單片機(jī)掉電檢測(cè)與數(shù)據(jù)掉電保存方案解讀

單片機(jī)在正常工作時(shí)，因某種原因造成突然掉電，將會(huì)丟失數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)里的數(shù)據(jù)。在某些應(yīng)用場(chǎng)合如測(cè)量、控制等領(lǐng)域，單片機(jī)正常工作中采集和運(yùn)算出一些重要數(shù)據(jù)，待下次上電后需要恢復(fù)這些重要數(shù)據(jù)。因此，在一些沒(méi)有后備供電系統(tǒng)的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，有必要在系統(tǒng)完全斷電之前，把這些采集到的或計(jì)算出的重要數(shù)據(jù)存在在EEPROM中。為此，通常做法是在這些系統(tǒng)中加入單片機(jī)掉電檢測(cè)電路與單片機(jī)掉電數(shù)據(jù)保存。

用法拉電容可從容實(shí)現(xiàn)單片機(jī)掉電檢測(cè)與數(shù)據(jù)掉電保存。電路見(jiàn)下圖。這里首先用6V供電(如7806),為什么用6V不用5V是顯而易見(jiàn)的.電路中的二極管們一般都起兩個(gè)作用,一是起鉗位作用,鉗去0.6V,保證使大多數(shù)51系列的單片機(jī)都能在4.5V--5.5V之間的標(biāo)稱工作電壓下工作.而4.5-5.5間這1V電壓在0.47F電容的電荷流失時(shí)間就是我們將來(lái)在單片機(jī)掉電檢測(cè)報(bào)警后我們可以規(guī)劃的預(yù)警回旋時(shí)間。二是利用單向?qū)щ娦员ＷC向儲(chǔ)能電容0.47F/5.5V單向沖電。

兩只47歐電阻作用:第一，對(duì)單片機(jī)供電限流。一般地單片機(jī)電源直接接7805上,這是個(gè)不保險(xiǎn)的做法,為什么?因?yàn)?805可提供高達(dá)2A的供電電流,異常時(shí)足夠把單片機(jī)芯片內(nèi)部燒毀.有這個(gè)47歐姆電阻保護(hù)，即使把芯片或者極性插反也不會(huì)燒單片機(jī)和三端穩(wěn)壓器,但這個(gè)電阻也不能太大,上限不要超過(guò)220歐,否則對(duì)單片機(jī)內(nèi)部編程時(shí),會(huì)編程失敗(其實(shí)是電源不足).第二，和47UF和0.01UF電容一起用于加強(qiáng)電源濾波.第三，對(duì)0.47F/5.5V儲(chǔ)能電容,串入的這只47歐電阻消除"巨量法拉電容"的上電浪涌.實(shí)現(xiàn)沖電電流削峰。

現(xiàn)在我們算一算要充滿0.47F電容到5.5V,即使用5.5A恒流對(duì)0.47F電容沖電,也需要0.47秒才能沖到5.5V,因此我們可以知道:

1.如果沒(méi)有47歐姆電阻限流,上電瞬間三端穩(wěn)壓器必然因強(qiáng)大過(guò)電流而進(jìn)入自保.

2.長(zhǎng)達(dá)0.47秒(如果真有5.5A恒流充電的話)緩慢上電,如此緩慢的上電速率,將使得以微分(RC電路)為復(fù)位電路的51單片機(jī)因?yàn)樯想娞裏o(wú)法實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位.(其實(shí)要充滿0.47UF電容常常需要幾分種).

3.正因?yàn)樯想姇r(shí)間太慢,將無(wú)法和今天大多數(shù)主流的以在線寫(xiě)入(ISP)類單片機(jī)與寫(xiě)片上位計(jì)算機(jī)軟件上預(yù)留的等待應(yīng)答時(shí)間嚴(yán)重不匹配(一般都不大于500MS),從而造成應(yīng)答失步,故總是提示"通信失敗".

知道這個(gè)道理你就不難理解這個(gè)電路最上面的二極管和電阻串聯(lián)起來(lái)就是必須要有上電加速電路.這里還用了一只(內(nèi)部空心不帶藍(lán)色的)肖特基二極管(1N5819)從法拉電容向單片機(jī)VCC放電,還同時(shí)阻斷法拉電容對(duì)上電加速電路的旁路作用,用肖特基二極管是基于其在小電流下導(dǎo)通電壓只有0.2V左右考慮的,目的是盡量減少法拉電容在單片機(jī)掉電時(shí)的電壓損失.多留掉點(diǎn)維持時(shí)間。

三極管9014和鉗制位二極管分壓電阻墊位電阻(470歐姆)等構(gòu)成基極上發(fā)射極雙端輸入比較器,實(shí)現(xiàn)單片機(jī)掉電檢測(cè)和發(fā)出最高優(yōu)先級(jí)的掉電中斷,單片機(jī)掉電保存程執(zhí)行。這部分電路相當(dāng)于半只比較器LM393,但電路更簡(jiǎn)單耗電更省(掉電時(shí)耗電小于0.15MA).

47K電阻和470歐姆二極管1N4148一道構(gòu)成嵌位電路,保證基極電位大約在0.65V左右 (可這樣計(jì)算0.6(二極管導(dǎo)通電壓)+5*0.47/47),這樣如果9014發(fā)射極電壓為0(此時(shí)就是外部掉電),三極管9014正好導(dǎo)通,而且因?yàn)?1單片機(jī)P3.2高電平為弱上拉(大約50UA),此時(shí)9014一定是導(dǎo)通且弱電流飽和的,這樣就向單片機(jī)內(nèi)部發(fā)出最高硬件優(yōu)先級(jí)的INX0掉電檢測(cè)中斷.

而在平時(shí)正常供電時(shí),因發(fā)射極上也大約有6*0.22/2.2=0.6V電壓上頂,不難發(fā)現(xiàn)三極管9014一定處于截止?fàn)顟B(tài),而使P3.2維持高電平的，單片機(jī)掉電保存中斷程序不被觸發(fā)。

最后還有兩個(gè)重要軟件和硬件note：

軟件上:首先INX0在硬件上(設(shè)計(jì))是處于最高優(yōu)先級(jí)的,這里還必須要在軟件保證最高級(jí)別的優(yōu)先.從而確保單片機(jī)掉電時(shí)外部中斷0能打斷其他任何進(jìn)程,最高優(yōu)先地被檢測(cè)和執(zhí)行.其次在INX0的掉電保存寫(xiě)入子程序模塊入口,還要用:

MOV P1,#00H
MOV P2,#00H
MOV P3,#00H
MOV P0,#00H
SJMP 掉電保存

來(lái)阻斷法拉電容的電荷通過(guò)單片機(jī)口線外泄和隨后跳轉(zhuǎn)掉電保存寫(xiě)入子程序模塊.(見(jiàn)硬件要點(diǎn))

硬件上：凡是驅(qū)動(dòng)單片機(jī)外部口線等的以輸出高電平驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備,其電源不能和電片機(jī)的供電電壓VCC去爭(zhēng)搶(例如上拉電阻供電不取自單片機(jī)VCC).而應(yīng)直接接在電源前方,圖中4.7K電阻和口線PX.Y就是一個(gè)典型示例,接其它口線PX.Y'和負(fù)載也雷同.這里與上拉4.7K電阻相串聯(lián)二極管也有兩個(gè)作用:1、鉗去0.6V電壓以便與單片機(jī)工作電壓相匹配,防止口線向單片機(jī)內(nèi)部反推電.造成單片機(jī)口線功能紊亂.2、利用二極管單向供電特性,防止掉電后單片機(jī)通過(guò)口線向電源和外部設(shè)備反供電.

上面的單片機(jī)掉電檢測(cè)電路,在與掉電保存寫(xiě)入子程序模塊結(jié)合起來(lái)就可以保證在單片機(jī)掉電期間,不會(huì)因法拉電容上的積累電荷為已經(jīng)掉電的外部電路無(wú)謂供電和向電源反供電造成電容能量泄放縮短掉電維持時(shí)間.

有了這些基礎(chǔ)，我們來(lái)計(jì)算0.47UF的電容從5.5V跌落到4.5V(甚至可以下到3.6V)所能維持的單片機(jī)掉電工作時(shí)間.這里假設(shè)設(shè)單片機(jī)工作電流為20MA(外設(shè)驅(qū)動(dòng)電流已經(jīng)被屏蔽)不難算出:

T=1V*0.47*1000(1000是因?yàn)楣ぷ麟娏鳛楹腊?/20=23.5秒!