电子负载设计论文

摘要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。由于铁道电气化供电、电气牵引、信号控制、无线通信、计算机指挥调度中心及家庭日常生活等应用领域都在大量应用各种各样的电源，因此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89c51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（MCU）、驱动隔离电路（PWM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数码管上显示。关键词：电子负载；单片机（MCU）；数模（D/A）；PWM。AbstractAbstractWiththepowerelectronicstechnology,computertechnologyandtherapiddevelopmentofautomaticcontroltechnologyforpowerdetectiontechnologybringsrevolutionarychange.Astherailwayelectrificationpowersupply,electrictraction,signalcontrol,wirelesscommunication,computerandfamilylifecontrolcenterapplicationssuchasalargenumberofapplicationsinavarietyofpowersupply,sopeopleneedmoreandmoreelectronicloadonperformancerequirementsarealsoincreasing.Thetraditionalpowerdetectionisfacingagreatchallenge.Fortheaccuratedetectionofpowersupplyreliabilityandloadcapacity,sothepowerelectronicstechnologyandcomputercontroltechnologycombinedorganicallytoachievereliabledetectionofpowersupply.Systemmainly89c51microcontrollertocontrolthecore;designconstantcurrentmodeofelectronicload,thatis,nomatterhowthechangeinvoltage,currentthroughtheelectronicloadcurrentconstant,andthecurrentvaluecanbeset.Includingthecontrolcircuit(MCU),driveisolationcircuit(PWMwave),themaincircuit,samplingcircuit,displaycircuit,communicationcircuit,thekeyboardscanningcircuit.KeyWords:E-LOAD,SingleChip(MCU),AnalogtoDigitalConvertor,DigitaltoAnalogConvertor,PWMo目录TOC\o"1-5"\h\z摘要IAbstractII1电子负载的原理及概述1\o"CurrentDocument"1.1电子负载的意义1\o"CurrentDocument"1.2电子负载的工作方式1\o"CurrentDocument"1.2.1恒定电流方式1\o"CurrentDocument"1.2.2恒定电阻方式2\o"CurrentDocument"1.2.3恒定电压方式2\o"CurrentDocument"1.3在本设计中要做的主要任务32系统硬件设计4\o"CurrentDocument"2.1电子负载设计模块方框图4\o"CurrentDocument"2.2单片机学习应用的六大重要部分4\o"CurrentDocument"AT89C51单片机的应用6\o"CurrentDocument"AT89C51单片机性能特点6\o"CurrentDocument"AT89C51各引脚图及各管脚功能7\o"CurrentDocument"2.4电源8\o"CurrentDocument"2.4.1芯片介绍8\o"CurrentDocument"2.4.2原理图9\o"CurrentDocument"2.5A/D转换器接口ADC08099\o"CurrentDocument"2.6系统显示模块11\o"CurrentDocument"2.7电压、电流采样11\o"CurrentDocument"2.7.1电压采样11\o"CurrentDocument"2.7.2电流采样13\o"CurrentDocument"MOSFET场效管的应用14\o"CurrentDocument"2.7.4集成运放的应用15\o"CurrentDocument"2.8系统保护电路的设计17\o"CurrentDocument"2.8.1过流保护17\o"CurrentDocument"2.8.2过压、短路保护183系统软件设计19\o"CurrentDocument"3.1汇编程序设计概述19\o"CurrentDocument"Keil开发软件介绍19\o"CurrentDocument"ADC0809模数转换子程序设计20\o"CurrentDocument"3.4显示子程序21\o"CurrentDocument"3.5电子负载程序设计流程图22\o"CurrentDocument"4系统的可靠性设计24\o"CurrentDocument"4.1硬件系统的可靠性设计24\o"CurrentDocument"4.1.1硬件系统可靠性设计所注意事项244.2软件系统的可靠性设计25\o"CurrentDocument"4.2.1指令冗余25\o"CurrentDocument"4.2.2拦截技术25\o"CurrentDocument"4.2.3软件“看门狗”技术26结论28致谢29参考文献30附录1：电子负载程序设计31附录2：原理图491电子负载的原理及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，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。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。1.2.1恒定电流方式图1—1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5〜10V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河北工程大学毕业设计说明书

压的能力，是电源输出电压偏差率的百分比。预置负我电压预置负我电压图1—1电子负载的恒定电流工作方式1.2.2恒定电阻方式此种状态下，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1-2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。若负载设定为1kQ,当输入电压在1〜10V变化时，电流变化则为10〜100mA（图1-2）。图1—2电子负载的恒定电阻工作方式1.2.3恒定电压方式图1—2电子负载的恒定电阻工作方式图1—3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。v/VA预置负载电流电子负载>I/mA图1—3电子负载的恒定电压工作方式1.3在本设计中要做的主要任务⑴设计电压采样硬件电路HCPL-7840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0.1%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HCPL-7840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。⑵设计电流采样硬件电路电流采样中，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HCPL-788J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:-250mv〜+250mv；对应输出为0〜4V；电子负载电流输入范围是0〜5A；选用0.04Q采样电阻⑶设计功率驱动电路。HCPL-4504系列传送延迟小，电流转换率高。HCPL-4504系列同时保证了传送延迟差异的最小化(tPLH-tPHL)。这些特性使得HCPL-4504系列系列成为IPM逆变器死区时间和其他配电问题的出色解决方案。HCPL-4504的电流转换率、传送延迟和共模抑制被规定为同时符合便于应用的TTL和IPM。2系统硬件设计2.1电子负载设计模块方框图图2-1电子负载设计模块方框图2.2单片机学习应用的六大重要部分⑴总线：我们知道，一个电路总是由元器件通过电线连接而成的，在模拟电路中，连线并不成为一个问题，因为各器件间一般是串行关系，各器件之间的连线并不很多，但计算机电路却不一样，它是以微处理器为核心，各器件都要与微处理器相连，各器件之间的工作必须相互协调，所以需要的连线就很多了，如果仍如同模拟电路一样，在各微处理器和各器件间单独连线，则线的数量将多得惊人，所以在微处理机中引入了总线的概念，各个器件共同享用连线，所有器件的8根数据线全部接到8根公用的线上，即相当于各个器件并联起来，但仅这样还不行，如果有两个器件同时送出数据，一个为0,一个为1，那么，接收方接收到的究竟是什么呢？这种情况是不允许的，所以要通过控制线进行控制，使器件分时工作，任何时候只能有一个器件发送数据（可以有多个器件同时接收）。器件的数据线也就被称为数据总线，器件所有的控制线被称为控制总线。在单片机内部或者外部存储器及其它器件中有存储单元，这些存储单元要被分配地址，才能使用，分配地址当然也是以电信号的形式给出的，由于存储单元比较多，所以，用于地址分配的线也较多，这些线被称为地址总线。⑵数据、地址、指令：之所以将这三者放在一起，是因为这三者的本质都是一样的——数字，或者说都是一串‘0’和‘1’组成的序列。换言之，地址、指令也都是数据。指令：由单片机芯片的设计者规定的一种数字，它与我们常用的指令助记符有着严格的一一对应关系，不可以由单片机的开发者更改。地址：是寻找单片机内部、外部的存储单元、输入输出口的依据，内部单元的地址值已由芯片设计者规定好，不可更改，外部的单元可以由单片机开发者自行决定，但有一些地址单元是一定要有的（详见程序的执行过程）。数据：这是由微处理机处理的对象，在各种不同的应用电路中各不相同，一般而言，被处理的数据可能有这么几种情况：地址（如MOVDPTR，1000H），即地址1000H送入DPTR。方式字或控制字（如MOVTMOD，#3），3即是控制字。常数（如MOVTH0，#10H）10H即定时常数。实际输出值（如P1口接彩灯，要灯全亮，则执行指令：MOVP1，#0FFH，要灯全暗，则执行指令：MOVP1，#00H）这里0FFH和00H都是实际输出值。又如用于LED的字形码，也是实际输出的值。理解了地址、指令的本质，就不难理解程序运行过程中为什么会跑飞，会把数据当成指令来执行了。⑶P0口、P2口和P3的第二功能用法：初学时往往对P0口、P2口和P3口的第二功能用法迷惑不解，认为第二功能和原功能之间要有一个切换的过程，或者说要有一条指令，事实上，各端口的第二功能完全是自动的，不需要用指令来转换。如^3.6、P3.7分别是WR、RD信号，当微片理机外接RAM或有外部I/O口时，它们被用作第二功能，不能作为通用I/O口使用，只要一微处理机一执行到MOVX指令，就会有相应的信号从P3.6或P3.7送出，不需要事先用指令说明。事实上'不能作为通用I/O口使用’也并不是'不能’而是（使用者）'不会’将其作为通用I/O口使用。你完全可以在指令中按排一条SETBP3.7的指令，并且当单片机执行到这条指令时，也会使P3.7变为高电平，但使用者不会这么去做，因为这通常会导致系统的崩溃。⑷程序的执行过程：单片机在通电复位后8051内的程序计数器（PC）中的值为‘0000’，所以程序总是从‘0000’单元开始执行，也就是说：在系统的ROM中一定要存在‘0000’这个单元，并且在‘0000’单元中存放的一定是一条指令。⑸堆栈：堆栈是一个区域，是用来存放数据的，这个区域本身没有任何特殊之处，就是内部RAM的一部份，特殊的是它存放和取用数据的方式，即所谓的‘先进后出，后进先出’，并且堆栈有特殊的数据传输指令，即‘PUSH’和‘POP’，有一个特殊的专为其服务的单元，即堆栈指针SP，每当执一次PUSH指令时，SP就（在原来值的基础上）自动加1，每当执行一次POP指令，SP就（在原来值的基础上）自动减1。由于SP中的值可以用指令加以改变，所以只要在程序开始阶段更改了SP的值，就可以把堆栈设置在规定的内存单元中，如在程序开始时，用一条MOVSP，#5FH指令，就时把堆栈设置在从内存单元60H开始的单元中。一般程序的开头总有这么一条设置堆栈指针的指令，因为开机时，SP的初始值为07H，这样就使堆栈从08H单元开始往后，而08H到1FH这个区域正是8031的第二、三、四工作寄存器区，经常要被使用，这会造成数据的混乱。不同作者编写程序时，初始化堆栈指令也不完全相同，这是作者的习惯问题。当设置好堆栈区后，并不意味着该区域成为一种专用内存，它还是可以象普通内存区域一样使用，只是一般情况下编程者不会把它当成普通内存用了。⑹单片机的开发过程：这里所说的开发过程并不是一般书中所说的从任务分析开始，我们假设已设计并制作好硬件，下面就是编写软件的工作。在编写软件之前，首先要确定一些常数、地址，事实上这些常数、地址在设计阶段已被直接或间接地确定下来了。如当某器件的连线设计好后，其地址也就被确定了，当器件的功能被确定下来后，其控制字也就被确定了。然后用文本编辑器（如EDIT、CCED等）编写软件，编写好后，用编译器对源程序文件编译，查错，直到没有语法错误，除了极简单的程序外，一般应用仿真机对软件进行调试，直到程序运行正确为止。运行正确后，就可以写片（将程序固化在EPROM中）。在源程序被编译后，生成了扩展名为HEX的目标文件，一般编程器能够识别这种格式的文件，只要将此文件调入即可写片。在此，为使大家对整个过程有个认识，举一例说明：单片机试验板ORG0000HLJMPSTARTORG040HSTART：MOVSP，#5FH;设堆栈LOOP：NOPLJMPLOOP；循环END；结束AT89C51单片机的应用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。AT89C51单片机性能特点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MCS-51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。

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MCS-51系列单片机的主流单片机之一。本系统选用标准型单片机AT89C51，其结构特点如下：⑴8位CPU；⑵片内有4KB可在线重复编程快闪擦写存储器(Flashmemory)；⑶存储器可循环擦写1000次；⑷宽工作电压范围：Vcc可由4—6V；⑸程序存储器具有3级锁存保护；⑹128X8位内部RAM；⑺片内振荡器及时钟电路；⑻32条可编程I/O线；⑼2个16位定时器/计数器；⑽中断结构具有5个中断源和2个中断优先级；可编程全双工串行接口；看门狗(WDT)电路，片内时钟振荡器；空闲状态维持低功耗和掉电状态保护存储内容。AT89C51各引脚图及各管脚功能AT89C51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PDIP-40形式，如图2-2所示。01234567LLLLLLLL01234567LLLLLLLLPPPPPPPP4-O123dj5673..及3.3.例3.3.$PPPPPPPPIX1oL网珑lINTIIrffITO门傩即IX5IX1皿G01234567E9O123S5TNPPcJ3JJJ]£SJ)I)1n112iEBVIVaaaaaaaaaawm]m)m)adaessREPALEA372&O10-23dj&67o12345ahv7O.0..0,0.0..0,222.22.2a2-2.PPPFPPFPPPPPPPPP图2-2AT89C51引脚图引脚功能说明:Vcc:电源电压GND:接地端P0□: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□: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（I「。Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。P2□: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□: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（IQ。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。2.4电源2.4.1芯片介绍HCPL-7805系列为3端正稳压电路,TO-220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。

主要特点：输出电流可达1A;输出电压有：5V;过热保护;短路保护;输出晶体管SOA保护。注.n输出电压对应于“xx”值.输入电压*cu•使是绞波电压中的低值.点-都必须高于所需输出电压顷」：a当稳压器远离电源滤波器时，要求用力c。可改善稳定态响.应，图2-3HCPL78052.4.2原理图2.5A/D转换器接口ADC0809⑴性能特点ADC0809是一种8路模拟输入的8位逐次逼近式A/D转换器，为CMOS型单芯片器件。其内部除8位A/D转换电路外，还有一个8路模拟开关，其作用可根据地址译码信号来选择8路模拟输入而共用一个A/D转换器。转换结果通过三态输出锁存器输出，因此可以直接与系统数据总线相连。⑵封装及管脚功能介绍ADC0809芯片为28引脚，双列直插式封装，其引脚排列图如图示。

IN,—STAKT.—双一口，—IN,—STAKT.—双一口，—OE—CLX———REF(+)—CNO282726X2423祢2|如心1$1?1&|5tTJ--3-fi-fflo-o-^11j>4—眼，—IN,IN«ADDA—ADDH—AEKC—ALE—4—以^DstN—D1—REF[-)DiADC0809各引脚功能如下：IN0〜IN7八路模拟量输入端。D0〜D7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。⑶ADC0809与AT89S51接口设计如图所示。C1XZ5CiG74LS3733478C1XZ5CiG74LS3733478】3】4】71£ADDAADLIBADIX；ADCOmfl—一I「ml如SFAltTALE图2-6AT89S51与ADC0809连接A匚B匚C匚G2AEG2BLG1匚Y7匚GNDE匚匚匚匚匚匚匚LECA匚B匚C匚G2AEG2BLG1匚Y7匚GNDE匚匚匚匚匚匚匚LECBDAphBTDIG1IG2DIG4图2-8四联数码管外形及内部连为节省单片机端口，此设计使用74LS138三一八译码器及4543-BCD码七段译码器。这样只需占用单片机的一个口，就可以动态显示8位LED数码管，大大减少了对单片机管脚的占用。74LS138三一八译码器及4543-BCD码七段译码器外形封装如图所示。TOC\o"1-5"\h\zVDDfged□己ba图2-774LS138、4543外形封装数码管选用四位一体的四联数码管，其外形及内部线路如图所示:2.7电压、电流采样2.7.1电压采样HCPL-7840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0.1%

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HCPL-7840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：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-。VDD1VDD2VOUT+VOUT-VDD1VDD2VOUT+VOUT-GND5_■Xvcc卬1—班:心LWD2VIN+V0UT2TOT-VOUT-如DIGMI-21e27—Cl-—Cl(36■0.11□F&R]O.l-inF-J|41DJj1T]■—H：i—2.7.2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HCPL-788J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:-250mv〜+250mv；对应输出为0〜4V；电子负载电流输入范围是0〜5A；选用0.04Q采样电阻。INPUT-1CURRENTLHSHUNTM上口iSCi-ATED-fiVO(TVIN*INPUT-1CURRENTLHSHUNTM上口iSCi-ATED-fiVO(TVIN*口村巧叵V|M-Yom叵I=AUlT叵如；厢WAL1玉］a血1Venn恒VLED*{TVqdiIVDD2旬伽5:GNE^HCPU-7BBJ土由I邮.mpF=L□IPF=p4.7TOOTHERPHA&E

CUTPUTSADGNDnil河ri】VCC—,EP2r-——C5LI\IDSH-GNH2WWD2CH汩NJLTCLABgJLWD1WUT\1LEDL+如质WD1WD2GHD1GWD21(I176&741dJOhiE31.,dL-7Tj-j.O2j023PlxiF11：5—Cl§5EJ121vrC2j.lnFG11■OkT1(T69—Cb1Q—meQ.1OTS8T+L■AC心9,LI'Gl4图2-13电流采样原理图（a）□-]j■VCc-—TP；L1rmrjr-.16'rR-J34[i.0lul?2,inmrTijiTJTTJJ*-.r.J15•L'7]LIJO2LU)2..3HTT/FAULTAE粕7ALTT.-.TT^140.luF—4E13Cl：5512VCC2[1.1LF6饥邸L+VEEPGg1147IQ8G1W19D.lpF75(JJ■MOSFET场效管的应用MOS型晶体管的特点是特别适合于开关状态工作，因为它正向导通时的电阻极小，而且开关速度快，所以是一种理想的开关元件。⑴MOS型场效应管的特点栅极控制功率小。和双极型晶体管相比，MOS管栅极是绝缘的、在高频工作时虽然有栅极电流存在。但其值甚小，所以栅极的输入功率也很小。由于MOS管是电压控制器件，它不像双极型晶体管那样，在基区有可能积存大量少数载流子，从而影响高速开关。所以同样功率的管子，MOS型的开关速度要比双极型管子快得多。MOS管子的耐压比双极型管于低.通常很少超过1000V.而双极型管子可以做到1600V以下.这对于大功率开关而言，无疑是一大缺点。MOS管子不像双极型管子那样存在明显的二次击穿现象，所以在中、低压情况下，其工作的可靠性要高一些。过电压保护的设计也可以简单一些。⑵MOS型场效应管的输出特性曲线MOS型场效应管的输出特性曲线如图所示；其内部结构如图所示。L

JTTit(b)图2-16MOS场效管内部结构L

JTTit⑶MOS型场效应管的选型鉴于MOS管的良好开关特性，在此次设计中，对被测电源功率的控制，也就是对电流的控制，决定选用场效管IRFP254。MOSFET场效管IRFP254参数：漏极一源极击穿电压Vdss=250V；静态导通电阻Rds(on)=0.14；漏源连续导通电流Id=23A。2.7.4集成运放的应用在本设计中，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。⑴集成运放基本反相放大电路应用图2-17集成运放基本反相放大电路图2-17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。Rp=R1//Rf。Rw为调零电位器。电路的闭环放大倍数为Avf=—Rf/R1。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：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。⑵集成运放基本同相放大电路应用

图2-18运放基本同相放大电路图2-18为运放基本同相放大电路。同相放大电路闭环放大倍数计算公式为：Avf=1+R3/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。电路的调整方法和注意事项将输入端接地，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。⑶集成运放基本差动放大电路应用①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。图为一种实用电路。RfO+1SV图2-19运放差动放大电路②电路的调整方法和注意事项：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R1=R2,Rf=Rp，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。2.8系统保护电路的设计电子负载在应用过程中，由于测试的电源有可能是高电压大电流的电源，若设计欠缺，过压、过流和过热，均容易造成系统硬件损坏。特别是当电子负载由微控制器控制时，对系统的保护功能提出更深的要求。下面将介绍此系统的保护电路。2.8.1过流保护由于场效管的开度受单片机对DAC0832的输出影响，而在单片机复位以及程序出现错误跑飞时，单片机输出口会出线全高电平，从而使场效管全开，被测试电源出现断路情况，这对那些带负载能力低的电源是不允许出现的。所以有必要设计一种电路，限定DAC0832输出控制电压的最高上限。图2-20是一种保护电路，其原理是当DAC0832输出控制电压达到一定值后，触发三极管8050的导通，继电器继吸合动作，强行把输出控制电压接地，从而限定了场效管的开度。2.8.2过压、短路保护当电源的输出电压超过其最大的限定电压时，电源会将其输出关闭，称之为过电压保护。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，贝仙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。3系统软件设计3.1汇编程序设计概述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：⑴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。⑵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。⑶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开发软件介绍KeilIDEuVision2集成开发环境是KeilSoftware开发的基于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：⑴建立工程。⑵为工程选择目标器件。⑶设置工程的配置参数。⑷打开/建立程序文件。⑸编译和链接工程。⑹纠正程序中的书写和语法错误并重新编译连接。⑺对程序中某些纯软件的部分使用软件仿真验证。⑻使用TKS硬件仿真器对应用程序进行硬件仿真。⑼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。ADC0809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_convert:CLRP3.1；选通IN0通道测电压值CLRP3.0SETBP3.0；启动ADC0809CLRP3.0CALLDELAY；延时1ms等待AD转换结束MOVA,P0；送转换数据到累加器A

MOV30H,A；转换数据暂放缓存区SETBP3.1；选通IN1通道测电流值CLRP3.0SETBP3.0；启动0809CLRP3.0CALLDELAY；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3.4显示子程序为节省单片机端口，此设计使用74LS138三一八译码器及4543-BCD码七段译码器。这样只需占用单片机的一个口，就可以动态显示8位LED数码管，大大减少了对单片机管脚的占用。74LS138三一八译码器及4543-BCD码七段译码器外形封装如图所示。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CALLRETDELAY3.5电子负载程序设计流程图⑴电子负载程序设计主程序流程图如图3-1所示。有按键按下否?有按键按下否?调PWM占空比调AD转换子程序调PWM占空比A—I调显示子程序显示I调显示子程序显示有按键按下否?有按键按下否?调PWM占空比调AD转换子程序调PWM占空比A—I调显示子程序显示I调显示子程序显示P调显示子程序显示UL二有按键按下否？'调AD转换子程序调AD转换子程序调AD转换子程序调PWM占空比数码管测试系统初始化开始图3-1主程序流程图⑵电子负载程序设计按键程序流程图如图3-2所示。图3—2按键程序流程图4系统的可靠性设计4.1硬件系统的可靠性设计内部如ROM、RAM、I/O口、计数器、中断系统等容量不够使用时，必须在外部扩充，选择适当的扩充IC，设计相容的电路。二是系统装置，即按照系统功能要求配备外围设备，如一个单片机微处理器的硬件电路设计包括两个部分：一是系统扩充，即单片机外围键盘、显示器、打印机、A/D转换器、D/A转换器、串行通信接口，设计合适的接口电路。硬件设计需要考虑下列几点：⑴尽可能选择典型的电路（市场已有的）。⑵系统的扩充与外围装置，应充分满足应用系统的要求，并留一些扩充槽，以便进行二次开发。⑶硬件结构应结合应用软件一并考虑。软件有执行的功能尽可能由软件来执行，以简化硬件结构。但是必须注意，由软件执行硬件的功能，其响应时间比直接使用硬件要长，且占用CPU时间。⑷整个系统器件尽可能做到性能匹配。例如选用石英震荡器频率较高时，应选择存取速度较快的IC；选择COMS单片机构成低功耗系统时，系统所有的IC都应选择低功耗的IC。⑸可靠性及抗干扰设计及其重要的部分，包括器件选择、电路板布线，通道隔离等。⑹单片机微处理器外接电路较多时，必须考虑其驱动能力，驱动能力不足时，系统工作不可靠。解决办法是增加驱动能力，或减少IC功耗，降低总线负荷。4.1.1硬件系统可靠性设计所注意事项⑴与外界容易产生干扰的输入点、继电器的输出接点等器件部分，采用光耦隔离，使外界杂散信号无法干扰CPU的运行，即易受干扰的输入或输出接点以光耦隔离（PC817、PC827、4N25、4N35等）。⑵没有使用到的端口引脚（尤其是P0口）应接到一个固定逻辑电位上（0或1），以免受到外界静电干扰，导致CPU运行失常而产生“死机”。⑶易受杂散信号干扰处，则接一个0.01uF的树脂电容到机体外壳，使杂散信号的尖峰毛刺经此电容后到外壳。⑷每一颗IC的VCC与GND之间一般接0.01uF〜0.1uF的积层电容，以使电源电压波的波纹及杂散信号有所旁路，不致影响该IC的正常运行。同时也可抵消电路的电感河北工程大学毕业设计说明书性，使整个电路具有较佳的稳定性。⑸石英晶体的两脚越短越好，越接近8051的18、19脚震荡效果越好、越稳定。⑹硬件电路中若有接近开关、按钮开关及切拨开关等设计时，其输入到8051的端口引脚，最好加接斯密特门电路，如74244，以排除不必要的杂散信号，使工作稳定；且导线太长可考虑将输入端电压提高为12V或24V，再串接光耦或使用磁簧继电器。⑺设计时个外围IC（如8255、ROM、RAM等）尽量使用同一品牌，以免因相互间的延迟时间不同，而导致存取数据发生错误。⑻所设计的的逻辑门，尽量使用“高速CMOS”型，如74HCXXX的IC，以配合CPU的快速动作要求。⑼硬件设计时尽量使用商品化的设计电路，以减少个人开发时间。4.2软件系统的可靠性设计在提高硬件系统可靠性设计的同时，软件系统的可靠性设计以其设计灵活、节约硬件资源、可靠性好越来越受到重视。在工程实践中，软件系统的可靠性设计的内容主要是：一、消除模拟输入信号的嗓声（如数字滤波技术）；二、程序运行混乱时使程序重入正轨的方法。本文针对后者提出了几种有效的软件抗干扰方法。4.2.1指令冗余CPU取指令过程是先取操作码，再取操作数。当PC受干扰出现错误，程序便脱离正常轨道“乱飞”，当乱飞到某双字节指令，若取指令时刻落在操作数上，误将操作数当作操作码，程序将出错。若“飞”到了三字节指令，出错机率更大。在关键地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写称为指令冗余。通常是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的NOP。这样即使乱飞程序飞到操作数上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被当作操作数执行，程序自动纳入正轨。此外，对系统流向起重要作用的指令如RET、RETI、LCALL、LJMP、JC等指令之前插入两条NOP，也可将乱飞程序纳入正轨，确保这些重要指令的执行。4.2.2拦截技术所谓拦截，是指将乱飞的程序引向指定位置，再进行出错处理。通常用软件陷阱来拦截乱飞的程序。因此先要合理设计陷阱，其次要将陷阱安排在适当的位置。软件陷阱的设计当乱飞程序进入非程序区，冗余指令便无法起作用。通过软件陷阱，拦截乱飞程序，将其引向指定位置，再进行出错处理。软件陷阱是指用来将捕获的乱飞程序引向复位入口地址0000H的指令。通常在EPROM中非程序区填入以下指令作为软件陷阱：NOPNOPLJMP0000H其机器码为0000020000o陷阱的安排：通常在程序中未使用的EPROM空间填0000020000。最后一条应填入020000，当乱飞程序落到此区，即可自动入轨。在用户程序区各模块之间的空余单元也可填入陷阱指令。当使用的中断因干扰而开放时，在对应的中断服务程序中设置软件陷阱，能及时捕获错误的中断。如某应用系统虽未用到外部中断1，外部中断1的中断服务程序可为如下形式：NOPNOPRETI返回指令可用“RETI”，也可用“LJMP0000H”。如果故障诊断程序与系统自恢复程序的设计可靠、完善，用“LJMP0000H”作返回指令可直接进入故障诊断程序，尽早地处理故障并恢复程序的运行。考虑到程序存贮器的容量，软件陷阱一般1K空间有2-3个就可以进行有效拦截。4.2.3软件“看门狗”技术若失控的程序进入“死循环”，通常采用“看门狗”技术使程序脱离“死循环”。通过不断检测程序循环运行时间，若发现程序循环时间超过最大循环运行时间，则认为系统陷入“死循环”，需进行出错处理。“看门狗”技术可由硬件实现，也可由软件实现。在工业应用中，严重的干扰有时会破坏中断方式控制字，关闭中断。则系统无法定时“喂狗”，硬件看门狗电路失效。而软件看门狗可有效地解决这类问题。用定时器T0监视定时器T1，用定时器T1监视主程序，主程序监视定时器T0。采用这种环形结构的软件“看门狗”具有良好的抗干扰性能，大大提高了系统可靠性。对于需经常使用T1定时器进行串口通讯的测控系统，则定时器T1不能进行中断，可改由串口中断进行监控（如果用的是MCS-52系列单片机，也可用T2代替T1进行监视）。这种软件“看门狗”监视原理是：在主程序、T0中断服务程序、T1中断服务程序中各设一运行观测变量，假设为MWatch、T0Watch、TlWatch，主程序每循环一次，MWatch加1,同样T0、T1中断服务程序执行一次，TOWatch、TlWatch加1。在T0中断服务程序中通过检测TlWatch的变化情况判定T1运行是否正常，在T1中断服务程序中检测MWatch的变化情况判定主程序是否正常运行，在主程序中通过检测T0Watch的变化情况判别T0是否正常工作。若检测到某观测变量变化不正常，比如应当加1而未加1，则转到出错处理程序作排除故障处理。当然，对主程序最大循环周期、定时器T0和T1定时周期应予以全盘合理考虑。系统故障处理、自恢复程序的设计：单片机系统因干扰复位或掉电后复位均属非正常复位，应进行故障诊断并能自动恢复非正常复位前的状态。非正常复位的识别：程序的执行总是从0000H开始，导致程序从0000H开始执行有四种可能：一、系统开机上电复位；二、软件故障复位；三、看门狗超时未喂狗硬件复位；四、任务正在执行中掉电后来电复位。四种情况中除第一种情况外均属非正常复位，需加以识别。结论结论设计的基于AT89C51单片机控制的电子负载，能够直接检测被测电源的电流值、电压值，以及在不同大小的负载下电源的输出功率值。各个参数都能直观的在数码管上显示。此电子负载能很好的替代传统的测试方法中一般采用的电阻、滑线变阻器、电阻箱等，更简单、更快捷、更可靠地对电源、变压器、整流器等电子设备进行输出特性的测试。但是，本设计还存在着很多不足，比如是功率消耗型器件，希望能在以后能改善这方面的缺陷。此次设计的电子负载，从最开始的资料搜集，到电路的设计；从最开始的元件选型，到电路板的焊接，再到现在的实物的整体调试……每一步都印证着自己在完成毕业设计任务上一个又一个的成功与失败，迷惑与奋发！遗憾时间的仓促，以及自身能力所限，此次设计存在很多有待改进的方方面面，更存在很多低级的错漏和失误的地方。还请各位学术上的前辈多多包涵见谅。致谢致谢毕业设计持续了两个多月，到此时此刻也算终于完成了。在这我要衷心感谢我的指导老师苗老师，感谢她在这两个多月里对我的帮助。苗老师对事情的尽职尽责，对学生的理解与关怀，在我心中留下深刻的印象。在他的关心帮助下，我才顺利的完成了这个毕业设计任务。再次感谢我的指导老师！感谢刘进耀同学在毕业设计期间与我紧密的合作和支持。在设计中，我们分别承担了硬件和软件的分析设计工作，虽然各有侧重，但我们几乎每天都在一起研究相关资料与文献、讨论软硬件的结合、构思程序在电路上的实现方式。刘进耀的踏实肯干给我留下了深刻的印象，也值得我在日后的工作中学习。参考文献参考文献吴炳胜著80C51单片机原理及应用技术冶金工业出版社2006徐爱钧著智能化测量控制仪表原理与设计北京航空航天大学出版社2007段尚枢著运算放大器应用基础哈尔滨工业大学出版社1998徐玮沈建良著单片机快速入门北京航空航天大学出版社2008吴金戍沈庆阳郭庭吉著8051单片机实践与应用清华大学出版社2002沙占友著集成化智能传感器原理与应用电子工业出版社2004赖寿宏著微型计算机控制技术机械工业出版社1994张迎新著单片微型计算机原理应用及接口技术国防工业出版社1993何立民著单片机高级教程北京航空航天大学出版社2000MOTOROLA公司SimiconductorTechnicalData.1998C51CompilerUser’sGuaide.KeilElektrinikGmbHandKeilSoftwareInc.2000通用集成电路速查手册WWW.21IC.COM.CN芯片查询网站WWW.ALLDATASHEET.COM芯片查询网站WWW.MAXIM-IC.COM网站附录1:电子负载设计程序ORG00HMOVA,#00H9初始化：清显示、数据缓存MOVP2,A9禁止DA输出MOVP1,A9MOV30H,A9MOV31H,A9MOV32H,A9MOV33H,A9MOV3AH,A9CALLDISPTEST9调数码管测试程序CALLADC9启动AD开始转换9999999999999999999999;主程序基本框架99999999999999999999U_DISP:CALLDELAY9显示电压值CALLDELAY9延时消抖JNBP3.5,$9判是否有功能键按下？EE:CALLADCCALLUBCDMOV33H,R49显示数据存缓存区MOV34H,R39CALLDISP9调显示子程序JNBP3.5,I_DISP9判断是否有键按下JNBP3.2,DZY29有“+”键按下否？有则跳到增加程序JNBP3.3,CAT29有“一”键按下否？有则跳到减少程序

JMPEEDZY2:CALLADDJMPEECAT2:CALLSUBJMPEEI_DISP:CALLDELAY；电流显示程序CALLDELAY；延时消抖JNBP3.5,$FF:CALLADCMOV33H,#00HMOV34H,#00HCALLDISPJNBP3.5,P_DISPJNBP3.6,DZY3；有"+”键按下否？有则跳到增加程序JNBP3.7,CAT3；有“一”键按下否？有则跳到减少程序JMPFFDZY3:CALLADDJMPFFCAT3:CALLSUBJMPFFP_DISP:CALLDELAYCALLDELAY；延时消抖JNBP3.5,$GG: