前言
負載檢測是電源、通信、蓄電池、能源等領域的重要環節。傳統的測試電源負載常將電阻、電感、電容等進行串并聯組合來模擬實際負載情況，這種方法的缺點是負載形式單一，負載大小不能進行連續調節，且占用較大的安裝空間，電能損耗量大。直流電子負載利用功率場效應管、絕緣柵雙極型晶體管( I G B T ) 等功率半導體電子元件吸收電能并將電能消耗掉，實現了負載參數可調的功能，并具有很高的精度和穩定性，在測試電源設備方面得到了廣泛的應用。
1. 系統組成和幾種工作模式的原理
如下圖所示，系統以AVR ATmega64單片機微處理器作為控制核心，外圍配置有檢測電路、檢測顯示設備、鍵盤輸入控制設備、功率控制單元等組成。
該系統的鍵盤控制輸入部分可以根據檢測需要設定參數，選擇是恒流、恒壓、恒阻或者是恒功率等工作模式。其中恒流模式是通過鍵盤編程設置電流值，使得流過電子負載的電流保持恒定不變，不隨電壓的變化而變化。系統工作于恒壓模式時，流入電子負載的電流依據所設定的負載電壓而定，此時負載電流將會增加，直到負載電壓等于設定值為止，在此之后，電子負載的電壓保持不變。恒阻模式，這種模式下，流入電子負載的電流依據鍵盤輸入的電阻值和電壓值大小來確定，此時的電子負載就相當于一個固定電阻，流過電子負載的電流與輸入電壓成正比，比值為鍵盤設定的電阻值，保持不變。在恒功率模式下，流過電子負載的負載電流依據鍵盤所設定的負載功率的大小而定，此時負載電流與輸入電壓乘積等于負載功率的設定值，即負載功率保持設定值不變。
2. 系統硬件設計
該系統的硬件設計采用的技術方案為“PIC單片機處理器控制核心+電力電子功率器件+通信監控”。系統設計除了AVR ATmega64單片機控制模塊的設計外還有采樣電路的設計、顯示模塊的設計、鍵盤輸入電路的設計、電源電路的設計、保護電路的設計以及通信電路的設計，各模塊分別設計，然后連接組合，使得系統運行穩定，易于檢查維修與升級。下面對幾個重要模塊的設計做一介紹：
2.1 A/D采樣電路
在系統的檢查和測量環節中，需要使負載準確地工作在不同的模式下，這時在設計時就要對電源的輸出電壓和MOS管的電流進行實時采樣。采樣過程電路需要使得電子負載的輸入電壓與A/D采樣端的輸入電壓信號一致，這就需要先進行分壓設計。設計時首先將采樣電路進行分壓，用采樣電阻將電流信號轉換為電壓信號，然后再進行檔位切換，經過積分運算后用ATmega64自帶的具有10位精度的逐次逼近型A/D對采樣電壓信號進行A/D采集。這樣的設計既可滿足采樣要求，又可以簡化電路。
2.2 鍵盤編程電路
系統的鍵盤編程電路可以設計5個按鍵來供工作人員操作。這5個按鍵分別為“恒流模式”、“恒壓模式”、“恒阻模式”、“恒功率模式”、“OK”、“右移”、“+”、“—”。
開機進入系統后首先按鍵從四種模式中選擇一種，然后點擊“OK”，系統自動進入參數設置界面，然后用“右移”鍵將光標停留在需要設置的參數上面，再用“+”或“—”按鍵進行參數設定，設定完成后按下“OK”，系統就退出設定狀態，自動進入工作狀態。系統的鍵盤編程電路設計方便了工作人員對系統的調節控制。
2.3 顯示模塊
本系統選用的顯示模塊為LCD，型號為 NHDC12864MZ-NSW-BTW，這款LCD可以顯示漢字，字符和圖形，還可以實現屏幕的滾動和翻頁，具有功耗低、體積小、易編程操作的優點。在編程設計時應先對顯示區域進行規劃，然后再進行編程驅動。本系統中采用分頁顯示的思路，將顯示界面分為三頁進行設計，即模式界面、參數設置界面和測量結果顯示界面。這種設計方法不但輕松地實現了顯示功能，還具有可以與按鍵同步、調試簡單的優點。
2.4 通信模塊
為了在系統運行時可以在上位機上進行實時監測，需要將電子負載和電腦連接起來。該系統在信息傳遞時采用RS485串行通信方式，RS485為半雙工通信方式，具有可長距離傳輸信號(可達1200m)、多站傳輸、抗噪聲干擾強等優點。系統選用美信公司的MAX485收發芯片，將芯片的R1OUT引腳和T1IN引腳與ATmega64的RXD引腳和TXD引腳相連，將傳輸過來的數據用于上位機電子負載工作曲線的繪制和系統運行狀態監測。
3. 系統軟件設計
在系統的軟件設計中，將采集回來的電壓數據和電流數據經AVR ATmega64單片機的A/D轉換接口進入微處理器，再與預先設定的數值進行比較，*后按照鍵盤輸入的功率進行控制，將參數顯示到LCD12864顯示模塊上，并將數據通過串口發送到上位機進行實時監測。
系統程序中設定了四個工作模式的數據采集函數集、LCD12864顯示函數集、串口發送數據函數集和中斷服務函數等，供主函數的調用。主程序開始執行時先對數據采集模塊、LCD顯示模塊、A/D采集模塊、通信模塊等各個模塊進行初始化，然后再依據選擇順序執行，以下為主程序的流程圖，可以清晰、有條理地理清系統運行流程。
4. 上位機監控系統
系統的上位機監控系統在設計時可采用功能強大又易于操作的VB語言，用MSComm控件設計了串口通信程序，采集由下位機ATmega64發送來的數據，并將數據用于實時監控界面圖表的繪制，便于工作人員進行調整。
5. 結語
本文系統以AVR ATmega64單片機為控制核心，給出了可以在恒流、恒壓、恒阻和恒功率四種工作模式下工作的多功能直流電子負載設計方案。系統可以實現對被測直流電源和一些功率電子元器件的特性進行測試，希望能為電子負載的設計人員提供參考。
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