基于89C2051单片机控制的数控直流电流源设计

康学福

摘 要： 数字化电源的发展，已经形成了一门综合性的学科。在现代化工农业生产、通信、电子仪器仪表、国防事业以及高新技术的装备中，高可靠性、高效率的电源，是不可缺少的设备之一。该设计采用89C2051单片机作为控制单元，利用X9241数字电位器、模/数转换器与恒流源电路部分构成数控可调的恒流电流源，系统中主要应用了数字电位器，它的输出电压作为恒流源部分的参考电压，该电压通过电压跟随器送入恒流源控制电路，从而实现恒流的输出。输出电流的给定由输入键盘来设定， 89C2051通过I2C总线方式与X9241实现数据的传输。显示采用4位LED数码管，显示驱动采用软译码方式。

关键词： 89C2051； 数字电位器； 恒流源； LED数码管

中图分类号： TN919?34； TM919 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）06?0136?04

从电路的总体结构上来看，该系统主要由89C2051单片机控制模块；数控电位器X9241、模/数转换器与恒流源电路部分构成数控可调的恒流电流源模块。缓冲器/驱动器7404驱动4位LED数码管组成的显示模块以及由键盘组成的输入模块等组成。

1 各个模块设计方案分析

因此系统总体上由电源模块、输入模块、控制模块、电流源模块和显示模块5大部分构成。系统主要框架图如图1所示。

1.1 控制模块

该部分由89C2051单片机来实现，如果采用高性能的专用单片机芯片实现控制，可以很好地同时解决采样和控制显示的功能，且高性能的单片机本身带有D/A和A/D转换，不需另外设计，但是专用芯片的通用性差，使用起来比较麻烦，且市场价格高。而本电源的设计只需要控制显示以及对数控电位器的控制，因此，选用小型单片机89C2051即可。并且该系统不需要与上位机通信，所以选用2 MHz的时钟频率。89C2051的P1口每个引脚都有20 mA的灌电流能力，该电流足以驱动共阴极LED显示器的段码显示，因此选用通用性较好，学习起来容易熟悉掌握，而且市场价格低，购买、使用方便的89C2051作控制单元。

1.2 电源模块

为了使系统的各模块能够可靠、稳定工作，必须有一个可靠的电源来供电[1]。如果采用独立的稳压电源供电。此方案的优点是稳定可靠，并且现在市面上有各种成熟的电路可供选用，但其缺点是系统每个模块都采用独立电源，会使系统变得复杂，而且还可能会影响到电路电平[2]。如采用将220 V交流电通过变压器降压，再经过整流、滤波、稳压后，得到稳定+12 V直流电源[3]。该方案的优点是系统相对简单，系统间的干扰性小，节约成本，因此电源选择该方案。电源电路图如图2所示。

220 V的交流电压经过整流，滤波，稳压输出+12 V和[±]5 V的稳压源，为后续电路提供可靠、准确的稳压电源。设计上采用全波整流电路，并通过滤波电容，然后送入三端集成稳压器LM7812，从而得到稳定的+12 V稳压电源。为了改善稳压器的暂态效应和保护微处理器分别加入了C1和C2两个电容。LM7905的作用是为了改善调零不准确的问题。

1.3 电流源模块

电流源部分，主要在于恒流源系统的设计，是该电源系统设计的重点。在整个系统的工作过程中，无论负载是否变化，都需要有一个相对恒定的电流，它的精确程度直接影响到测量参数的精确与否，决定了系统的成败。若采用专用恒流源的话，它的性能很稳定，简化了电路设计的过程。但所提供的电流值是固定的不变的，不能根据需要进行调节。而该系统设计的目的是得到电流可调的直流电源，为了达到这一目，采用通过改变电位器值的方法。

在此选用X9241数控电位器，其特点是定位精度高，不易受机械震动的影响，并可以通过程控来实现半自动化调节[4]。而且，数字电位器X9241的VH和VL电压窗口较宽，因而能在许多场合取代机械模拟电位器。X9241内部结构框图如图3所示。

共有64个离散的调节节点在每个电位器的滑动端，并有一个滑刷控制寄存器WCR以及4个8 b的E2PROM数据寄存器。用户可直接控制WCR，以达到改变电位器滑动端位置的目的。

1.3.1 X9241中输出电压值的等效计算方法

为了使恒流源的电流可以人为连续调节，该设计是通过X9241可变电位器滑阻的移动而得到可连续调节的电流值。为了得到连续可调的电压参数，可以通过X9241的2个数字电位器来配合使用，其中一个作为粗调，一个作为细调，两者搭配。具体计算的等效电路图如图4所示。

根据等效电路图可得。

式中：[Vret=5 V]。式（1）表示设计目的，即得到可变的直流电源。为了达到这一目的必须通过改变电位器值的方法，即改变[nthick]和[nthin]的数值即可，具体实现方法在软件在控制中处理[5]。

1.3.2 恒流源工作原理分析

可控恒流电流源工作原理等效电路图如图5所示。

通过原理简图5可以知道，当负载电阻R3增大时，三极管集电极电流IC将减小，即C点的电位值VC减小，而C点电位经过反馈到D点，所以D点的电位值也将下降，根据电压比较器的工作原理可知，A点电位比D点电位高，作比较后，使B点电位即三极管基极电位值将增大，通过三极管的放大作用，又使其集电极电流IC增大，起到稳定输出电流的作用[6]。

相反的当负载电阻R3减小时，三极管集电极电流IC增大，即C点电位VC增大，而C点电位经过反馈后加到D点，所以D点的电位值也上升，此时，A点电位比D点的低，通过电压比较器后，使B点电位即三极管基极电位值减小，通过三极管的放大作用，又使其集电极电流IC减小，起到稳定输出电流的作用。

1.4 输入、输出显示模块

因为输入只是对输出恒流电流部分的设定，因此输入电路相对比较简单。使用2个按钮开关作为电压调整键将与微处理器89C2051相连即可。输出用来显示设定电流和输出电流，在这采用LED数码管显示，驱动采用7404六高压输出缓冲器/驱动器。驱动电路图如图6所示。

1.5 总体数控电位变换及恒流源电路

硬件设计图如图7所示。

2 系统软件设计

主程序流程图如图8所示。键盘步进值设定子程序流程图如图9所示。

3 系统测试及分析

部分测试数据如表1所示，通过测试可得，设计的电源能够正常工作，键盘设定及LED实时显示输出电流工作正常，交替显示电流给定值和实测值切换正常。输入能提供2档“+”、“-”步进功能（分别为10 mA普通步进和100 mA快速步进），非常便于使用，在实际应用中很方便，可以进行批量的生产，达到实际应用的要求。

4 结 语

该系统基于89C2051单片机控制的数控直流电流源，恒流源电路部分的设计中，采用X9241数控电位器，它具有良好的线性度、精度和温度稳定性；由电信号控制电阻变化；温度特性好，抗冲击具有优越的环境适应性；使用寿命长，可靠性高等优点。软件系统的设计上，步进的调整做了复键的设计，通过长按和短按就可以实现不同步进电流的设定，改变了以往只能单一步进调整的思路。该系统人机交互性强、操作简单、工作过程控制灵活、可靠性高，非常适合作为中小型电源来使用。

参考文献

[1] 徐小涛.数字电源技术及其应用[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[2] 胡斌，吉玲.电子工程师必备：九大系统电路识图宝典[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[3] 户川治朗.实用电源电路设计：从整流电路到开关稳压器[M].高玉苹，译.北京：科学出版社，2012.

[4] 逄玉台，王建华.X9241原理及应用[J].微电子技术，2006，22（10）：138?140.

[5] 孔陈杰，张彦军.基于X9241的程控增益测试系统的设计[J].仪表技术与传器，2010（4）：89?92.

[6] 秦曾煌.电工学（下册）[M].6版.北京：高等教育出版社，2013.

因为输入只是对输出恒流电流部分的设定，因此输入电路相对比较简单。使用2个按钮开关作为电压调整键将与微处理器89C2051相连即可。输出用来显示设定电流和输出电流，在这采用LED数码管显示，驱动采用7404六高压输出缓冲器/驱动器。驱动电路图如图6所示。

1.5 总体数控电位变换及恒流源电路

硬件设计图如图7所示。

2 系统软件设计

主程序流程图如图8所示。键盘步进值设定子程序流程图如图9所示。

3 系统测试及分析

部分测试数据如表1所示，通过测试可得，设计的电源能够正常工作，键盘设定及LED实时显示输出电流工作正常，交替显示电流给定值和实测值切换正常。输入能提供2档“+”、“-”步进功能（分别为10 mA普通步进和100 mA快速步进），非常便于使用，在实际应用中很方便，可以进行批量的生产，达到实际应用的要求。

4 结 语

该系统基于89C2051单片机控制的数控直流电流源，恒流源电路部分的设计中，采用X9241数控电位器，它具有良好的线性度、精度和温度稳定性；由电信号控制电阻变化；温度特性好，抗冲击具有优越的环境适应性；使用寿命长，可靠性高等优点。软件系统的设计上，步进的调整做了复键的设计，通过长按和短按就可以实现不同步进电流的设定，改变了以往只能单一步进调整的思路。该系统人机交互性强、操作简单、工作过程控制灵活、可靠性高，非常适合作为中小型电源来使用。

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[4] 逄玉台，王建华.X9241原理及应用[J].微电子技术，2006，22（10）：138?140.

[5] 孔陈杰，张彦军.基于X9241的程控增益测试系统的设计[J].仪表技术与传器，2010（4）：89?92.

[6] 秦曾煌.电工学（下册）[M].6版.北京：高等教育出版社，2013.

因为输入只是对输出恒流电流部分的设定，因此输入电路相对比较简单。使用2个按钮开关作为电压调整键将与微处理器89C2051相连即可。输出用来显示设定电流和输出电流，在这采用LED数码管显示，驱动采用7404六高压输出缓冲器/驱动器。驱动电路图如图6所示。

1.5 总体数控电位变换及恒流源电路

硬件设计图如图7所示。

2 系统软件设计

主程序流程图如图8所示。键盘步进值设定子程序流程图如图9所示。

3 系统测试及分析

部分测试数据如表1所示，通过测试可得，设计的电源能够正常工作，键盘设定及LED实时显示输出电流工作正常，交替显示电流给定值和实测值切换正常。输入能提供2档“+”、“-”步进功能（分别为10 mA普通步进和100 mA快速步进），非常便于使用，在实际应用中很方便，可以进行批量的生产，达到实际应用的要求。

4 结 语

该系统基于89C2051单片机控制的数控直流电流源，恒流源电路部分的设计中，采用X9241数控电位器，它具有良好的线性度、精度和温度稳定性；由电信号控制电阻变化；温度特性好，抗冲击具有优越的环境适应性；使用寿命长，可靠性高等优点。软件系统的设计上，步进的调整做了复键的设计，通过长按和短按就可以实现不同步进电流的设定，改变了以往只能单一步进调整的思路。该系统人机交互性强、操作简单、工作过程控制灵活、可靠性高，非常适合作为中小型电源来使用。

参考文献

[1] 徐小涛.数字电源技术及其应用[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[2] 胡斌，吉玲.电子工程师必备：九大系统电路识图宝典[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[3] 户川治朗.实用电源电路设计：从整流电路到开关稳压器[M].高玉苹，译.北京：科学出版社，2012.

[4] 逄玉台，王建华.X9241原理及应用[J].微电子技术，2006，22（10）：138?140.

[5] 孔陈杰，张彦军.基于X9241的程控增益测试系统的设计[J].仪表技术与传器，2010（4）：89?92.

[6] 秦曾煌.电工学（下册）[M].6版.北京：高等教育出版社，2013.