基于89C2051單片機控制的數(shù)控直流電流源設計

康學福

摘 要： 數(shù)字化電源的發(fā)展，已經(jīng)形成了一門綜合性的學科。在現(xiàn)代化工農業(yè)生產、通信、電子儀器儀表、國防事業(yè)以及高新技術的裝備中，高可靠性、高效率的電源，是不可缺少的設備之一。該設計采用89C2051單片機作為控制單元，利用X9241數(shù)字電位器、模/數(shù)轉換器與恒流源電路部分構成數(shù)控可調的恒流電流源，系統(tǒng)中主要應用了數(shù)字電位器，它的輸出電壓作為恒流源部分的參考電壓，該電壓通過電壓跟隨器送入恒流源控制電路，從而實現(xiàn)恒流的輸出。輸出電流的給定由輸入鍵盤來設定， 89C2051通過I2C總線方式與X9241實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。顯示采用4位LED數(shù)碼管，顯示驅動采用軟譯碼方式。

關鍵詞： 89C2051； 數(shù)字電位器； 恒流源； LED數(shù)碼管

中圖分類號： TN919?34； TM919 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）06?0136?04

從電路的總體結構上來看，該系統(tǒng)主要由89C2051單片機控制模塊；數(shù)控電位器X9241、模/數(shù)轉換器與恒流源電路部分構成數(shù)控可調的恒流電流源模塊。緩沖器/驅動器7404驅動4位LED數(shù)碼管組成的顯示模塊以及由鍵盤組成的輸入模塊等組成。

1 各個模塊設計方案分析

因此系統(tǒng)總體上由電源模塊、輸入模塊、控制模塊、電流源模塊和顯示模塊5大部分構成。系統(tǒng)主要框架圖如圖1所示。

1.1 控制模塊

該部分由89C2051單片機來實現(xiàn)，如果采用高性能的專用單片機芯片實現(xiàn)控制，可以很好地同時解決采樣和控制顯示的功能，且高性能的單片機本身帶有D/A和A/D轉換，不需另外設計，但是專用芯片的通用性差，使用起來比較麻煩，且市場價格高。而本電源的設計只需要控制顯示以及對數(shù)控電位器的控制，因此，選用小型單片機89C2051即可。并且該系統(tǒng)不需要與上位機通信，所以選用2 MHz的時鐘頻率。89C2051的P1口每個引腳都有20 mA的灌電流能力，該電流足以驅動共陰極LED顯示器的段碼顯示，因此選用通用性較好，學習起來容易熟悉掌握，而且市場價格低，購買、使用方便的89C2051作控制單元。

1.2 電源模塊

為了使系統(tǒng)的各模塊能夠可靠、穩(wěn)定工作，必須有一個可靠的電源來供電[1]。如果采用獨立的穩(wěn)壓電源供電。此方案的優(yōu)點是穩(wěn)定可靠，并且現(xiàn)在市面上有各種成熟的電路可供選用，但其缺點是系統(tǒng)每個模塊都采用獨立電源，會使系統(tǒng)變得復雜，而且還可能會影響到電路電平[2]。如采用將220 V交流電通過變壓器降壓，再經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓后，得到穩(wěn)定+12 V直流電源[3]。該方案的優(yōu)點是系統(tǒng)相對簡單，系統(tǒng)間的干擾性小，節(jié)約成本，因此電源選擇該方案。電源電路圖如圖2所示。

220 V的交流電壓經(jīng)過整流，濾波，穩(wěn)壓輸出+12 V和[±]5 V的穩(wěn)壓源，為后續(xù)電路提供可靠、準確的穩(wěn)壓電源。設計上采用全波整流電路，并通過濾波電容，然后送入三端集成穩(wěn)壓器LM7812，從而得到穩(wěn)定的+12 V穩(wěn)壓電源。為了改善穩(wěn)壓器的暫態(tài)效應和保護微處理器分別加入了C1和C2兩個電容。LM7905的作用是為了改善調零不準確的問題。

1.3 電流源模塊

電流源部分，主要在于恒流源系統(tǒng)的設計，是該電源系統(tǒng)設計的重點。在整個系統(tǒng)的工作過程中，無論負載是否變化，都需要有一個相對恒定的電流，它的精確程度直接影響到測量參數(shù)的精確與否，決定了系統(tǒng)的成敗。若采用專用恒流源的話，它的性能很穩(wěn)定，簡化了電路設計的過程。但所提供的電流值是固定的不變的，不能根據(jù)需要進行調節(jié)。而該系統(tǒng)設計的目的是得到電流可調的直流電源，為了達到這一目，采用通過改變電位器值的方法。

在此選用X9241數(shù)控電位器，其特點是定位精度高，不易受機械震動的影響，并可以通過程控來實現(xiàn)半自動化調節(jié)[4]。而且，數(shù)字電位器X9241的VH和VL電壓窗口較寬，因而能在許多場合取代機械模擬電位器。X9241內部結構框圖如圖3所示。

共有64個離散的調節(jié)節(jié)點在每個電位器的滑動端，并有一個滑刷控制寄存器WCR以及4個8 b的E2PROM數(shù)據(jù)寄存器。用戶可直接控制WCR，以達到改變電位器滑動端位置的目的。

1.3.1 X9241中輸出電壓值的等效計算方法

為了使恒流源的電流可以人為連續(xù)調節(jié)，該設計是通過X9241可變電位器滑阻的移動而得到可連續(xù)調節(jié)的電流值。為了得到連續(xù)可調的電壓參數(shù)，可以通過X9241的2個數(shù)字電位器來配合使用，其中一個作為粗調，一個作為細調，兩者搭配。具體計算的等效電路圖如圖4所示。

根據(jù)等效電路圖可得。

式中：[Vret=5 V]。式（1）表示設計目的，即得到可變的直流電源。為了達到這一目的必須通過改變電位器值的方法，即改變[nthick]和[nthin]的數(shù)值即可，具體實現(xiàn)方法在軟件在控制中處理[5]。

1.3.2 恒流源工作原理分析

可控恒流電流源工作原理等效電路圖如圖5所示。

通過原理簡圖5可以知道，當負載電阻R3增大時，三極管集電極電流IC將減小，即C點的電位值VC減小，而C點電位經(jīng)過反饋到D點，所以D點的電位值也將下降，根據(jù)電壓比較器的工作原理可知，A點電位比D點電位高，作比較后，使B點電位即三極管基極電位值將增大，通過三極管的放大作用，又使其集電極電流IC增大，起到穩(wěn)定輸出電流的作用[6]。

相反的當負載電阻R3減小時，三極管集電極電流IC增大，即C點電位VC增大，而C點電位經(jīng)過反饋后加到D點，所以D點的電位值也上升，此時，A點電位比D點的低，通過電壓比較器后，使B點電位即三極管基極電位值減小，通過三極管的放大作用，又使其集電極電流IC減小，起到穩(wěn)定輸出電流的作用。

1.4 輸入、輸出顯示模塊

因為輸入只是對輸出恒流電流部分的設定，因此輸入電路相對比較簡單。使用2個按鈕開關作為電壓調整鍵將與微處理器89C2051相連即可。輸出用來顯示設定電流和輸出電流，在這采用LED數(shù)碼管顯示，驅動采用7404六高壓輸出緩沖器/驅動器。驅動電路圖如圖6所示。

1.5 總體數(shù)控電位變換及恒流源電路

硬件設計圖如圖7所示。

2 系統(tǒng)軟件設計

主程序流程圖如圖8所示。鍵盤步進值設定子程序流程圖如圖9所示。

3 系統(tǒng)測試及分析

部分測試數(shù)據(jù)如表1所示，通過測試可得，設計的電源能夠正常工作，鍵盤設定及LED實時顯示輸出電流工作正常，交替顯示電流給定值和實測值切換正常。輸入能提供2檔“+”、“-”步進功能（分別為10 mA普通步進和100 mA快速步進），非常便于使用，在實際應用中很方便，可以進行批量的生產，達到實際應用的要求。

4 結 語

該系統(tǒng)基于89C2051單片機控制的數(shù)控直流電流源，恒流源電路部分的設計中，采用X9241數(shù)控電位器，它具有良好的線性度、精度和溫度穩(wěn)定性；由電信號控制電阻變化；溫度特性好，抗沖擊具有優(yōu)越的環(huán)境適應性；使用壽命長，可靠性高等優(yōu)點。軟件系統(tǒng)的設計上，步進的調整做了復鍵的設計，通過長按和短按就可以實現(xiàn)不同步進電流的設定，改變了以往只能單一步進調整的思路。該系統(tǒng)人機交互性強、操作簡單、工作過程控制靈活、可靠性高，非常適合作為中小型電源來使用。

參考文獻

[1] 徐小濤.數(shù)字電源技術及其應用[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[2] 胡斌，吉玲.電子工程師必備：九大系統(tǒng)電路識圖寶典[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[3] 戶川治朗.實用電源電路設計：從整流電路到開關穩(wěn)壓器[M].高玉蘋，譯.北京：科學出版社，2012.

[4] 逄玉臺，王建華.X9241原理及應用[J].微電子技術，2006，22（10）：138?140.

[5] 孔陳杰，張彥軍.基于X9241的程控增益測試系統(tǒng)的設計[J].儀表技術與傳器，2010（4）：89?92.

[6] 秦曾煌.電工學（下冊）[M].6版.北京：高等教育出版社，2013.

因為輸入只是對輸出恒流電流部分的設定，因此輸入電路相對比較簡單。使用2個按鈕開關作為電壓調整鍵將與微處理器89C2051相連即可。輸出用來顯示設定電流和輸出電流，在這采用LED數(shù)碼管顯示，驅動采用7404六高壓輸出緩沖器/驅動器。驅動電路圖如圖6所示。

1.5 總體數(shù)控電位變換及恒流源電路

硬件設計圖如圖7所示。

2 系統(tǒng)軟件設計

主程序流程圖如圖8所示。鍵盤步進值設定子程序流程圖如圖9所示。

3 系統(tǒng)測試及分析

部分測試數(shù)據(jù)如表1所示，通過測試可得，設計的電源能夠正常工作，鍵盤設定及LED實時顯示輸出電流工作正常，交替顯示電流給定值和實測值切換正常。輸入能提供2檔“+”、“-”步進功能（分別為10 mA普通步進和100 mA快速步進），非常便于使用，在實際應用中很方便，可以進行批量的生產，達到實際應用的要求。

4 結 語

該系統(tǒng)基于89C2051單片機控制的數(shù)控直流電流源，恒流源電路部分的設計中，采用X9241數(shù)控電位器，它具有良好的線性度、精度和溫度穩(wěn)定性；由電信號控制電阻變化；溫度特性好，抗沖擊具有優(yōu)越的環(huán)境適應性；使用壽命長，可靠性高等優(yōu)點。軟件系統(tǒng)的設計上，步進的調整做了復鍵的設計，通過長按和短按就可以實現(xiàn)不同步進電流的設定，改變了以往只能單一步進調整的思路。該系統(tǒng)人機交互性強、操作簡單、工作過程控制靈活、可靠性高，非常適合作為中小型電源來使用。

參考文獻

[1] 徐小濤.數(shù)字電源技術及其應用[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[2] 胡斌，吉玲.電子工程師必備：九大系統(tǒng)電路識圖寶典[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[3] 戶川治朗.實用電源電路設計：從整流電路到開關穩(wěn)壓器[M].高玉蘋，譯.北京：科學出版社，2012.

[4] 逄玉臺，王建華.X9241原理及應用[J].微電子技術，2006，22（10）：138?140.

[5] 孔陳杰，張彥軍.基于X9241的程控增益測試系統(tǒng)的設計[J].儀表技術與傳器，2010（4）：89?92.

[6] 秦曾煌.電工學（下冊）[M].6版.北京：高等教育出版社，2013.

因為輸入只是對輸出恒流電流部分的設定，因此輸入電路相對比較簡單。使用2個按鈕開關作為電壓調整鍵將與微處理器89C2051相連即可。輸出用來顯示設定電流和輸出電流，在這采用LED數(shù)碼管顯示，驅動采用7404六高壓輸出緩沖器/驅動器。驅動電路圖如圖6所示。

1.5 總體數(shù)控電位變換及恒流源電路

硬件設計圖如圖7所示。

2 系統(tǒng)軟件設計

主程序流程圖如圖8所示。鍵盤步進值設定子程序流程圖如圖9所示。

3 系統(tǒng)測試及分析

部分測試數(shù)據(jù)如表1所示，通過測試可得，設計的電源能夠正常工作，鍵盤設定及LED實時顯示輸出電流工作正常，交替顯示電流給定值和實測值切換正常。輸入能提供2檔“+”、“-”步進功能（分別為10 mA普通步進和100 mA快速步進），非常便于使用，在實際應用中很方便，可以進行批量的生產，達到實際應用的要求。

4 結 語

該系統(tǒng)基于89C2051單片機控制的數(shù)控直流電流源，恒流源電路部分的設計中，采用X9241數(shù)控電位器，它具有良好的線性度、精度和溫度穩(wěn)定性；由電信號控制電阻變化；溫度特性好，抗沖擊具有優(yōu)越的環(huán)境適應性；使用壽命長，可靠性高等優(yōu)點。軟件系統(tǒng)的設計上，步進的調整做了復鍵的設計，通過長按和短按就可以實現(xiàn)不同步進電流的設定，改變了以往只能單一步進調整的思路。該系統(tǒng)人機交互性強、操作簡單、工作過程控制靈活、可靠性高，非常適合作為中小型電源來使用。

參考文獻

[1] 徐小濤.數(shù)字電源技術及其應用[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[2] 胡斌，吉玲.電子工程師必備：九大系統(tǒng)電路識圖寶典[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[3] 戶川治朗.實用電源電路設計：從整流電路到開關穩(wěn)壓器[M].高玉蘋，譯.北京：科學出版社，2012.

[4] 逄玉臺，王建華.X9241原理及應用[J].微電子技術，2006，22（10）：138?140.

[5] 孔陳杰，張彥軍.基于X9241的程控增益測試系統(tǒng)的設計[J].儀表技術與傳器，2010（4）：89?92.

[6] 秦曾煌.電工學（下冊）[M].6版.北京：高等教育出版社，2013.