基于AVR单片机电子负载监控系统设计毕业论文

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1、湖 南 科 技 大 学毕 业 设 计（ 论 文 ）题目基于AVR单片机电子负载监控系统设计作者学院专业学号指导教师湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）任务书 机电工程学 院 测控技术与仪器 系（教研室）系（教研室）主任: （签名） 年 月 日学生姓名: 学号: 0703030122 专业: 测控技术与仪器 1 设计（论文）题目及专题： 基于AVR单片机电子负载监控系统设计 2 学生设计（论文）时间：自 2011 年 3 月 1 日开始至 2011 年 6 月 8 日止3 设计（论文）所用资源和参考资料：4 设计（论文）应完成的主要内容：5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求

2、：6 发题时间： 年 月 日指导教师： （签名）学 生： （签名）湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）指导人评语主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价指导人： （签名）年 月 日 指导人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）评阅人评语主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价评阅人： （签名）年 月 日 评阅人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）答辩记录日期： 学生： 学号： 班级：

3、题目： 提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：1 设计（论文）说明书共页2 设计（论文）图 纸共页3 指导人、评阅人评语共页毕业设计（论文）答辩委员会评语：主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价答辩委员会主任： （签名）委员： （签名）（签名）（签名）（签名） 答辩成绩： 总评成绩： 摘 要电子负载与传统的模拟电阻性负载相比具有节能、体积小、效率高等优点，在电源、通讯、汽车、蓄电池等领域得到了较好的应用，并已成为当前研究的热点。电子负载由数字控制器、检测与驱动电路、通讯电路等组成，数字控制器控制MOSFET或

4、晶体管的导通量（占空比大小），实现对电源参数的稳定控制。本设计主要包括两部分：数据采集及相关动作的下位机和实现远程监控的上位机。下位机从直流电子负载系统方案分析入手，讨论了整个系统的硬件电路和软件实现，并给出较为合理的解决方案。为便于控制的实现和功能的扩展，采用了ATMEL公司的AVR单片机ATmega88作为核心控制器，设计了控制电路、检测电路、通讯电路和驱动电路，通过软硬件的协调配合，实现了整个设计。单片机输出不同占空比的PWM波形，控制MOS管的导通和关断时间，调节流过场效应的电流。上位机使用Visual C+开发平台，实现了对电子负载老化电压、老化电流等数据的实时显示，上位机设置负载电

5、流大小，电压超限报警等功能。基于AVR单片机的电子负载监控系统实时监测输入电子负载的老化电压、老化电流，实现单个上位机监控大量下位机的功能，极大的减少了人员冗余，改善了工作人员的劳动条件，对实际生产具有指导意义。关键词：电子负载；ATmega88；PWM；监控系统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, comm

6、unication, 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

7、 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 electron

8、ic 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 controll

9、er 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 th

10、e 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

11、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 录第一章绪论11.1 研究背景11.2 研究意义21.3 电子负载研究现状21.4 本课题研究的内容3第二章电子负载系统分析52.1 电子负载系统方案52.2 硬件和软件功能的分配与协调62.2.1 软件设计62.2.2

12、系统软件和硬件联机调试62.3 工业控制及集中控制系统6第三章系统硬件设计93.1 核心处理器93.2 直流稳压电源设计133.2.1 直流稳压电源的基本原理133.2.2 三端固定式稳压器143.2.3 系统供电设计153.3 电压及电流数据采集163.4 I/O扩展193.5 PWM控制电路213.6 通信电路设计22第四章下位机软件设计244.1 下位机软件总体设计244.2 数据采集及计算254.3 PWM程序设计274.4 I2C程序设计284.5 通信程序设计354.5.1 单片机USART0口354.5.2 通信协议384.2.3 电压电流数据采集394.2.4 ADC基准电压4

13、04.2.5 通讯地址设定41第五章上位机软件设计445.1 Windows程序内部运行机制445.2 串口通信455.3 数据录入与显示界面设计465.3.1 主页面设计465.3.2 设置界面设计475.4 程序设计475.4 运行结果及分析51第六章总结55参考文献56致谢58附录A 硬件电路图59-ii-湖南科技大学本科生毕业设计（论文）第一章 绪论1.1 研究背景自第一只晶闸管问世以来，电力电子技术逐渐登上了现代电气传动技术的舞台，成为国际上竞争最激烈的高新技术领域之一。随着电力电子技术的发展，各类电力电子装置也应运而生，并且得到了越来越广泛的应用，如有源电力滤波器(APF)、不间断

14、电源(UPS)、静态无功补偿器(SVG)、交直流稳压电源、通讯电源、柴油发电机、蓄电池、车载电源等，这些产品的出厂试验，如可靠性试验(老化放电试验)、输出特性试验等场合都要用到负载测试，以考察其技术指标和性能。与这些电子产品的发展不协调的是目前国内外对这些产品的测试技术却未得到相应的发展，一般都采用传统的静态负载(如电阻、电阻箱、滑线变阻器等)能耗放电的办法进行。但它们存在如下一些缺点：(l)电阻一般采用有级调节，很难满足阻值连续变化情况以及负载形式灵活变化的要求;(2)传统的负载形式单一，实际应用中很多负载都要求是动态变化的，如消耗功率是温度、时间、频率等的函数，也可能是要求恒定电流、恒定电

15、压、恒定阻抗、不同功率因数或非线性形式的负载等。传统的静态负载模拟不了复杂的负载形式。(3)电阻功率较小，在长时间大电流试验环境下容易造成电阻老化和烧损(4)试验电能全部消耗在电阻上，造成巨大的浪费;(5)负载设备体积庞大，占用很大空间，且不容易满足大功率试验的场合(6)传统负载消耗的能量最终转化为热量，对散热造成巨大的负担。由于传统试验方式存在诸多缺点，国内外的学者一直致力于研究更好的电源试验装置，主要解决负载的灵活调节以及试验电能的回馈问题。模拟电子负载就是为了克服上述实验设备的缺点而研制的一种电力电子装置，是微机测控技术、电力电子技术和自动控制技术的综合应用。它可以实现各种试验场合的负载

16、条件，在传统的负载不能满足条件的情况下，如动态负载、非线性负载等，更能显示出其性能的优越性，对负载形式的调节可以通过软件形式来实现。它体积小、安装使用方便，能够将待测设备的输出功率无污染的反馈给电网，其损耗仅仅是PWM变流器的开关损耗和线路损耗，从而在很大程度上减少试验过程中的能量损耗，有效的降低了试验成本。由于在这过程中能量消耗很少，所以省去了庞大的散热设备，节约了安装空间，并且对于能源问题日益严峻的今天，研究模拟电子负载具有很大的经济意义，是科学发展观在科技学术问题上的指导和应用。因此，电子负载模拟装置在实验室及电源等生产过程中有很大的应用空间，其市场前景非常广阔。1.2 研究意义电力电子

17、技术是近年来发展迅速的一种高新技术，它是集电力技术、微电子技术和信息控制技术于一体的一门新学科，广泛应用于机电一体化、电气传动、新能源、航天、核电、激光、材料等领域，有专家预言，在21世纪高度发展的自动化领域内有两项重要的技术，那就是计算机技术和电力电子技术。随着半导体技术的不断发展，功率半导体开关器件性能不断提高，而功率半导体开关器件技术的进步，又促进了电力电子变流技术的迅速发展，尤其是各种电流控制技术不断出现和应用，这些成果为电力电子技术在电源测试领域的应用提供了理论和应用的基础。电源的测试，本质上就是使电源按照一定的电流进行放电。当负载恒定时，放电电流也恒定;当负载动态变化时，放电电流也

18、相应地变化。因此可以设想，如果采用电力电子变流装置作为负载对电源进行试验，精确控制电源的放电电流，那么从电源侧来看就如同对一个真实负载进行放电，从而可以模拟一个传统的自然负载。进一步而言，如果采用有效的电流控制技术，能够在大范围内控制放电电流，就能模拟各种负载，包括一些动态变化的负载、谐波负载和非线性负载，使得一个电子负载就能满足任何试验场合。再结合逆变技术，将试验能量全部无污染的回馈给电网，就能在完成对电源正常试验的同时有效地解决电能浪费问题。如果采用大功率开关器件，就能使得电子负载具有足够大的容量，完成对大功率电源的试验。另外，采用电子负载进行试验后，由于不存在大功率的耗能电阻，因此负载的

19、体积较小，可以有效节约安装空间。因此从理论上而言，采用电子负载完全可以解决采用传统负载进行电源试验时存在的各种缺点。1.3 电子负载研究现状在电源生产过程中，出厂性能测试是非常重要的一个环节。为了便于测试，一般采用的是模拟负载，而非实际负载。传统上使用静态负载(例如电阻、电阻箱、滑线变阻器等)来替代实际负载。但是由于实际负载的形式较为复杂，通常都是动态的，即负载随时间、频率在不断地变化，因此静态负载很难完全模拟实际负载。一直以来，国内外学者都在不断研究可以替代实际负载的电子模拟负载，即电子负载。在选择合适的电子模拟负载时，首先要确定模拟负载与实际负载的匹配性，即两者变化范围、变化规律及容量是否

20、能够一致，其次是验证模拟负载的控制方式是否可行。目前国内外的电子负载主要由可控的电子器件组成。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

21、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

22、快;与MOSFET相比，它的负载电流大。(4)电能反馈型电子负载电能反馈型电子负载利用电力电子变换技术将被试电源的输出能量大部分无污染地反馈回电网，节约了大部分的能源;另一方面，因为能源的节约不会产生大量的热量，所以不必使用体积庞大的电阻箱及冷却设备。由于采用的是能量反馈方式，试验场所也不必配备较大的电源容量。图1.1为这种电子负载的实验系统示意图。220V交流输出被试电源直流母线电子负载220V交流输入能量流动方向图1.1 电子负载的实验系统示意图1.4 本课题研究的内容近几年来，随着这些产品向多样化和复杂化发展，如何科学而快速地检测其性能和指标成了一大难题。将电力电子技术和微机控制技术引入

23、负载装置，不但可以实现传统静态负载的基本功能，又可以在不改动硬件情况下升级软件可实现很多种功能。本设计为基于AVR单片机的电子负载监控系统，主要实现的功能是对电子负载参数进行检测和对电子负载进行控制，使用串口与上位机通信实现人机交互。本设计包括电子负载监控系统原理图的设计，下位机软件设计，上位机软件设计三部分内容。(1) 设计任务完成电子负载监控系统原理图绘制，设计相关软件；下位机软件：根据上位机软件的命令实现自动调节老化电流，并记录相关告警记录；根据输入电压的大小自动调试内部控制电路；上位机软件：自动采集下位机输入电压、电流及设置负载电流值；(2)设计要求下位机设计：通过接收上位机软件的命令

24、指令自动调试负载电流；根据输入电压的大小自动调节内部控制电路；实时监测输入电压、电流，发现异常立即记录相关数据，并上报给后系统；恢复默认通讯地址；上位机设计：自动采集下位机输入电压、电流及设置负载电流值；设置负载电流值；设置通讯地址；设置下位机采样基准电压；-59-第二章 电子负载系统分析2.1 电子负载系统方案电子负载系统采用“AVR单片机+串口通讯+键盘操作+PWM移相控制+AD转换”结合的技术方案；集控制、检测、变换等功能于一体的设计方法。设计出最大功率为600W，电流020A，电压034V的直流电子负载。驱动电流检测被测电源A/D电压检测A/DATmega88单片机串口通信键盘运行指示

25、隔离上位机485MOS管电路PWM控制电子负载图2.1 系统总体结构图图2.1中，ATmega88单片机为核心处理器。运行指示、串口通讯和上位机实现人机交互，MOS管电路为电子负载主电路。单片机输出一定占空比的PWM控制信号，控制功率电路MOS管的导通和关断时间，来获得实际所需的工作电流、电压。电路中的检测电路为电压、电流负反馈回路，通过A/D采集到单片机，与预置值进行比较，作为单片机进一步调节PWM占空比的依据。2.2 硬件和软件功能的分配与协调电子负载系统由软、硬件共同组成。考虑到价格、工作速度、开发成本和可靠性等因素，合理地分配了硬件和软件资源，对于某些既可用硬件实现，又可用软件实现的功

26、能，在进行设计时，充分考虑了硬件和软件的特点，高效地分配其资源，协调其功能。2.2.1 软件设计电子负载的控制程序，包括以下部分：(1) 人机联系通信程序。包括上位机设置电子负载的老化电流，设置通信地址，采集电子负载的老化电压和老化电流并在上位机界面显示；(2) 数据采集和处理程序。主要是A/D转换程序，电压电流采集程序；(3) 控制程序。根据不同的老化电压输出不同的控制信号，根据上位机设置的电流大小产生占空比不同的PWM信号控制MOS管的导通和关断时间。2.2.2 系统软件和硬件联机调试(1) 软件调试方法：软件的错误只有在运行中才会完全暴露出来，因此，各个模块的软件程序分段进行调试。(2)

27、 硬件调试方法：由于设计错误和加工工艺造成的各种错线、开路、短路、接触不良等故障，以及元器件失效或性能不符合要求。首先，在断电的情况下测试线路的正确性，排除一些明显的硬件故障。然后，联机仿真调试，即除单片机外，插上所有元器件，和仿真器相连进行调试，依次对各个部件进行读、写操作，检查结果的正确性。在硬件和软件分别通过调试正常之后，进行系统联调，进一步完善和修改控制程序，记录和测试各项性能指标，直到系统正常运行。2.3 工业控制及集中控制系统在实际的环境中，考虑到系统的复杂性，需要工业控制机来集中控制。对电源的老化试验，一般是在老化房中成批量进行，电源数量大，相应的电子负载也多，如果每一台电子负载

28、都需要人来监控的话，这将耗费许多的人力，而且可能因疲劳而导致数据出错。为了避免这些问题，采用工业控制机来对电子负载集中监控。在控制系统中，要提供可靠、稳定的设备为电源的试验服务，当数台电源并联考核时，负载系统的输入电流将非常大，处理这样大的电流需要多个负载模块的并联，同时还要对每个负载模块进行实时监测，给出状态信息，并进行故障报警。工业控制机集中控制系统包括工业控制机部分、信息传输与控制部分、电力电子能量反馈系统和被测电源部分。如图2.2所示：220V 50HZDC AC被测电源2电子负载2DC ACDC AC被测电源3电子负载3DC ACDC AC被测电源11电子负载1DC ACDC AC被

29、测电源N电子负载NDC AC人机界面工业控制机图2.2 系统结构框图工业控制机部分主要完成的工作包括：控制每个电子负载模块的启动与停止，每个电源模块的状态监测，每个电子负载模块的电流值设定，整个系统的各部分状态监测，每个电子负载地址设置等。信息传输与控制部分主要完成工业控制机与各个电子负载模块之间的控制信息与参数变量信息的交换。使得工业控制机能够对实时信息进行采集、处理、做出响应，保证系统的畅通。电力电子能量反馈系统，图2.2中电子负载模块1至N所示，该系统主要包括：电力电子主电路、控制系统及控制软件。电力电子主电路是完成将被测电源输出的直流电，利用有源逆变技术变换成与工业电网并网的工频交流电

30、的能量通路。微处理器控制系统及控制软件实现对逆变电力电子电路的实时控制，完成整个系统所要求的功能，并能够通过信息传输系统与工业控制机进行数据交换。被测电源部分，在硬件连接上为简单的输入市电，输出直流电压，作为电子负载的输入。为了便于管理系统，把多个电子负载模块集中起来放在一起就形成电子负载老化架。电子负载老化架的输入来自并联的直流测试电源1至电源Nm的输出。电子负载模块输出工频的交流，实现能量反馈。每个电子负载老化架包含Nm个电子负载模块单元，这些电子负载模块单元通过现场总线上位机软件集中控制。电子负载组织框图如图2.3所示。电子负载1电子负载2电子负载N1老化架1电子负载1电子负载2电子负载

31、Nm老化架M现场总线 图2.3 电子负载组织框图第三章 系统硬件设计3.1 核心处理器电子负载监控系统的核心控制器采用Atmel公司生产的ATmega88单片机，它是基于AVR增强型RISC结构的8位CMOS工艺的微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega88的数据吞吐率高达1MIPS / MHz ，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。AVR 内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算术逻辑单元 (ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高

32、至10倍的数据吞吐率。 ATmega88有如下特点：8K字节的系统内可编程Flash（具有在编程过程中还可以读的能力，即RWW)，512字节EEPROM，1K字节SRAM ，23个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内 /外中断，可编程串行USART，面向字节的两线串行接口(TWI)，一个SPI串行端口，一个 6 路10位ADC(TQFP与 MLF封装的器件具有8路10位ADC)，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，以及五种可以通过软件选择的省电模式。空闲模式时CPU停止工作，而SRAM、T/C、USART、 两线串行接口、SPI 端口以及

33、中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡， 所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作，寄存器的内容则一直保持；省电模式时异步定时器继续运行，以允许用户维持时间基准，器件的其他部分则处于睡眠状态；ADC噪声抑制模式时CPU和所有的I/O模块停止运行，而异步定时器和ADC继续工作，以减少ADC转换时的开关噪声；Standby模式时振荡器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力。 ATmega88是以Atmel的高密度非易失性内存技术生产的。片内ISP Flash可以通过 SPI接口、通用编程器、或引导程序进行多次编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序来下载到应用

34、Flash 存储区。在更新应用 Flash 存储区时引导程序区的代码继续运行，从而实现了Flash的RWW操作。 ATmega88与传统的8051系列单片机相比，有以下几大特点：(1)哈佛结构，具备1MIPS/MHZ的高速运行处理能力；(2)超功能精简指令集（RISC），具有32个通用工作寄存器，克服了如8051 MCU采用单一ACC进行处理造成的瓶颈现象；(3)快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化了目标代码的大小、执行效率，特别适用于使用高级语言进行开发；(4)作输出时可输出40mA的电流（单一输出），作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备10mA-20mA灌电流的能力

35、；(5)片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠；(6)片上资源丰富：带EEPROM，PWM，RTC，SPI，UART，TWI，ISP，AD，Analog Comparator，WDT等；(7)宽电压工作范围，可以工作在2.7V5.5V之间；(8)功耗极低；(9)性价比高。单片机ATmega88系统的基本电路如下：图3.1 ATmega88单片机系统的基本电路图3.1中，单片机ATmega88为薄塑封四角扁平封装(TQFP)。由于ATmega88在内部已经内置了上电复位设计，并且在熔丝位设计里可以控制复位的额外时间，因此ATmega

36、88外部的复位电路在上电时可以设计的非常简单，直接接一只10K的电阻到VCC即可，如图3.1中所示的R0。为了可靠，再加上一只0.1uF的电容以消除干扰杂波，如图3.1中所示的C3。D1（1N4148）的作用有两个：作用一是将复位输入的最高电压嵌位在(VCC+0.5)V左右；另一作用是系统断电时将R0短路，让C3快速放电，以便让下一次来电时能产生有效的复位。AVR系列单片机采用低电平复位，当单片机在工作时，按下S1开关，复位引脚变为低电平，触发单片机复位。ATmega88在出厂时已经提供了由片内RC振荡器产生的8MHZ的时钟，可以通过编程熔丝位进行8分频得到1MHZ的时钟。不过，内置的毕竟是R

37、C振荡，在一些要求较高的场合，比如要与RS232通信需要比较精确的波特率时，最好使用外部的晶振。外部振荡电路的接法如图3.1所示。AVR单片机在出厂时已经编程熔丝位使用内部RC振荡器，并且进行了8分频，如果要使用外部时钟，需要重新编程熔丝位。单片机复位电路设计的好坏，直接影响到整个系统工作的可靠性。许多人在设计完单片机系统，并在实验室调试成功后，在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象，这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。对于实际的电子负载，大多数都是用来对电源做老化试验。电源的老化试验是模拟实际使用环境进行一定时间的放电，以测试电源的性能和指标。一般情况下，模拟的使用环境是比较恶劣的

38、，为保证电子负载的可靠运行，单片机系统的可靠性设计是必不可少的一个环节，因此，电子负载的单片机系统一般不采用如图3.1所示的复位电路，而是使用专用的复位芯片使单片机能够可靠复位。对于AVR系列单片机来说，用的是低电平复位，因此，可以选择Maxim公司的专用复位芯片MAX706。MAX706是一组CMOS监控电路，能够监控电源电压，电池故障和微处理器或微控制器的工作状态。将常用的功能集成到一片8引脚封装的小芯片内，与采用分立元件或单一功能芯片组合的电路相比，大大减小了系统电路的复杂性和数量，显著提高了系统的可靠性和精确度。MAX706的引脚配置如图3.2所示：图3.2 MAX706引脚配置其引脚

39、功能分别如下：l MR：手动复位输入端，当其接上一个小于0.8V的电平时就能够触发一个复位脉冲；l VCC：电源引脚，输入电压范围为4.5V5.5V；l GND：接地引脚；l PFI：掉电监测输入引脚。当输入这个引脚的电压低于1.25V时，PFO输出低电平。这个引脚可以用来监测外部电压是否低于某一阀值，只需要两个电阻分压采样外部电压即可，通过改变电阻的比值可以监测不同的阀值电压。当不使用掉电监测功能时，该引脚悬空；l PFO：掉电检测输出引脚，低电平有效；l WDI：看门狗输入引脚；l RESET：复位电平输出引脚，低电平有效；l WDO：看门狗输出引脚，当内部看门狗定时器溢出时，该引脚输出低

40、电平。MAX706提供上电复位功能。在上电期间只要VCC大于1.0V，就能保证输出电压不高于0.4V的低电平。在VCC上升期间RESET维持低电平直到电源电压升至复位门限4.4V以上。在超过此门限后，内部定时器大约再维持200mS后释放RESET，使其返回高电平。无论何时只要电源电压降到复位门限一下，RESET引脚就会变低。在掉电期间，一旦电源电压VCC降到复位门限以下，只要VCC不比1.0V还低，就能使RESET维持电压不高于0.4V的低电平。MAX706片内看门狗定时器用于监控MPU/MCU的活动。如果在1.6秒内WDI没有收到来自MPU/MCU的触发信号，并且WDI处于非高阻态，则WDO

41、输出变低。只要复位信号有效或WDI输入高阻，则看门狗定时器功能就被禁止，且保持清零和不计时状态。复位信号的产生会禁止定时器，可一旦复位信号撤销并且WDI输入端检测到短至50ns的低电平或高电平跳变，定时器将开始1.6s的计时。即WDI端的跳变会清零定时器并启动一次新的计数周期。一旦电源电压VCC降至复位门限以下，WDO端也将变低并保持低电平。只要VCC升至门限电压以上，WDO就会立即变高。使用MAX706构成的单片机复位电路如图3.3所示：图3.3 MAX706构成的单片机复位电路在图3.3中，MAX706的掉电检测功能并没有使用，所以将PFI和PFO引脚悬空。本系统使用MAX706的上电复位

42、功能和看门狗复位功能，如图3.3所示，将看门狗输出引脚WDO接到手动复位引脚输入端MR。当由于看门狗定时器溢出使得WDO引脚输出低电平时，MR引脚为低电平，从而触发MAX706输出复位脉冲。使用看门狗时，需要定期的喂狗，将单片机引脚PC0接到MAX706的WDI端，定期喂狗，否则看门狗电路认为单片机运行不正常而输出复位信号。注意，当程序在下载时，需要断开看门狗电路，即将WDO和MR断开，否则可能因复位不正常而导致芯片锁死。每一片单片机都需要有软件才能完成特定的功能。在软件设计好后，要将软件烧录到单片机的Flash中。为了烧录程序方便及考虑到以后升级的需要，需要预留程序下载接口。ATmega88

43、支持高压/并行编程和串行编程，由于高压并行编程需要连接较多的引脚和使用12V的电压，因此一般情况下都是使用ATmega88的串行编程，即ISP编程。ATmega88的ISP编程接口如图3.4所示：图3.4 ISP编程接口ISP是In System Program的缩写，意思是在系统编程。它一共使用了两条电源线：VCC、GND，三条信号线：SCK、MOSI、MISO，以及复位线：RESET，如图3.4所示。由于仅仅使用了几条数据线，所以我们亦常将其称为串行编程。3.2 直流稳压电源设计直流稳压电源是电子设备的能源电路，关系到整个电路设计稳定性和可靠性，是电路设计中非常关键的一个环节。在整个下位机

44、系统中，供电模块起着不可忽视的重要作用。它给各个模块提供“动力”，才能保证每个分块的正常工作。3.2.1 直流稳压电源的基本原理直流电源电路一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成。如图3.5所示：变压器整流电路滤波电路稳压电路UiU1U2U3Uo+RL-220V交流图3.5 直流稳压电源基本组成框图电源变压器的作用是将电网220V的交流电压变成整流电路所需的电压U1。整流电路的作用是将交流电压U1变换成脉动的直流U2，它主要有半波整流、全波整流方式，可以由整流二级管构成的整流桥堆来执行，常见的整流二级管有1N4007、1N5148等，桥堆有RS210等。滤波电路作用是将脉动直流U2滤除

45、纹波，变成纹波小的U3，常见的电路有RC滤波、KL滤波、TI型滤波等，常用的选RC滤波电路。其中他们的关系为： （3.1）其中，n为变压器的变比。 （3.2）每只二极管或桥堆所承受的最大反向电压： （3.3）对于桥式整流电路，每只二极管的平均电流： （3.4）RC滤波电路中，C的选择应适应下式，即RC放电时间常数应满足： （3.5）式中T为输入交流信号周期；R为整流滤波电路的等效负载电阻。稳压的作用是将滤波电路输出电压经稳压后，输出较平稳的电压，常见的稳压电路有三端稳压器，串联式稳压电路等。3.2.2 三端固定式稳压器国内外各厂家生产的三端（电压输入端，电压输出端，公共接地端）固定式正压稳压器

46、均命名为78系列，三端固定式负压稳压器均命名为79系列。该系列稳压器有过流、过热和调整管安全工作区保护，以防过载而损坏。其中78后面的数字代表稳压器输出的正电压数值（一般有05、06、08、09、10、12、15、18、20、24V共9种输出电压），各厂家在78系列前面冠以不同的英文字母代号。78系列稳压器最大输出电流分100mA、500mA、1.5A三种，以插入78和电压数字之间的字母来表示。插入L表示100mA、M表示500mA，如不插入字母则表示1.5A。三端固定式稳压器的基本电路如图3.6所示：图3.6 78系列三端稳压基本应用电路如图3.6所示，只要把正输入电压Ui加到7805的输入

47、端，7805的公共端接地，则输出端便能输出芯片标称正电压Uo。实际应用电路中，芯片输入端和输出端与地之间除分别接大容量滤波电容外，通常还需在芯片引出脚根部接小容量电容(0.1uF10uF)到地。3.2.3 系统供电设计在本设计中，按照系统要求，需要使用+12V和+5V两种电源。下位机中的工作电压是通过市电经过变压器后转为频率为50HZ的15V的交流电，经过整流、滤波、稳压后输出分别为12V和5V的直流电压，如图3.7，图3.8，图3.9所示：图3.7 交流整流电路图3.8 直流12V电路图3.9 直流5V电路在图3.7中，输入为220V的交流电，输出为经过整流之后的脉动直流。其中F1为保险管，

48、T1为220V-15V的工频变压器实现降压，D1为用整流二极管构成的全桥，将交流电整流成脉动直流电。图3.8中，C1为滤波电容，脉动直流有很大的谐波，因此使用电容滤除这些谐波。大电容一般体积大，且通常使用多层卷绕的方式制作，这就导致了大电容的分布电感比较大。电感对高频信号的阻抗是很大的，所以，大电容的高频性能都不好。而一些小容量电容则刚刚相反，由于容量小，因此体积可以做得很小，而且常使用平板电容的结构，这样小容量电容的分布电感就很小，它就具有了很好的高频特性，但由于容量小的缘故，对低频信号的阻抗大。所以，为了能够更好的滤除杂波，通常采用一个大电容再并上一个小电容的方式。图3.9为将12V的直流

49、电转换成5V的直流电。3.3 电压及电流数据采集A/D是检测和测量环节的重要技术手段，为了让负载准确工作在不同方式下，设计中对被测电源的输出电压输出电流进行实时采样。A/D转换器选用ATmega88自带的具有10位高精度的逐次逼近型A/D。A/D与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口A的8路单端输入电压进行采样，单端电压输入以0V为基准，A/D由单片机的AVCC引脚单独提供电源。当在A/D参考电压引脚加上5V的参考电压时，A/D转换器的采样精度可达。使用ATmega88自带的A/D转换器能够满足设计要求，简化了电路设计。采样电路包括电压采样电路和电流采样电路。从功率电路采集实际工作电压

50、和电流，反馈到单片机，实现自动调节。电压采样电路中，由于电子负载的输入电压范围比较宽，电压较高，采样前首先要进行分压设计。图3.10为电压采样电路原理图。图3.10 电压采样电路原理图在图3.10中，Vin为待检测的电压，Vout为对Vin分压后得到的输出值。Vout和Vin关系为： （3.6）电流采样电路中，首先借助采样电阻将电流信号转换为电压信号。图3.11所示为电流采样电路原理图：图3.11 电流采样电路原理图如图3.11所示，电流I在R0上会产生压降，假定运算放大器开环增益为K，则可以得到电流I和输出Vi的关系： （3.7）运算放大器的开环增益K可以参看有关生产厂家提供的资料，电阻R0

51、为毫欧级。由公式（3.7）可知，只要能够测得Vi，就可以计算出电流I。本设计中，要求能够对4路输入的电压电流信号进行检测，如果选用ATmega88的8通道模拟多路复用器来采集这输入的4路电压电流信号的话，将占用单片机的8个I/O口，这对于本就很紧张的I/O口资源来说是一种浪费。为节省单片机的I/O口资源，选择外接的8通道模拟多路复用器。本系统使用8通道模拟多路复用器CD4051。其芯片引脚配置如图3.12所示：CHANNELS IN/OUTCHANNELS IN/OUTCHANNELS IN/OUT图3.12 CD4051引脚配置CD4051是单8 通道数字控制模拟开关，有3个二进制控制输入端

52、A、B、C 和INH 输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.520V 的数字信号可控制峰峰值至20V 的模拟信号。这些开关电路在整个VDDVSS 和VDDVEE 电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当INH 输入端为高电平时，所有的通道截止。3位二进制信号选通8 通道中的某一个通道，可连接该输入端至输出。CD4051真值表如表3.1所示：表3.1 CD4051真值表输入值选择通道INHCBA00000000110010200113010040101501106011171XXX关闭所有通道完整的电压及电流采集电路如图3.13所示：图3.13 电压及电流数据采集电

53、路图3.13中，VT1VT4为各通道的电压，IT1IT4为各通道的电流，A、B、C用于控制CD4051选择某一通道。L1和C3组成LC滤波电路保证A/D转换器电源电压稳定。TL431和R1，R2构成的电路用以提供精确的A/D转换电压基准。3.4 I/O扩展单片机的I/O口始终是有限的，若所需要的I/O口较多时，单片机的I/O就不能够满足所需要求。为了解决这些问题，可以对单片机的I/O口进行扩展。本设计选择PCA9535对单片机I/O口进行扩展。PCA9535引脚配置如图3.14所示：图3.14 PCA9535引脚配置PCA9535是Philips公司生产的基于I2C接口的I/O口扩展芯片，能够

54、扩展2路8位I/O端口I/O0和I/O1，通过I2C接口受控于单片机。提供3个地址输入引脚A0、A1和A2，允许同一总线上连接8片PCA9535。PCA9535主要特性如下：l 工作电压范围为2.3V5.5V；l 提供极性翻转寄存器。它允许操作者对PCI9535输入寄存器中的数据进行翻转；l 低电平有效中断输出。当PCA9535的I/O配置为输入时，I/O引脚电平的变化将会触发PCA9535发出中断信号。I/O引脚电平回复到与原来输入寄存器值匹配或者操作者读取完输入寄存器之后，PCA9535中断信号会清除；l 低待机电流；l 内部上电复位。系统上电时，初始化引脚及内部寄存器为初始状态；l 16

55、个I/O引脚，初始化为输入；l 支持0400KHZ的时钟脉冲；PCA9535引脚说明如表3.2所示：表3.2 PCA9535引脚说明符号功能INT中断输出（开漏输出），低电平有效A2、A1、A0配置地址输入端I/O0.0I/O0.7I/O端口0VSS电源地I/O1.0I/O1.7I/O端口1SCLI2C串行时钟线SDAI2C串行数据线VDD供电端在本设计中，利用PCA9535扩展I/O口输出控制信号。电子负载设计为4路输入，需要根据4路输入电压分别输出4路控制信号，分别为VAC1VAC4，VAD1VAD4，KCM1KCM4。使用PCA9535扩展I/O口电路如图3.15所示：图3.15 扩展I

56、/O电路图在I2C协议中，为了实现“线与”功能，协议的SDA线和SCL线设计为开漏输出，只能输出低电平，不能输出高电平。I2C在使用时，SCL线和SDA线需要增加上拉电阻，如图3.15中的R28、R29所示。在初始状态下，要求VAC1VAC4输出为高，VAD1VAD4输出为高，KCM1KCM4输出为低，因此增加上拉电阻R6R13，下拉电阻R14R21。3.5 PWM控制电路由图2.1可知，单片机产生占空比不同的PWM信号控制MOS管的导通与关断时间，可以控制电子负载的输入电流。下位机响应上位机设置的电流命令是通过产生占空比不同的PWM信号，控制MOS管的导通与关断时间，从而控制电流的小。在本设

57、计中，外部电路已经提供了产生一定频率的PWM信号的功能，系统只需要输出一定大小的电压信号，就可以得到与此电压信号对应的PWM信号。一种方法可以使用DA转换器将数字信号转换为模拟信号，但由于DA转换器比较昂贵，并且一般需要占用的I/O口较多，所以本设计不采用这种方法；另一种是使用单片机的PWM功能，将单片机输出的PWM信号滤波后可以得到与之对应的电压值。ATmega88内部有3个定时/计数器，每个定时计数器都能够提供2路的PWM输出，使用这些功能可以得到6路的PWM信号，这对本设计来说已经足够。按照设计要求，本设计要求能够控制4路电子负载的电流，因此需要使用4路PWM信号。使用ATmega88内

58、部的定时/计数器T0和定时/计数器T2输出4路PWM信号。定时/计数器T0能够在单片机的第9和第10引脚分别输出PWM信号，定时/计数器T2在单片机的第1和第15引脚分别输出PWM信号。其中1路PWM控制信号电路如图3.16所示：图3.16 PWM控制信号电路图3.16中，单片机输出的PWM信号经由R46，C32，R47，C33组成的二阶低通RC滤波网络后，再经由运算放大器构成的电压跟随器输出电压信号VS4，VS4即为PWM信号的平均电压。在初始状态下，电子负载的输入电流应该为0，因此要求MOS管全部关断，即VS4电压为0。为满足这些要求，加上下拉电阻R45，使初始状态下VS4为0。3.6 通

59、信电路设计为实现远程监控，需要与上位机进行信息交换。电子负载和上位机信息传递采用RS485通讯方式，该通讯方式为半双工工作方式，信号传输为两线差分传输，最大通讯距离为1200m，最大通讯速度为10Mbps。本设计中选用的收发芯片是Maxim公司的MAX485。主要用于电子负载工作状态查询和连续运行信息上传记录。在RS485通讯中，因传输距离长，容易产生在传输线上产生各种各样的干扰，如下雨打雷天气容易在传输线上产生瞬间高压。为保护下位机，需对传输信号进行电气隔离，经常使用光电隔离的办法。图3.17为MAX485通信及隔离电路。图3.17 MAX485通信及隔离电路图3.17中，RXD接ATmega88的RXD引脚（30引脚），TXD接ATmega88的TXD引脚（31引脚），EN_485为MAX485发送器和接收器控制端，控制MAX485的发送和接受，此引脚接ATmega88的PD2引脚（32引脚）。MAX485工作为半双工模式，采用差分信号进行传输。当MAX485的A端(6引脚)大于B端(7引脚)200mV时表示高电平，A端小于B端200mV时表