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4、电子负载摘要系统设计了一种以具有高精度的直流电子负载。其主要由单片机控制模块、电子负载模块、频率切换模块、采样模块、显示模块和电源模块构成。在这个电力电子技术、计算机技术和自动控制技术迅速发展的时代，电源检测技术产生了革命性的变化，人们对电子负载的需求越来越多，对其性能要求也越来越高。而传统的电源检测技术面临着极大的挑战。为准确检测电源的可靠性和带载能力，因此把电力电子技术和微机控制技术有机地结合起来，实现电源的可靠检测。本系统主要以pic18f4520单片机为控制核心；设计恒流方式的电子负载，当电压变化时，流过该电子负载的电流基本恒定，且电流值可设定。包括控制电路(MCU)、驱动隔离电路(P
5、WM波)、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；各个参数都能直观的在液晶屏上显示。关键词：电子负载；单片机（MCU）；数模（D/A）；模数（A/D）；PWM。目 录摘要II1电子负载的原理及概述11.1电子负载的意义11.2电子负载的工作方式11.3在本设计中要做的主要任务11.4总体方案设计22 系统硬件设计42.1电子负载设计模块方框图42.2 pic18f4520单片机的应用42.3数模与模数转换52.3.1 A/D转换62.3.2 D/A转换62.4 系统模块显示82.5电流采样92.5.1电流采样92.5.2 电压采样102.5.3 MOSFET场效应管的应
6、用102.5.4 集成运放的应用112.6 过压、短路保护133 系统软件设计133.1 程序设计概述133.2 电子负载程序设计流程图13结论18参考文献19附录1：电子负载程序设计21附录2：原理图381 电子负载的原理概述及方案确定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，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
7、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。1.1 电子负载的意义电子负载即电子负荷。凡是能够消耗能量的器件,可以广泛地称为负载。电子负载能消耗电能，使之转化成热能或其它形式的能量。静态的电子负载可以是电阻性(如功率电阻、滑线变阻器等) 、电感性、电容性。但实际应用中，负载形式就较为复杂，如动态负载，消耗功率是时间函数，或电流、电压是动态的，也可能是恒定电流、恒定电阻、恒定电压，不同峰值系数(交流情况下)，不同功率因数或瞬时短路等。电子负载就是在实际应用中负载比较复杂的情况
8、下而设计生产的测试设备。它能替代传统的负载，如电阻箱、滑线变阻器、电阻线、电感、电容等。尤其对吸收恒定电流或以恒定电压吸收电流，或电压电流都要在设定范围突变等传统方法不能解决的领域里，更能显示出优越性能。1.2恒定电流方式图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。图11 电子负载的恒定电流工作方式1.3在本设计中要做的主要任务（1） 恒流（CC）工作模式的电流设置范围为100mA1000mA ，设置分辨率为10mA，设置精度为1%。还要求CC工作模式具有开路设置，相当于设置的电流值为零。（2）
9、在恒流（CC）工作模式下，当电子负载两端电压变化10V时，要求输出电流变化的绝对值小于变化前电流值的1。（3） 具有过压保护功能，过压阈值电压为18V0.2V。1.4总体设计方案1、方案论证及比较方案一：基于手动调节的直流电子负载基于手动调节的直流电子负载的原理图如图1-2： 图1-2 手动调节的直流电子负载的原理图本方案由于电路设计的问题，对电子负载恒流恒压的控制是依靠对电阻手动调节来实现的。而单片机对电阻的调节的实现相对较为复杂，因此这里并没有采用单片机为控制核心，只是将其应用于显示模块当中。该方案采用了诸多的精密器件（如精密金属膜电阻）以获得足够高的精度，但却采用了手动调节的方式，显然是
10、得不偿失。而且高精度的器件的价格昂贵、数量稀少、不易采购。开环的控制方式不利于精度的调节和操作的简化。电路中恒流恒压部分相对独立，技术含量较低且元器件的利用率较低。同时，系统的扩展性较差也是其弊端。方案二：基于单片机的恒压恒流电路分离的电子负载基于单片机的恒压恒流电路分离的电子负载原理图如图1-3：图1-3 基于单片机的恒压恒流电路分离的电子负载原理图本方案采用了单片机控制整个系统，操作变得简单明了。但是电路中的恒压恒流部分仍然相对独立，技术含量较低。两部分电路分别受单片机的控制。电路的输出有两个。这为测量带来了不便。同时电路元件的利用率底下且电路本身规模庞大也是其弊端。 方案三：基于单片机的
11、数控直流电子负载基于单片机的数控直流电子负载的原理图如图1-4所示。图1-4 基于单片机的数控直流电子负载的原理图此方案控制核心采用pic18f4520单片机。操作时只需通过程序就能实现恒流值的调节，电流采样及显示。较好的解决了方案一因手动操作所引出的一系列弊端。方案中所采用的元器件型号比较常见且价格适中，在元件运用方面远远优于上述方案。通过电流电压采样使单片机输入到主电路PWM变化，达到题目要求。由于该方案的操作方法以及整体构架简易明了，利于电子开关的接入和控制，因此较好的实现了发挥部分关于频率方式的要求。电路中含有的运算放大器具有很大的电源电压抑制化，可以大大减小输出端的纹波电压。单片机液
12、晶屏的精确控制使得显示界面人性化。A/D对实际电压电流的反馈有利于单片机智能的对输出值进行修正，这是方案一所不具备的。同时，本方案电路简洁，控制简易。总而言之，智能化的可编程器件的充分使用使得整个系统可编程、可扩展，系统的灵活性大大增加。总体上远远优于上述两个方案。2 系统硬件设计2.1 电子负载设计模块方框图图21 电子负载设计模块方框图2.2 pic18f4520单片机性能特点一、高性能RISC CPU1、C编译器优化体系结构/指令设置；2、兼容PIC16和PIC17指令源代码；3、高达2MB的程序存储器；4、高达4KB的数据存储器；二、优越的外围功能模块特征1、最大拉/灌电流可达25mA
13、；2、3个外部中断引脚；3、4个定时器TMR0、TMR1、TMR2、TMR3；4、捕捉/比较/脉宽调制（CCP）模块/增强型CCP模块；5、两种工作方式的主同步串行通讯（MSSP）： SPI主控方式（支持所有4种SPI工作模式）； I2C主控/从动方式；6、可寻址的USART模块：支持RS-485和RS-232串口,并行从动口模式,支持中断支持位。三、高级模/数转换特性 1、10位、8通道的模/数（A/D）转换模块： 2、可利用休眠状态进行转换，以减少系统干扰、提高精度；3、模拟比较模块：可编程多路输入/输出技术；4、比较器参考电压模块；5、可编程的低电压探测模块（PLVD）：支持低电压检测时
14、产生中断；6、可编程的锁定复位（BOR）；四、特殊的单片机特性1、增强功能的FLASH可经受100,000次擦/写操作；2、EEPROM可经受1,000,000次擦/写操作；3、FLASH/数据EEPROM数据保存期可超过40年；4、软件控制自动可改编程序（在线升级）；5、上电复位电路（POR）、上电延迟定时器（PWRT）和振荡器起振定时器（OST）；6、片内RC振荡的看门狗定时器（WDT）保证可靠运行；7、低功耗睡眠模式（Sleep）；8、可选择不同的振荡器工作方式： 4锁相环（主振荡器）； 2路振荡器（32KHz）时钟输入；9、通过两个引脚可进行在线串行编程（ICSP）；10、通过2个脚在
15、线调试器。图2-2 PIC18F4520引脚图2.3 数模与模数转换方法 1:利用A/D转换器和D/A转换器来实现数模与模数转换，具有高速、低功耗、高性能，的特点，但价格昂贵，增加电路体积。方法2: pic18f4520单片机提供了定时器，也就直接提供PWM输出功能。这就能够通过单片机的PWM输出，再加上简单的外围电路及对应的软件设计，实现对PWM的信号处理，得到稳定，精确的模拟输出，以实现D/A转换，这将大大降低电子设备的成本，减小体积，并容易提高精度。综合考虑选择方法22.3.1 A/D转换一般模数转换包括采样、保持、量化和编码四个过程。采样就是将一个连续变化的信号x (t) 转换成时间上离散的采样信号x (n) 。通常采样脉冲的宽度tw 是很短的,故采样输出是断续的窄脉冲。要把一个采样输出信号数字化,需要将采样输出所得的瞬时模拟信号
