关于直流电子负载的研究

摘　要：摘要：在科学技术日益发展的今天，大量的直流电源被广泛地使用在电力电子产品中，因为直流电源能否可靠运行直接关系到产品系统的安全和准确，所以要对直流电源进行出厂检验。直流电子负载在检定直流稳压电源方面相比于传统的电阻负载方式有着很强的优势，本文提出以AVR ATmega64单片机微处理器作为控制核心的一种直流电子负载设计方法，希望能为同行提供参考。

关键词：关键词：电子负载；直流；工作模式

中图分类号：TP601    文献标识码：A     文章编号：

    前言

    负载检测是电源、通信、蓄电池、能源等领域的重要环节。传统的测试电源负载常将电阻、电感、电容等进行串并联组合来模拟实际负载情况，这种方法的缺点是负载形式单一，负载大小不能进行连续调节，且占用较大的安装空间，电能损耗量大。直流电子负载利用功率场效应管、绝缘栅双极型晶体管( I G B T ) 等功率半导体电子元件吸收电能并将电能消耗掉，实现了负载参数可调的功能，并具有很高的精度和稳定性，在测试电源设备方面得到了广泛的应用。

    1. 系统组成和几种工作模式的原理

    如下图所示，系统以AVR ATmega64单片机微处理器作为控制核心，外围配置有检测电路、检测显示设备、键盘输入控制设备、功率控制单元等组成。
 
    该系统的键盘控制输入部分可以根据检测需要设定参数，选择是恒流、恒压、恒阻或者是恒功率等工作模式。其中恒流模式是通过键盘编程设置电流值，使得流过电子负载的电流保持恒定不变，不随电压的变化而变化。系统工作于恒压模式时，流入电子负载的电流依据所设定的负载电压而定，此时负载电流将会增加，直到负载电压等于设定值为止，在此之后，电子负载的电压保持不变。恒阻模式，这种模式下，流入电子负载的电流依据键盘输入的电阻值和电压值大小来确定，此时的电子负载就相当于一个固定电阻，流过电子负载的电流与输入电压成正比，比值为键盘设定的电阻值，保持不变。在恒功率模式下，流过电子负载的负载电流依据键盘所设定的负载功率的大小而定，此时负载电流与输入电压乘积等于负载功率的设定值，即负载功率保持设定值不变。

    2. 系统硬件设计

    该系统的硬件设计采用的技术方案为“PIC单片机处理器控制核心+电力电子功率器件+通信监控”。系统设计除了AVR ATmega64单片机控制模块的设计外还有采样电路的设计、显示模块的设计、键盘输入电路的设计、电源电路的设计、保护电路的设计以及通信电路的设计，各模块分别设计，然后连接组合，使得系统运行稳定，易于检查维修与升级。下面对几个重要模块的设计做一介绍：
    2.1  A/D采样电路
    在系统的检查和测量环节中，需要使负载准确地工作在不同的模式下，这时在设计时就要对电源的输出电压和MOS管的电流进行实时采样。采样过程电路需要使得电子负载的输入电压与A/D采样端的输入电压信号一致，这就需要先进行分压设计。设计时首先将采样电路进行分压，用采样电阻将电流信号转换为电压信号，然后再进行档位切换，经过积分运算后用ATmega64自带的具有10位精度的逐次逼近型A／D对采样电压信号进行A/D采集。这样的设计既可满足采样要求，又可以简化电路。
    2.2 键盘编程电路
    系统的键盘编程电路可以设计5个按键来供工作人员操作。这5个按键分别为“恒流模式”、“恒压模式”、“恒阻模式”、“恒功率模式”、“OK”、“右移”、“+”、“—”。
    开机进入系统后首先按键从四种模式中选择一种，然后点击“OK”，系统自动进入参数设置界面，然后用“右移”键将光标停留在需要设置的参数上面，再用“+”或“—”按键进行参数设定，设定完成后按下“OK”，系统就退出设定状态，自动进入工作状态。系统的键盘编程电路设计方便了工作人员对系统的调节控制。
    2.3 显示模块
    本系统选用的显示模块为LCD，型号为 NHDC12864MZ-NSW-BTW，这款LCD可以显示汉字，字符和图形，还可以实现屏幕的滚动和翻页，具有功耗低、体积小、易编程操作的优点。在编程设计时应先对显示区域进行规划，然后再进行编程驱动。本系统中采用分页显示的思路，将显示界面分为三页进行设计，即模式界面、参数设置界面和测量结果显示界面。这种设计方法不但轻松地实现了显示功能，还具有可以与按键同步、调试简单的优点。
    2.4 通信模块
    为了在系统运行时可以在上位机上进行实时监测，需要将电子负载和电脑连接起来。该系统在信息传递时采用RS485串行通信方式，RS485为半双工通信方式，具有可长距离传输信号（可达1200m）、多站传输、抗噪声干扰强等优点。系统选用美信公司的MAX485收发芯片，将芯片的R1OUT引脚和T1IN引脚与ATmega64的RXD引脚和TXD引脚相连，将传输过来的数据用于上位机电子负载工作曲线的绘制和系统运行状态监测。

    3. 系统软件设计

    在系统的软件设计中，将采集回来的电压数据和电流数据经AVR ATmega64单片机的A/D转换接口进入微处理器，再与预先设定的数值进行比较，最后按照键盘输入的功率进行控制，将参数显示到LCD12864显示模块上，并将数据通过串口发送到上位机进行实时监测。
    系统程序中设定了四个工作模式的数据采集函数集、LCD12864显示函数集、串口发送数据函数集和中断服务函数等，供主函数的调用。主程序开始执行时先对数据采集模块、LCD显示模块、A/D采集模块、通信模块等各个模块进行初始化，然后再依据选择顺序执行，以下为主程序的流程图，可以清晰、有条理地理清系统运行流程。
 

    4. 上位机监控系统

    系统的上位机监控系统在设计时可采用功能强大又易于操作的VB语言，用MSComm控件设计了串口通信程序，采集由下位机ATmega64发送来的数据，并将数据用于实时监控界面图表的绘制，便于工作人员进行调整。
 
    5. 结语

    本文系统以AVR ATmega64单片机为控制核心，给出了可以在恒流、恒压、恒阻和恒功率四种工作模式下工作的多功能直流电子负载设计方案。系统可以实现对被测直流电源和一些功率电子元器件的特性进行测试，希望能为电子负载的设计人员提供参考。

参考文献：

李卫华，谢珩．关于电子模拟负载研究现状的探讨【J】．新余高专学报，2005，10(2)：47-49．

 

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