模块可以分别独立设计、编制和调试，最后再将各个程序模块连接成一个完整的程序进行调试。KEIL集成开发环境是基于80C51内核的微型处理器软件开发平台，内嵌多种符合当前工业标准的开发工具。可以完成从工程建立、管理、编译和链接，目标代码的生成，软件仿真，硬件仿真等完整的开发流程。尤其C编译工具在产生代码的准确性和效率方面达到了较高的水平，而且可以附加灵活的控制选项，在开发大型项目时非常理想。KEIL软件开发的流程（1）建立工程；（2）为工程选择目标器件；（3）设置工程的配置参数；（4）打开/建立程序文件；（5）编译和链接工程；（6）纠正程序中的书写和语法错误并重新编译连接；（7）对程序中某些纯软件的部分使用软件仿真验证；（8）使用TKS硬件仿真器对应用程序进行硬件仿真；（9）将生成的HEX文件烧写到ROM中运行测试。上面的流程只是一个标准的开发流程，实际中用户可能反复重复一个或几个步骤。42ADC0809模数转换子程序设计电子负载系统对外界电压电流参数的测试过程中，我们可以把模数转换程序以子程序的形式在程序段中出现，而在主程序中当需要测量电压电流参数时，直接调用ADC转换子程序实现。程序形式如下ORG00H；主程序段开始CALLADC_CONVERT；调用ADC转换子程序ADC_CONVERT；ADC转换子程序RET；子程序调用返回END；主程序结束结合本设计硬件的连接方式，模数转换子程序为ADC_CONVERTCLRP31；选通IN0通道测电压值CLRP30SETBP30；启动ADC0809CLRP30CALLDELAY；延时1MS等待AD转换结束MOVA,P0；送转换数据到累加器AMOV30H,A；转换数据暂放缓存区SETBP31；选通IN1通道测电流值CLRP30SETBP30；启动0809CLRP30CALLDELAY；延时1MS等待AD转换结束MOVA,P1MOV31H,A；转换数据暂放缓存区RET；AD转换结束，返回43显示子程序设计显示模块设计使用了74LS138译码器及4块码七段译码器。这样设计节省了单片机端口，此只需占用单片机的三个口，就可以动态显示4位LED数码管，减少了对单片机管脚的占用。显示子程序如下所示。MOVA,33HANLA,00001111BMOVP1,A；送第1位显示CALLDELAYMOVA,33HSWAPAANLA,00001111BORLA,00010000BMOVP1,A；送第2位显示CALLDELAYMOVA,34HANLA,00001111BORLA,00100000BMOVP1,A；送第3位显示CALLDELAYMOVA,34HSWAPAANLA,00001111BORLA,00110000BMOVP1,A；送第4位显示CALLDELAYRET44电子负载程序设计流程图主程序流程图如下图41所示。通过调节AD转换程序与显示子程序以获得实际的电流、电压和功率值。通过与设定值的比较调节PWM占空比来调节显示的实际值。一一一一一一一一一一一一一AD一一一一一一一一一一一一一U一AD一一一一一一一一一一一一一N一PWM一一一一一一一一一一一I一AD一一一一一一PWM一一一一PWM一一一一一一一一一一一P一AD一一一一一一一一一一一一一YN一一一一一一一一YYN图41主程序流程图电子负载按键流程图如下图42所示，每按一次功能键，依次显示电压值、电流值、功率值。一一一一一一一一一/一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一I一一一U一一一P一一一一一一一一一一一一图42按键程序流程图总结与展望随着电力电子技术的、计算机技术和自动控制技术的迅速发展，为电源检测技术带来了革命性的变化。相对于传统负载，电子负载在各个方面都有很大的提升，并且可据实际应用中对负载特性的要求进行设置，以满足了我们对负载的各种要求，解决了开发研制测试中的困难。电子负载是通过控制场效应晶体管或晶体管的导通量占空比大小，靠功率管的耗散功率消耗电能的设备。本文介绍了电子负载的概念和分类，以及电子负载的现状以及发展趋势，并对电子负载的工作方式和模拟原理做了具体详细的分析，最终完成了5KW直流电子负载的设计。首先是对大功率电子负载系统方案的比较选择。电子负载的主系统方案主要有三种，三种方案主体整体上是一样的，都是要设计A/D转换电路，电源电路，电流电压采样电路，人机互动模式以及功率驱动电路等。不同的地方在于主控制器的选取不同，分别是数字芯片、单片机ATMEGA16以及单片机C8051F02。最终的设计思路是应用平常学习中经常用到的AT89S51单片机为控制核心，设计恒流方式的电子负载，即无论电压如何变化，流过该电子负载的电流恒定，且电流值可设定。包括控制电路、功率驱动电路、主电路、采样电路、显示电路等，能够检测被测电源的电流值、电压值以及功率值，各个参数都能直观的在数码管上显示。虽然设计的内容比较简单，但是由于电子负载广泛的应用与广泛的市场需求，因此对与电子负载进行更深一步的研究以及对新型电子负载的探索，其意义是不言而喻的。参考文献1GUPTS,RANGASWAMYVLOADBANKELIMINATIONFORUPSTESTINGCSEATTLE,IEEEIASCONFERENCERECORD,USA,1990104010432潘诗锋,赵剑锋大功率交流电子负载的研究J电力电子技术,2006,2971003MINGTSUNGTSAI,CHIAHUNGLIU,DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFACOSTEFFECTIVEQUASILINEINTERACTIVEUPSWITHNOVELTOPOLOGYJIEEETRANSONPOWERELECTRONIC，2003,187100210114陆绮荣,李新电子负载的研制J桂林工学院学报,1999,1932042085郑连清,王青峰馈能型电子负载的并网控制J电网技术,2008，32740416AYRESCA,BARBIIAFAMILYOFCONVETERSFORPOWERRECYCLINGDURINGUPSSBURNINTESTCIEEEPOWERELECTRONICSSPECIALISTSCONFERENCE,1995,2614864927王雷能量回馈型交流电子负载变换器研究D南京航空航天大学硕士论文,2008,245478丁锐霞新型电子负载的研究D北方工业大学硕士论文,2008,517209王兆安,刘进军电力电子技术（第5版）M北京机械工业出版社,200910康华光电子技术基础模拟部分（第五版）M北京高等教育出版社,200611谢维成,杨加国单片机原理与应用及C51程序设计（第2版）M北京清华大学出版社,200912张毅刚等新编MCS51单片机应用设计M哈尔滨哈尔滨工业大学出版社,200313林飞,杜欣电力电子应用技术的MATLAB仿真M北京中国电力出版社,200914ABRAHAMIPRESSMAN,开关电源设计M北京电子工业出版社,200515陈坚电力电子学电力电子变换和控制技术M北京高等教育出版社,2002附录1控制电路图附录2电子负载设计程序ORG00HMOVA,00H；初始化清显示、数据缓存MOVP2,A；禁止DA输出MOVP1,A；MOV30H,A；MOV31H,A；MOV32H,A；MOV33H,A；MOV3AH,A；CALLDISPTEST；调数码管测试程序CALLADC；启动AD开始转换；主程序基本框架；U_DISPCALLDELAY；显示电压值CALLDELAY；延时消抖JNBP35,；判是否有功能键按下EECALLADCCALLUBCDMOV33H,R4；显示数据存缓存区MOV34H,R3；CALLDISP；调显示子程序JNBP35,I_DISP；判断是否有键按下JNBP32,DZY2；有“”键按下否有则跳到增加程序JNBP33,CAT2；有“”键按下否有则跳到减少程序JMPEEDZY2CALLADDJMPEECAT2CALLSUBJMPEEI_DISPCALLDELAY；电流显示程序CALLDELAY；延时消抖JNBP35,FFCALLADCMOV33H,00HMOV34H,00HCALLDISPJNBP35,P_DISPJNBP36,DZY3；有“”键按下否有则跳到增加程序JNBP37,CAT3；有“”键按下否有则跳到减少程序JMPFFDZY3CALLADDJMPFFCAT3CALLSUBJMPFFP_DISPCALLDELAYCALLDELAY；延时消抖JNBP35,GGCALLADCMOV33H,00HMOV34H,00HCALLDISPJNBP35,U_DISPJNBP36,DZY1；有“”键按下否有则跳到增加程序JNBP37,CAT1；有“”键按下否有则跳到减少程序JMPGGDZY1CALLADD；跳到启动AD转换子程序，增加输出JMPGGCAT1CALLSUB；跳到启动AD转换子程序，减少输出JMPGG；显示子程序；DISPMOVA,33HANLA,00001111BMOVP1,A；送第1位显示CALLDELAYMOVA,33HSWAPAANLA,00001111BORLA,00010000BMOVP1,A；送第2位显示CALLDELAYMOVA,34HANLA,00001111BORLA,00100000BMOVP1,A；送第3位显示CALLDELAYM