基于89C2051單片機(jī)控制的數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)

康學(xué)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(xué)科。在現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、通信、電子儀器儀表、國(guó)防事業(yè)以及高新技術(shù)的裝備中，高可靠性、高效率的電源，是不可缺少的設(shè)備之一。該設(shè)計(jì)采用89C2051單片機(jī)作為控制單元，利用X9241數(shù)字電位器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器與恒流源電路部分構(gòu)成數(shù)控可調(diào)的恒流電流源，系統(tǒng)中主要應(yīng)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(guò)電壓跟隨器送入恒流源控制電路，從而實(shí)現(xiàn)恒流的輸出。輸出電流的給定由輸入鍵盤來(lái)設(shè)定， 89C2051通過(guò)I2C總線方式與X9241實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。顯示采用4位LED數(shù)碼管，顯示驅(qū)動(dòng)采用軟譯碼方式。

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

中圖分類號(hào)： TN919?34； TM919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）06?0136?04

從電路的總體結(jié)構(gòu)上來(lái)看，該系統(tǒng)主要由89C2051單片機(jī)控制模塊；數(shù)控電位器X9241、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器與恒流源電路部分構(gòu)成數(shù)控可調(diào)的恒流電流源模塊。緩沖器/驅(qū)動(dòng)器7404驅(qū)動(dòng)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(gè)模塊設(shè)計(jì)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(gòu)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(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果采用高性能的專用單片機(jī)芯片實(shí)現(xiàn)控制，可以很好地同時(shí)解決采樣和控制顯示的功能，且高性能的單片機(jī)本身帶有D/A和A/D轉(zhuǎn)換，不需另外設(shè)計(jì)，但是專用芯片的通用性差，使用起來(lái)比較麻煩，且市場(chǎng)價(jià)格高。而本電源的設(shè)計(jì)只需要控制顯示以及對(duì)數(shù)控電位器的控制，因此，選用小型單片機(jī)89C2051即可。并且該系統(tǒng)不需要與上位機(jī)通信，所以選用2 MHz的時(shí)鐘頻率。89C2051的P1口每個(gè)引腳都有20 mA的灌電流能力，該電流足以驅(qū)動(dòng)共陰極LED顯示器的段碼顯示，因此選用通用性較好，學(xué)習(xí)起來(lái)容易熟悉掌握，而且市場(chǎng)價(jià)格低，購(gòu)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(gè)可靠的電源來(lái)供電[1]。如果采用獨(dú)立的穩(wěn)壓電源供電。此方案的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是系統(tǒng)每個(gè)模塊都采用獨(dú)立電源，會(huì)使系統(tǒng)變得復(fù)雜，而且還可能會(huì)影響到電路電平[2]。如采用將220 V交流電通過(guò)變壓器降壓，再經(jīng)過(guò)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(diǎn)是系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)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(guò)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(zhǔn)確的穩(wěn)壓電源。設(shè)計(jì)上采用全波整流電路，并通過(guò)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(yīng)和保護(hù)微處理器分別加入了C1和C2兩個(gè)電容。LM7905的作用是為了改善調(diào)零不準(zhǔn)確的問(wèn)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(shè)計(jì)，是該電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。在整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程中，無(wú)論負(fù)載是否變化，都需要有一個(gè)相對(duì)恒定的電流，它的精確程度直接影響到測(cè)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(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)的過(guò)程。但所提供的電流值是固定的不變的，不能根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。而該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是得到電流可調(diào)的直流電源，為了達(dá)到這一目，采用通過(guò)改變電位器值的方法。

在此選用X9241數(shù)控電位器，其特點(diǎn)是定位精度高，不易受機(jī)械震動(dòng)的影響，并可以通過(guò)程控來(lái)實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化調(diào)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(chǎng)合取代機(jī)械模擬電位器。X9241內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

共有64個(gè)離散的調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)電位器的滑動(dòng)端，并有一個(gè)滑刷控制寄存器WCR以及4個(gè)8 b的E2PROM數(shù)據(jù)寄存器。用戶可直接控制WCR，以達(dá)到改變電位器滑動(dòng)端位置的目的。

1.3.1 X9241中輸出電壓值的等效計(jì)算方法

為了使恒流源的電流可以人為連續(xù)調(diào)節(jié)，該設(shè)計(jì)是通過(guò)X9241可變電位器滑阻的移動(dòng)而得到可連續(xù)調(diào)節(jié)的電流值。為了得到連續(xù)可調(diào)的電壓參數(shù)，可以通過(guò)X9241的2個(gè)數(shù)字電位器來(lái)配合使用，其中一個(gè)作為粗調(diào)，一個(gè)作為細(xì)調(diào)，兩者搭配。具體計(jì)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(shè)計(jì)目的，即得到可變的直流電源。為了達(dá)到這一目的必須通過(guò)改變電位器值的方法，即改變[nthick]和[nthin]的數(shù)值即可，具體實(shí)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(guò)原理簡(jiǎn)圖5可以知道，當(dāng)負(fù)載電阻R3增大時(shí)，三極管集電極電流IC將減小，即C點(diǎn)的電位值VC減小，而C點(diǎn)電位經(jīng)過(guò)反饋到D點(diǎn)，所以D點(diǎn)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(diǎn)電位比D點(diǎn)電位高，作比較后，使B點(diǎn)電位即三極管基極電位值將增大，通過(guò)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(dāng)負(fù)載電阻R3減小時(shí)，三極管集電極電流IC增大，即C點(diǎn)電位VC增大，而C點(diǎn)電位經(jīng)過(guò)反饋后加到D點(diǎn)，所以D點(diǎn)的電位值也上升，此時(shí)，A點(diǎn)電位比D點(diǎn)的低，通過(guò)電壓比較器后，使B點(diǎn)電位即三極管基極電位值減小，通過(guò)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?yàn)檩斎胫皇菍?duì)輸出恒流電流部分的設(shè)定，因此輸入電路相對(duì)比較簡(jiǎn)單。使用2個(gè)按鈕開關(guān)作為電壓調(diào)整鍵將與微處理器89C2051相連即可。輸出用來(lái)顯示設(shè)定電流和輸出電流，在這采用LED數(shù)碼管顯示，驅(qū)動(dòng)采用7404六高壓輸出緩沖器/驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)圖如圖7所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖8所示。鍵盤步進(jìn)值設(shè)定子程序流程圖如圖9所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試及分析

部分測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，通過(guò)測(cè)試可得，設(shè)計(jì)的電源能夠正常工作，鍵盤設(shè)定及LED實(shí)時(shí)顯示輸出電流工作正常，交替顯示電流給定值和實(shí)測(cè)值切換正常。輸入能提供2檔“+”、“-”步進(jìn)功能（分別為10 mA普通步進(jìn)和100 mA快速步進(jìn)），非常便于使用，在實(shí)際應(yīng)用中很方便，可以進(jìn)行批量的生產(chǎn)，達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)基于89C2051單片機(jī)控制的數(shù)控直流電流源，恒流源電路部分的設(shè)計(jì)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(hào)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(yīng)性；使用壽命長(zhǎng)，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，步進(jìn)的調(diào)整做了復(fù)鍵的設(shè)計(jì)，通過(guò)長(zhǎng)按和短按就可以實(shí)現(xiàn)不同步進(jìn)電流的設(shè)定，改變了以往只能單一步進(jìn)調(diào)整的思路。該系統(tǒng)人機(jī)交互性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、工作過(guò)程控制靈活、可靠性高，非常適合作為中小型電源來(lái)使用。

參考文獻(xiàn)

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

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[3] 戶川治朗.實(shí)用電源電路設(shè)計(jì)：從整流電路到開關(guān)穩(wěn)壓器[M].高玉蘋，譯.北京：科學(xué)出版社，2012.

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

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

因?yàn)檩斎胫皇菍?duì)輸出恒流電流部分的設(shè)定，因此輸入電路相對(duì)比較簡(jiǎn)單。使用2個(gè)按鈕開關(guān)作為電壓調(diào)整鍵將與微處理器89C2051相連即可。輸出用來(lái)顯示設(shè)定電流和輸出電流，在這采用LED數(shù)碼管顯示，驅(qū)動(dòng)采用7404六高壓輸出緩沖器/驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)圖如圖7所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖8所示。鍵盤步進(jìn)值設(shè)定子程序流程圖如圖9所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試及分析

部分測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，通過(guò)測(cè)試可得，設(shè)計(jì)的電源能夠正常工作，鍵盤設(shè)定及LED實(shí)時(shí)顯示輸出電流工作正常，交替顯示電流給定值和實(shí)測(cè)值切換正常。輸入能提供2檔“+”、“-”步進(jìn)功能（分別為10 mA普通步進(jìn)和100 mA快速步進(jìn)），非常便于使用，在實(shí)際應(yīng)用中很方便，可以進(jìn)行批量的生產(chǎn)，達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)基于89C2051單片機(jī)控制的數(shù)控直流電流源，恒流源電路部分的設(shè)計(jì)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(hào)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(yīng)性；使用壽命長(zhǎng)，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，步進(jìn)的調(diào)整做了復(fù)鍵的設(shè)計(jì)，通過(guò)長(zhǎng)按和短按就可以實(shí)現(xiàn)不同步進(jìn)電流的設(shè)定，改變了以往只能單一步進(jìn)調(diào)整的思路。該系統(tǒng)人機(jī)交互性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、工作過(guò)程控制靈活、可靠性高，非常適合作為中小型電源來(lái)使用。

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因?yàn)檩斎胫皇菍?duì)輸出恒流電流部分的設(shè)定，因此輸入電路相對(duì)比較簡(jiǎn)單。使用2個(gè)按鈕開關(guān)作為電壓調(diào)整鍵將與微處理器89C2051相連即可。輸出用來(lái)顯示設(shè)定電流和輸出電流，在這采用LED數(shù)碼管顯示，驅(qū)動(dòng)采用7404六高壓輸出緩沖器/驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)圖如圖7所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖8所示。鍵盤步進(jìn)值設(shè)定子程序流程圖如圖9所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試及分析

部分測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，通過(guò)測(cè)試可得，設(shè)計(jì)的電源能夠正常工作，鍵盤設(shè)定及LED實(shí)時(shí)顯示輸出電流工作正常，交替顯示電流給定值和實(shí)測(cè)值切換正常。輸入能提供2檔“+”、“-”步進(jìn)功能（分別為10 mA普通步進(jìn)和100 mA快速步進(jìn)），非常便于使用，在實(shí)際應(yīng)用中很方便，可以進(jìn)行批量的生產(chǎn)，達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)基于89C2051單片機(jī)控制的數(shù)控直流電流源，恒流源電路部分的設(shè)計(jì)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(hào)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(yīng)性；使用壽命長(zhǎng)，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，步進(jìn)的調(diào)整做了復(fù)鍵的設(shè)計(jì)，通過(guò)長(zhǎng)按和短按就可以實(shí)現(xiàn)不同步進(jìn)電流的設(shè)定，改變了以往只能單一步進(jìn)調(diào)整的思路。該系統(tǒng)人機(jī)交互性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、工作過(guò)程控制靈活、可靠性高，非常適合作為中小型電源來(lái)使用。

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