直流電子負(fù)載

直流電子負(fù)載目錄摘要 3Abstract 41.緒論 51.1研究背景及意義 51.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 62.相關(guān)理論概述 72.1相關(guān)定義 72.1.1負(fù)載的定義 72.1.2電子負(fù)載的定義 72.1.3直流電子負(fù)載定義 82.2電子負(fù)載的功能簡(jiǎn)介 82.3電子負(fù)載硬件結(jié)構(gòu) 92.4直流電子負(fù)載的工作模式 103.直流電子負(fù)載電路設(shè)計(jì) 113.1單片機(jī)控制器 113.2D/A與A/D轉(zhuǎn)換模塊 123.3電子負(fù)載與信號(hào)采樣電路 133.4電源電路設(shè)計(jì) 143.5電子負(fù)載系統(tǒng)PCB設(shè)計(jì) 154.系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì) 174.1電子負(fù)載系統(tǒng)的控制程序 174.2主程序流程圖 184.3電壓電流A/D采樣程序設(shè)計(jì) 194.4液晶顯示子程序 204.5鍵盤程序設(shè)計(jì) 215.系統(tǒng)測(cè)試 235.1硬件調(diào)試 235.2軟件調(diào)試 245.3調(diào)試結(jié)果分析 25總結(jié) 26參考文獻(xiàn) 27致謝 29

摘要電源產(chǎn)業(yè)向著多樣化和復(fù)雜化發(fā)展，中小功率的直流電源被廣泛使用于工業(yè)、科研以及生活中的各種場(chǎng)合，這就為用于測(cè)試電源的電子負(fù)載設(shè)備提出了更高的要求。電子負(fù)載設(shè)備的優(yōu)劣主要體現(xiàn)在測(cè)量精度的高低，測(cè)量項(xiàng)目的完備性以及負(fù)載特性的豐富性三個(gè)方面。本論文在充分調(diào)研和查閱相關(guān)技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，提出了直流電子負(fù)載總體設(shè)計(jì)方案，論文詳細(xì)分析探討了電子負(fù)載控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：電子負(fù)載；單片機(jī)；恒流型；恒壓型；恒阻型

AbstractPowerindustrytowardsthedirectionofdiversificationandcomplication,onvariousoccasionsofsmallpowerDCpowersupplyiswidelyusedinindustry,scientificresearchandlife,whichisusedtotestthepowerelectronicloadequipmentputforwardhigherrequirements.Electronicloaddeviceperformanceismainlyreflectedinthemeasurementprecisionandcompletenessofmeasurementprojectandloadcharacteristicsofthethreeaspectsoftherich.Basedonthesurveyoftherelatedtechnologyandaccesstoinformation,putforwardtheoveralldesignschemeofDCelectronicload,thispaperdiscussestheelectronicloadofhardwarecircuitandsoftwarecontrolsystem.Keywords:electronicload;singlechipmicrocomputer;constantcurrentconstantvoltageconstantresistance;;

1.緒論1.1研究背景及意義電源的損壞將直接造成應(yīng)用機(jī)器停止正常工作，進(jìn)而影響生產(chǎn)、生活的正常運(yùn)作，帶來(lái)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的巨大損失。正因?yàn)殡娫丛O(shè)備的重要性，各種電源產(chǎn)品在出廠前都要進(jìn)行十幾甚至幾十個(gè)小時(shí)的試驗(yàn)。如可靠性試驗(yàn)（老化放電試驗(yàn)）、輸出特性試驗(yàn)等，以考驗(yàn)其技術(shù)指標(biāo)和性能。傳統(tǒng)的電源試驗(yàn)方法存在著如下很多缺陷：（1）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。（2）試驗(yàn)的電能全部消耗在電阻上，造成能源的巨大浪費(fèi)，且電能轉(zhuǎn)化成熱能還需要對(duì)負(fù)載進(jìn)行散熱措施，既不節(jié)能也不環(huán)保。（3）負(fù)載只能采用有級(jí)調(diào)節(jié)，具有固定阻值或固定負(fù)載特性曲線，很難適應(yīng)連續(xù)變化或阻值取值點(diǎn)較密的試驗(yàn)場(chǎng)合。（4）負(fù)載體積龐大，需要很大的占地面積。另外在蓄電池的放電測(cè)試中，隨著蓄電池端電壓的變化，放電電流不能保持恒定，因此對(duì)蓄電池的測(cè)量存在較大誤差。這都需要新的測(cè)試負(fù)載以解決上述問(wèn)題。直流電子負(fù)載是利用微機(jī)控制技術(shù)為核心設(shè)計(jì)出的智能化負(fù)載。它可以模擬各種不同類型的負(fù)載，包括傳統(tǒng)的電阻、電感、電容及其組合負(fù)載，還能模擬恒流、恒壓、恒阻負(fù)載等；從而解決了傳統(tǒng)負(fù)載的問(wèn)題。1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀直流電子負(fù)載顧名思義是對(duì)直流電源的電子負(fù)載測(cè)試。在本質(zhì)上，電源的測(cè)試是按一定的電流放電電源。隨著負(fù)載的變化的放電電流，在恒定電流放電負(fù)載是固定的，當(dāng)負(fù)載是動(dòng)態(tài)的，隨放電電流的動(dòng)態(tài)變化和相應(yīng)的。電子負(fù)載和電力電子技術(shù)的發(fā)展是分不開的，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子負(fù)載經(jīng)歷了從電源的電源從直流到交流，影響晶體管的絕緣柵雙極晶體管型晶體管和場(chǎng)，從能源消費(fèi)型電子負(fù)載的能量回饋型電子負(fù)載發(fā)展。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源短缺，能源的成本也高，能量回饋型電子負(fù)載已成為目前研究的主要方向。近年來(lái)，直流電子負(fù)載的研究也受到了國(guó)內(nèi)學(xué)者及企業(yè)的廣泛重視。例如，北方交通大學(xué)提出的第一級(jí)采用ZVZCS（零電壓零電流軟開關(guān)直流/直流轉(zhuǎn)換器），從而降低了開關(guān)損耗和電磁干擾。此外，浙江大學(xué)，西南交通大學(xué)，中南大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，山東大學(xué)的學(xué)者，也進(jìn)行了直流電子負(fù)載的相關(guān)研究。目前，該產(chǎn)品適用于各種直流電子負(fù)載的直流電源的測(cè)試也層出不窮，如美國(guó)安捷倫(Aligent)、艾德克斯(ITECH)，中國(guó)費(fèi)思(Faith)、臺(tái)灣中茂(chroma)、臺(tái)灣博計(jì)、陽(yáng)光電源等公司的電子負(fù)載產(chǎn)品。2.相關(guān)理論概述2.1相關(guān)定義2.1.1負(fù)載的定義在電路中，負(fù)載是用來(lái)吸收電源能量輸出裝置，電源輸出電能量吸收和轉(zhuǎn)換成其他形式的能量存儲(chǔ)或消耗。如電爐將電能轉(zhuǎn)化為熱能；燈將光能轉(zhuǎn)化為電能；蓄電池的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能量；電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能。這些都是真實(shí)的表達(dá)力。有許多種類的負(fù)載，但根據(jù)電路的特點(diǎn)可分為阻性負(fù)載，感性負(fù)載，容性負(fù)載和組合荷載。在實(shí)驗(yàn)室中，我們通常采用串、并聯(lián)電阻，電容，電感，或他們的組合，作為負(fù)載，模擬真實(shí)負(fù)載。進(jìn)行電源設(shè)備的性能實(shí)驗(yàn)。2.1.2電子負(fù)載的定義電子負(fù)載是電子元件的吸收能量的使用和負(fù)載消耗。這是功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電子元件（PowerMOS），絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的功率半導(dǎo)體器件。隨著電力半導(dǎo)體器件的載體來(lái)代替電阻功耗等，使調(diào)節(jié)和控制易于實(shí)現(xiàn)的負(fù)載，可以達(dá)到較高的控制精度和穩(wěn)定性。同時(shí)，通過(guò)一個(gè)靈活的方式控制調(diào)節(jié)，不僅可以用來(lái)模擬實(shí)際負(fù)載，還可以模擬一些特殊的負(fù)荷曲線，動(dòng)態(tài)和供電設(shè)備的瞬態(tài)特性試驗(yàn)。這是不可實(shí)現(xiàn)的負(fù)載電阻等形式。2.1.3直流電子負(fù)載定義直流電子負(fù)載是利用電力半導(dǎo)體器件，進(jìn)入了電子負(fù)載的電能轉(zhuǎn)化為熱能并傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，模擬真實(shí)負(fù)載埠，恒壓模式，恒定電流模式，恒定電阻模型，負(fù)荷模型和動(dòng)態(tài)功耗模型，根據(jù)其應(yīng)用特點(diǎn)，集電流模式，恒定電阻模式是所有直流電子負(fù)載的基本模式。2.2電子負(fù)載的功能簡(jiǎn)介電子負(fù)載儀器功能指本文遠(yuǎn)控軟件設(shè)計(jì)配套的電子負(fù)載儀器具備的基本功能與擴(kuò)展功能。可將功能劃分為以下幾塊:模式切換及其帶載功能、儀器配置及參數(shù)修改功能、儀器保護(hù)功能、自動(dòng)測(cè)試功能、遠(yuǎn)控功能。模式切換及帶載功能是電子負(fù)載最基本功能。它主要用作保證每個(gè)模式都能實(shí)現(xiàn)電子負(fù)載的帶載測(cè)試，能處理測(cè)試結(jié)果并顯示到界面(LCD顯示器)上。模式可分為恒流(CC)模式、恒壓(CV)模式、恒功率(CP)模式、恒阻(CR)模式、LED模式、短路(SC)模式、動(dòng)態(tài)(DYN)模式、DLY模式。儀器配置及參數(shù)修改功能分為幾個(gè)部分。修改配置信息是對(duì)儀器工作狀態(tài)修改，該部分影響儀器內(nèi)部工作狀態(tài)與門限保護(hù)相關(guān)操作等功能。修改參數(shù)用作對(duì)不同模式，基本帶載參數(shù)設(shè)置及門限保護(hù)相關(guān)參數(shù)設(shè)置。儀器保護(hù)功能分為門限保護(hù)與儀器本身的內(nèi)部保護(hù)功能。內(nèi)部保護(hù)是對(duì)電子負(fù)載的保護(hù)，可用于防止過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)功率、過(guò)溫、反接等異常狀態(tài)對(duì)電子負(fù)載的損壞。該保護(hù)參數(shù)為固定值，不允許用戶修改，任何情況下出現(xiàn)以上幾種情況都要關(guān)閉負(fù)載。門限保護(hù)功能是面向用戶的保護(hù)功能，它允許用戶設(shè)置門限值，該狀態(tài)下需開啟了門限操作才有效，其中存在部分特殊功能，如OCP開啟當(dāng)功率超門限時(shí)儀器執(zhí)行的操作與儀器出現(xiàn)內(nèi)部保護(hù)需執(zhí)行操作一致。自動(dòng)測(cè)試功能為電子負(fù)載擴(kuò)展功能，但本文對(duì)應(yīng)的儀器中，提供自動(dòng)測(cè)試支持。它指用戶編輯一系列步驟，每個(gè)步驟有相應(yīng)參數(shù)、模式、配置及持續(xù)時(shí)間。它也滿足儀器保護(hù)功能，儀器內(nèi)部保護(hù)執(zhí)行的同時(shí)需結(jié)束自動(dòng)測(cè)試，但出現(xiàn)門限保護(hù)時(shí)可以設(shè)置是結(jié)束自動(dòng)測(cè)試還是繼續(xù)執(zhí)行下一步。該功能主要是方便用戶測(cè)試。遠(yuǎn)控功能指用運(yùn)行在PC上的遠(yuǎn)控軟件對(duì)儀器進(jìn)行全面控制，遠(yuǎn)控模式下儀器的前面板的按鍵完全失效(儀器開關(guān)復(fù)位等按鍵保持有效)。遠(yuǎn)控模式應(yīng)該完全模擬儀器操作，并把以上功能以遠(yuǎn)控軟件特有的方式表示出來(lái)。遠(yuǎn)控功能不僅僅模擬儀器本身功能，還有利用儀器己有功能完成遠(yuǎn)控軟件特有功能。2.3電子負(fù)載硬件結(jié)構(gòu)硬件主要分為主板、前面板、電源電路。其中主板包括遠(yuǎn)程接口單元、MCU控制單元等。本文遠(yuǎn)控軟件設(shè)計(jì)主要關(guān)注遠(yuǎn)程接口單元與前面板兩個(gè)模塊，以及MCU中軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。本文主要關(guān)注前面板中鍵盤、LCD顯示器、LED顯示器，它們是儀器下位機(jī)軟件(MCU中程序)功能的體現(xiàn)，是本文人機(jī)界面模塊設(shè)計(jì)的參照物，遠(yuǎn)控軟件中界面控制基本功能對(duì)應(yīng)該部分鍵盤操作(如設(shè)置參數(shù)、帶載等)，遠(yuǎn)控軟件中顯示功能對(duì)應(yīng)LCD顯示(如當(dāng)前測(cè)試結(jié)果顯示)與LED指示器(如帶載指示)的顯示。MCU中軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是下位機(jī)存在的參數(shù)、配置、狀態(tài)等信息及其存在的固定格式，由于遠(yuǎn)控軟件數(shù)據(jù)格式與數(shù)據(jù)處理較為靈活自由，所以對(duì)該部分的分析是通訊功能協(xié)議解析設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。遠(yuǎn)程接口單元分為RS232和SPI。其中SPI是電子負(fù)載儀器作為自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)從設(shè)備時(shí)使用，該部分與本文無(wú)關(guān)。本文的遠(yuǎn)控軟件通過(guò)RS232控制儀器。遠(yuǎn)控軟件在PC/工控機(jī)上執(zhí)行，通過(guò)RS232與下位機(jī)軟件交互。本文關(guān)注RS232的9個(gè)接口中的數(shù)據(jù)發(fā)送、接收與地線3個(gè)接口，要求只要存在這三者遠(yuǎn)控即可進(jìn)行，其余接口是否存在對(duì)通訊無(wú)影響。協(xié)議中規(guī)定MCU與RS232通訊使用的波特率為96008位無(wú)奇偶校驗(yàn)位，按字節(jié)異步傳輸?shù)姆绞?，遠(yuǎn)控軟件與之對(duì)應(yīng)，通訊參數(shù)也需要設(shè)為該值。2.4直流電子負(fù)載的工作模式直流電子負(fù)載是最基本的工作方式為恒流模式和恒阻模式。這兩種在一般的電子負(fù)載模式，主要用于電壓源測(cè)試和老化。恒壓模式主要用于電源和電池充電器測(cè)試。恒功率模式檢測(cè)主要應(yīng)用于電池的容量。動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型，負(fù)荷值不是恒定的，而是隨時(shí)間變化。在電源和電力電子器件的動(dòng)態(tài)和瞬態(tài)特性試驗(yàn)。由于動(dòng)態(tài)負(fù)載需要的電子負(fù)載的變化實(shí)時(shí)調(diào)整，更高檔的負(fù)載的函數(shù)。1.定電流模式(CCmode)在電子負(fù)載電流的恒定電流模式，負(fù)載電流對(duì)設(shè)定值的流入的基礎(chǔ)和保持恒定的，獨(dú)立的輸入電壓或負(fù)載電流的大小，以保持恒定不變的攝動(dòng)。2.定電阻模式(CRmode)在恒阻模式，在設(shè)定的負(fù)載電阻的流入和取決于負(fù)載電流的大小與輸入電壓的基礎(chǔ)上的電子負(fù)載的電流，陽(yáng)性率，負(fù)載電阻比設(shè)置，負(fù)荷阻力保持在設(shè)定值。3.定電壓模式(CVmode)在恒定電壓模式，電壓和負(fù)載電流的電子負(fù)載的基于集合的流入，負(fù)載電流將增加，直到負(fù)載電壓等于設(shè)定值的比值，即負(fù)載電壓保持設(shè)定值。4.定功率模式(CPmode)在恒功率模式，在設(shè)置的基礎(chǔ)上的電子負(fù)載功率流入負(fù)載的電流取決于產(chǎn)品，負(fù)載電流和輸入電壓等于負(fù)載功率設(shè)定值，負(fù)荷功率維持定值。。5.動(dòng)態(tài)負(fù)載模式動(dòng)態(tài)負(fù)載時(shí)，共有六個(gè)設(shè)定參數(shù)來(lái)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)負(fù)載的電流波形，分別是高/低負(fù)載準(zhǔn)位，上升/下降負(fù)載電流斜率，高/低準(zhǔn)位負(fù)載周期。3.直流電子負(fù)載電路設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)控制器采用51系列單片機(jī)擔(dān)任控制器。單片機(jī)的鍵盤，LCD液晶顯示，串行EEPR()M、集成溫度傳感器DS18B20，時(shí)鐘芯片DS1302。圖1所示電路，鍵盤模塊與單片機(jī)P2口，圖中不畫。8051系列單片機(jī)采用宏晶STC12C5A60S2。圖1.單片機(jī)控制電路3.2D/A與A/D轉(zhuǎn)換模塊（1）D/A轉(zhuǎn)換模塊C8051F020內(nèi)部含有兩個(gè)12位電壓方式數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)[38]。每個(gè)DAC的輸出擺幅均為0V，對(duì)應(yīng)輸入碼的范圍是0x000至0xFFF?？梢允褂脤?duì)應(yīng)的控制器DAC0CN和DAC1CN允許禁止DAC0和DAC1。當(dāng)被禁止時(shí)，DAC的輸出保持在高祖狀態(tài)，DAC的供電電流降到1A。DAC的電壓基準(zhǔn)由VREFD引腳提供。（2）A/D轉(zhuǎn)換模塊C8051F020的ADC0子系統(tǒng)包括一個(gè)9通到的可編程模擬多路選擇器（AMUX0），一個(gè)可編程增益放大器（PGA）和一個(gè)100ksps、12位分辨率的逐次逼近寄存器ADC，ADC中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測(cè)器（見原理框圖），AMUX0、PGA0數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式及窗口檢測(cè)器都可以用軟件通過(guò)圖所示的特殊功能寄存器來(lái)控制。AD0所使用的電壓基準(zhǔn)按“9.電壓基準(zhǔn)(C8051F020)”或“10.電壓基準(zhǔn)（C8051F020）”所述選擇。只有當(dāng)ADC0控制寄存器中的AD0EN位置‘1’時(shí)，ADC0子系統(tǒng)（ADC0、跟蹤保持器和PGA0）才被允許工作。當(dāng)AD0EN位為‘0’時(shí)，ADC0子系統(tǒng)處于低功耗的關(guān)斷狀態(tài)。3.3電子負(fù)載與信號(hào)采樣電路因?yàn)閱纹瑱C(jī)C8051F020內(nèi)部集成了8個(gè)通道的12位A/D，因此可以直接用單片的A/D進(jìn)行電壓采集[30]。然而，C8051F020單片機(jī)的A/D采集輸入的電壓基準(zhǔn)VREF=2.4V，而要采集電壓的范圍為0~15V，所以需要把蓄電池兩端的電壓線性縮小到0~2.4。為了提高電壓測(cè)量的精度，可分為0~5V、0~10V、0~20V三個(gè)擋進(jìn)行測(cè)量，電壓測(cè)量電路如圖2所示。電壓測(cè)量電路采用的是5個(gè)采樣電阻串聯(lián)的工作方式，根據(jù)KVL原理進(jìn)行分檔，可保證每個(gè)分檔輸入到單片機(jī)A/D端口的最大電壓為2V左右。具體電壓測(cè)量工作過(guò)程：當(dāng)被測(cè)電壓在10~20V時(shí)，S7閉合，這時(shí)電壓量程為0~20V，單片機(jī)調(diào)用0~20V電壓的A/D采集子程序；當(dāng)被測(cè)電壓在5~10V時(shí)，S6閉合，這時(shí)電壓測(cè)量量程為0?10V，單片機(jī)調(diào)用該量程的A/D采集子程序；當(dāng)被測(cè)電壓在0~5V的時(shí)候，S5閉合，這時(shí)電壓測(cè)量量程為0~5V，單片機(jī)調(diào)用該量程的A/D采集子程序。圖2.電壓測(cè)量電路3.4電源電路設(shè)計(jì)單片機(jī)電源設(shè)計(jì)包含3個(gè)方面的內(nèi)容：一是電源功耗，二是電源電壓，三是電源管理。電源電壓的設(shè)計(jì)主要針對(duì)系統(tǒng)需求的不同電壓進(jìn)行的電源分配，在電子負(fù)載系統(tǒng)中，C8051F020單片機(jī)的工作電壓是2.7~3.6V；運(yùn)放和其它元器件也可以工作在0~24V電壓下，A/D、D/A轉(zhuǎn)換芯片可以工作在5V電壓下。本電路設(shè)計(jì)中利用HCPL－78XX、79XX系列的3端正穩(wěn)壓電路和具有良好熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源TL431實(shí)現(xiàn)整個(gè)電源電路的設(shè)計(jì)。HCPL－78XX系列為3端正穩(wěn)壓電路，內(nèi)部含過(guò)流、過(guò)熱和過(guò)載保護(hù)電路。帶散熱片時(shí)，輸出電流可達(dá)1A。具有過(guò)熱保護(hù)；短路保護(hù)；輸出晶體管SOA保護(hù)。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。圖3.電源電路原理圖如圖3所示為電源電路原理圖。電源電路利用78XX系列集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路，利用串聯(lián)輸出不同的電壓，供電路各個(gè)部分工作。經(jīng)過(guò)220V交流電降壓后通過(guò)整流橋的作用，之后通過(guò)LM7915輸出+15V和通過(guò)LM7812輸出-12V的直流電壓供給運(yùn)放工作，再通過(guò)AS1117輸出+3.3V的直流電壓供給單片機(jī)A/D、D/A芯片工作。C6、C13、C14為濾波電容，C11、C12、C13、C14、C15、C16為分別輸入端和輸出端濾波電容。3.5電子負(fù)載系統(tǒng)PCB設(shè)計(jì)電路板設(shè)計(jì)過(guò)程中遵循了如下原則:(l)地線設(shè)計(jì)：在電子系統(tǒng)中有5種地線:模擬地、數(shù)字地、安全地(又稱機(jī)殼地)、系統(tǒng)地和交流地。這是接地的目的有兩點(diǎn)：一是設(shè)備和人身安全，二是為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)返回到地，因?yàn)閿?shù)字信號(hào)變化速度快，從而在數(shù)字地面的噪音會(huì)很大，而模擬信號(hào)是需要在一個(gè)干凈的參考咨詢工作。如果模擬和數(shù)字混合在一起，噪聲會(huì)影響模擬信號(hào)。高速邏輯電路的電子負(fù)載電路板，和一個(gè)線性模擬電路，使它們盡量分開。該回路電阻流過(guò)接地可能有幾百毫伏電流引起的測(cè)量誤差的去除，除了地面大容量增加了終端區(qū)。對(duì)于MOS管主電路與單片機(jī)控制電路之間通過(guò)光禍HCPL-4504進(jìn)行了隔離。(2)元件布局：在電路板元件布局，如合理分區(qū)，強(qiáng)與弱信號(hào)，數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的相互依存的元素，應(yīng)該關(guān)閉。例如，時(shí)鐘發(fā)生器，振蕩器，CPU時(shí)鐘輸入是容易產(chǎn)生噪音，你應(yīng)該把它們放在更近的地方；高功率器件MOS電路板的邊緣。模擬電壓輸入線，參考電壓端盡可能從數(shù)字電路信號(hào)線，特別是時(shí)鐘。線對(duì)噪聲不敏感和高電流。高速開關(guān)線平行，高速線要短而直，避免90度線布線，降低高頻噪聲排放。在所有的并行信號(hào)線盡量大的差距離開，為了減少串?dāng)_，如果兩個(gè)接近最佳的信號(hào)線，在兩線接地，它可以起到屏蔽作用。(3)安裝去耦電容：印刷電路板走線。引腳連線和接線等都可能含有較大的電感效應(yīng)。大的電感可能會(huì)在VCC走線上引起嚴(yán)重的開關(guān)噪聲尖峰。為了防止VCC走線上有開關(guān)噪聲尖峰，在VCC與電源地之間都安放了一個(gè)0.1uf的電子去耦電容。4.系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)4.1電子負(fù)載系統(tǒng)的控制程序(1)人-機(jī)聯(lián)系程序：按鍵信息輸入程序和液晶顯示輸出程序等。(2)數(shù)據(jù)采集和處理程序：A/D轉(zhuǎn)換程序、D/A轉(zhuǎn)換程序、電壓電流采集程序。本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)都是采用Keil開發(fā)軟件，C語(yǔ)言程序。C語(yǔ)言較方便，通俗易懂。而且本系統(tǒng)采用的是模塊化編程思路，使得程序更具有移植性和可讀性。KeiluVision3集成開發(fā)環(huán)境是KeilSoftware開發(fā)的基于80C51內(nèi)核的微型處理器軟件開發(fā)平臺(tái)，多個(gè)嵌入式與當(dāng)前的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)工具行?？梢詮捻?xiàng)目，編制管理，編譯和鏈接，目標(biāo)代碼生成，軟件仿真和硬件仿真完整的開發(fā)過(guò)程。特別是，C編譯工具生成的代碼的效率和精度方面達(dá)到了較高的水平，而且還可以控制額外的靈活性，在大型項(xiàng)目的發(fā)展理想。Keil軟件開發(fā)的流程：（1）建立工程。（2）為工程選擇目標(biāo)器件。（3）設(shè)置工程的配置參數(shù)。（4）打開/建立程序文件。（5）編譯和鏈接工程。（6）糾正程序中的書寫和語(yǔ)法錯(cuò)誤并重新編譯連接。（7）對(duì)程序中某些純軟件的部分使用軟件仿真驗(yàn)證。（8）使用TKS硬件仿真器對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行硬件仿真。4.2主程序流程圖圖4.主程序流程圖主程序軟件流程如圖4所示，在圖4中軟件首先進(jìn)行D/A、A/D、LCD液晶顯示、控制變量初始化，再調(diào)用鍵盤掃描處理程序，在沒(méi)有按下自動(dòng)調(diào)節(jié)啟動(dòng)停止按鍵時(shí)，默認(rèn)為功能設(shè)置，此時(shí)單片機(jī)只預(yù)置數(shù)據(jù)輸入、按鍵查詢、預(yù)置數(shù)據(jù)LCD顯示等功能；而當(dāng)按下該按鍵1次后，單片機(jī)將轉(zhuǎn)為執(zhí)行負(fù)載調(diào)節(jié)、A/D采集、實(shí)際數(shù)據(jù)LCD顯示等功能。4.3電壓電流A/D采樣程序設(shè)計(jì)圖5.電壓電流采樣流程圖如圖5所示為電壓電流采樣流程圖，先復(fù)位時(shí)序成功后，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換口，再送十個(gè)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行串行采樣，當(dāng)?shù)谑畟€(gè)時(shí)鐘信號(hào)下降沿到來(lái)時(shí)，判斷A/D轉(zhuǎn)化是否完成，若采樣完成，將模擬輸入量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，送往顯示，測(cè)出電壓值、實(shí)際電流值和功率值。復(fù)位時(shí)序成功后，即可進(jìn)入采樣，采樣后在經(jīng)過(guò)處理。對(duì)于電流的檢測(cè)將電流轉(zhuǎn)化為電壓進(jìn)行檢測(cè)，然后ADC轉(zhuǎn)換過(guò)程中轉(zhuǎn)化回電流，最后送往液晶顯示出來(lái)。檢流電阻選用的是100W，0.25歐姆的功率電阻。4.4液晶顯示子程序圖6.液晶顯示子程序如圖6所示為液晶顯示子程序流程圖，液晶顯示屏體積不大，當(dāng)對(duì)其初始化及復(fù)位成功后就可調(diào)用相應(yīng)的顯示子程序?qū)σ@示的內(nèi)容進(jìn)行顯示。顯示的內(nèi)容可以采用取模軟件取出數(shù)組，將對(duì)應(yīng)的點(diǎn)顯示出，最終組合顯示出需要的字體或數(shù)字。液晶控制程序符合SPI協(xié)議。SPI是一個(gè)全雙工同步串行數(shù)據(jù)線3同步字節(jié)傳輸總線接口芯片，加上共有4條線，是基于主從總線協(xié)議的模型，一個(gè)寫沖突保護(hù)和母線保護(hù)競(jìng)爭(zhēng)，由Motorofa在其MC68HCXX系列中定義的標(biāo)準(zhǔn)接口。4線SPI函數(shù)如下：SCK信號(hào)是由器件的主要線路上產(chǎn)生的SPI總線。可調(diào)整的數(shù)據(jù)比特流，該設(shè)備可以在不同的波特率發(fā)送數(shù)據(jù)。SCK根據(jù)每個(gè)傳輸周期。MoSi信號(hào)線：從SPI總線主設(shè)備輸出數(shù)據(jù)，然后從SPI從輸入設(shè)備。MISO信號(hào)線：從器件的SPI總線的數(shù)據(jù)，然后由主SPI輸入裝置。只有一個(gè)選擇驅(qū)動(dòng)裝置可以從毛竹產(chǎn)量。CS線：信號(hào)通過(guò)硬件控制的一種特殊的裝置，選擇不選擇從SPI總線通信設(shè)備不得。SPI主機(jī)和從機(jī)之間的通信，主機(jī)通過(guò)從CS引腳將被拉機(jī)，從機(jī)同步，主機(jī)啟動(dòng)一個(gè)SPI通信。主機(jī)和從機(jī)將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)到相應(yīng)的移位寄存器。主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘脈沖在SCK引腳的數(shù)據(jù)交換。從主機(jī)的數(shù)據(jù)從機(jī)器中取出MoSi2。4.5鍵盤程序設(shè)計(jì)鍵盤處理程序采用查詢方法來(lái)實(shí)現(xiàn)按鍵的識(shí)別。每次主循環(huán)，都要調(diào)用按鍵查詢程序鍵盤輸入信息的流程如圖7所示:圖7.鍵盤查詢流程鍵盤輸入信息設(shè)計(jì)思想如下所示：(1)由于按鍵被按下時(shí)，相應(yīng)單片機(jī)輸入線的電平被拉低。因此，為判斷是否有鍵按下，可先由單片機(jī)讀入端口的值，若端口為低電平，則表明有鍵按下，否則表明無(wú)鍵按下。(2)確定按下的鍵值本設(shè)計(jì)中用到的按鍵少，一個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)一個(gè)P口，通過(guò)讀取不同的P口的值，就可以知道當(dāng)前按鍵的鍵值。(3)等待按鍵釋放；確定按鍵的鍵值以后，仍然需要判斷按鍵的釋放，延時(shí)一段時(shí)間后調(diào)用執(zhí)行相應(yīng)的子程序。(4)消抖處理；由于選用的按鍵是機(jī)械觸點(diǎn)，因此用手按動(dòng)一個(gè)鍵時(shí)，打開和關(guān)閉的關(guān)鍵時(shí)刻會(huì)出現(xiàn)電壓波動(dòng)。為了確保關(guān)鍵的正確識(shí)別，不在狀態(tài)時(shí)的電壓的輸入抖動(dòng)。為此，程序中加入消抖處理，單片機(jī)已把信息，沒(méi)有立即確認(rèn)按鈕被按下，但延遲LMS再次在相應(yīng)端口檢測(cè)后，如果該鍵被按下，按下按鈕；同樣，在單一的釋放按鈕檢測(cè)，程序也延遲1ms然后，去抖動(dòng)處理，然后處理的關(guān)鍵。5.系統(tǒng)測(cè)試5.1硬件調(diào)試整個(gè)硬件調(diào)試工作的基礎(chǔ)是硬件電路板的焊接和安裝。電路原理圖的設(shè)計(jì)、焊接電路過(guò)程中的疏忽以及元件的質(zhì)量問(wèn)題都可以通過(guò)硬件調(diào)試來(lái)發(fā)現(xiàn)。在此階段將重點(diǎn)解決上述問(wèn)題，完成了硬件調(diào)試階段之后，再進(jìn)入軟件調(diào)試階段。調(diào)試硬件基本方法：硬件原理的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和加工工藝會(huì)造成各種斷路、線路開線、短路、接觸不良等問(wèn)題，元器件功能失效或性能不符合要求或不穩(wěn)定等。首先，該測(cè)試線在斷電情況下的正確性，消除一些明顯的硬件故障。然后，在線仿真調(diào)試，其中除了單片機(jī)，所有組件插入，連接和仿真調(diào)試，又在讀寫操作的所有部分，檢查結(jié)果的正確性。然后通過(guò)正常的硬件和軟件的調(diào)試，系統(tǒng)調(diào)試，進(jìn)一步完善和修改控制程序，記錄和性能指標(biāo)的測(cè)試，直到系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在硬件的調(diào)試過(guò)程中，進(jìn)行了以下步驟:(1)通電前的檢查:焊接在電路板安裝在電路板上，仔細(xì)檢查所有接線是否正確。使用視覺和萬(wàn)用表兩種檢查方法檢查常見錯(cuò)誤：少行，接錯(cuò)線，特別是短電路的電源電路。外觀檢查：整個(gè)電路板組件的直接觀察連接焊接接頭焊縫，是否存在故障，接觸不良，元素鉛，電源線，信號(hào)線，底線是短路現(xiàn)象，MOS管，如電解電容器連接到錯(cuò)誤的PIN，IC插座的引腳順序是逆轉(zhuǎn)。用萬(wàn)用表檢查：檢查電路的控制電路原理圖，連接銷連接在真實(shí)的地方，不應(yīng)短則短，尤其是每個(gè)插針和插座電源是短暫的，如果所有的線條都聚在一起，連接到電源的負(fù)極。(2)不接IC芯片通電檢測(cè)所有的IC芯片均不要插入插座，電源連接到電路板上，然后將測(cè)量連接電源開關(guān)，接通電源，觀察電路板上是否有異?，F(xiàn)象，包括是否有煙。沒(méi)有氣味的特殊氣味，但也要用手觸摸芯片，看是否熱元件等。然后使用萬(wàn)用表測(cè)試的各個(gè)組成部分，特別是芯片元件每個(gè)電源引腳的電壓，看是否正常工作的要求。5.2軟件調(diào)試載入運(yùn)行，觀察硬件功能是否符合要求，將發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題立即找出程序中所對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤或不妥之處，反復(fù)進(jìn)行修改完善，直到可以完成所要求的功能。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。系統(tǒng)軟件主要由以下幾部分組成：系統(tǒng)初始化，菜單設(shè)置程序，當(dāng)有鍵按下時(shí)，可以對(duì)直流電子負(fù)載的工作模式參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；運(yùn)行工作模式程序，執(zhí)行設(shè)置的工作模式參數(shù)；利用定時(shí)器定時(shí)存儲(chǔ)工作模式參數(shù)到鐵電存儲(chǔ)器系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先完成各模塊初始化，之后進(jìn)入主循環(huán)，通過(guò)檢測(cè)各個(gè)標(biāo)志位的狀態(tài)，來(lái)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的處理程序。不過(guò)單純的軟件調(diào)試只能檢查程序的基本正確性，而整個(gè)方案所有程序是否能夠同時(shí)完成要求需要在軟硬件綜合調(diào)試過(guò)程中才能夠進(jìn)行檢查。5.3調(diào)試結(jié)果分析對(duì)電路恒壓模式的檢測(cè)數(shù)據(jù)見表1：表1.電路恒壓模式的檢測(cè)數(shù)據(jù)URFF輸入0.5V1V2.5V4.5V5V5.05V7.5V9V10V理論恒壓值1.0V2.0V5.0V9.0V10.0V11.0V15.0V18.0V20.0V實(shí)測(cè)恒壓值1.02V2.03V5.05V9.1V10.2V11.2V15.4V18.6V20.6V誤差21.511.121.82.63.33表2.對(duì)電路恒流模式的檢測(cè)數(shù)據(jù)見表2：理論值(A)0.112外接電源（V）158158158VRFF輸入(mV)10.611.110.00108105106196215200U取樣(mV)10.211.19.9988310510245215207實(shí)測(cè)值(mA)102111100.98301050102045021502007誤差（%）2111175222.57.57表3.對(duì)電路恒阻模式的檢測(cè)數(shù)據(jù)見表3：設(shè)置電阻(Ω)1020被測(cè)電壓(V)15101510VRFP(V）0.0l0.050.10.0050.02510V取樣(V)0.00980.00980.0990.00190.02190.019I=V采樣/R采樣0.0980.0980.990.0190.2190.19R實(shí)際(Ω)9.89.810.219.419.420.6現(xiàn)對(duì)誤差2%2%2%3%3%3%由實(shí)際測(cè)試結(jié)果分析，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，在額定工作條件下，精度較高。電流的輸出范圍為0.1A-2A，相對(duì)誤差小于500，調(diào)節(jié)時(shí)間0.6-0.8s；電壓輸出范圍為1-20V，相對(duì)誤差小于500，調(diào)節(jié)時(shí)間小于3s。恒阻模式時(shí)，測(cè)量精度為300。因此本方案較好完成了題目的要求?？偨Y(jié)本直流電子負(fù)載采用單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)智能化控制；恒流，恒壓，能實(shí)現(xiàn)正常工作的恒阻模式；電流，電壓和功率的測(cè)量值直接檢測(cè)電源，所有的參數(shù)可以直接在液晶屏上顯示；無(wú)線遙控，簡(jiǎn)單的操作。電壓設(shè)置及調(diào)節(jié)范圍:1.00-2.00V，相對(duì)誤差小于500，調(diào)節(jié)時(shí)間小于3s。電流設(shè)置及調(diào)節(jié)范圍:100mA-2.00A，相對(duì)誤差小于500，調(diào)節(jié)時(shí)間小于3s。經(jīng)過(guò)大量的調(diào)試、測(cè)試本系統(tǒng)能夠滿足預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。需要說(shuō)明的是，由于采用了手頭現(xiàn)有的元件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所選元件并不一定是最經(jīng)濟(jì)、最合適的選擇，但肯定是安全的。參考文獻(xiàn)[1]吳春平.150W直流電子負(fù)載的軟件設(shè)計(jì)[D].電子科技大學(xué)，2012.[2]張勝高.基于移相全橋的饋能式直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)[D].山東大學(xué)，2013.[3]馬建龍.關(guān)于直流電子負(fù)載的研究[J].信息與電腦(理論版)，2012，06:142-143.[4]劉彬，鐘明琛.直流電子負(fù)載基本工作模式的測(cè)量不確定度評(píng)定[J].電子測(cè)量技術(shù)，2012，08:42-45.[5]詹新生，張江偉.基于MSP430-G2553單片機(jī)的直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)[J].