基于avr单片机电子负载监控系统设计毕业论文(编辑修改稿)

基于avr单片机电子负载监控系统设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

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。 通过控制其基极湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 3 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 为这种电子负载的实验系统示意图。 图 电子负载的实验系统示意图 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。 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 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 4 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 ； 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 5 第二章 电子负载系统分析 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 0～ 20A，电压 0～ 34V 的直流电子负载。 图 系统总体结 构图 图 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。 驱动 电流检测 被测电源 A/D 电压检测 A/D ATmega88 单片机 串口通信 键盘 运行指示 隔离 上位机 485 MOS 管电路 PWM 控制 电子负载 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 6 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。 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。 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) 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。 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 所示： 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 7 图 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 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220V 50HZ DC AC 被测电源 2 电子负载 2 DC AC DC AC 被测电源 3 电子负载 3 DC AC DC AC 被测电源 1 1 电子负载 1 DC AC DC AC 被测电源 N 电子负载 N DC AC 人机界面 工业控制机 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 8 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 所示。 图 电子负载组织框图 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Nm 老化架 M 现场总线 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 9 第三章 系统硬件设计 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 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湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 10 或带上拉电阻输入，具备 10mA20mA 灌电流的能力； (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 ～ 之。