基于LM358的單片機掉電保護系統設計與實現

福建農林大學機電工程學院 翁海勇 俞加明 葉大鵬

一、引言

掉電數據保護是系統設備一個重要的功能。目前，掉電數據保護的方法主要有2種：（1）加足夠容量備用蓄電池，使系統掉電后繼續工作；（2）不加備用電池，把掉電時需要保護的數據存儲在非易失性存儲器中，如FLASH和EEPROM[3]。第一種方法器件體積大、費用高并且蓄電池壽命短；第二種方法簡單，但擦寫器件的壽命有限[4]。本設計在第二種的基礎上提出一種改進方法，即利用LM358作為電壓比較器，當檢測到系統掉電時才將數據寫入EEPROM中。該方法不僅實現了系統數據掉電的保護，而且延長了EEPROM的壽命。

二、掉電保護系統的硬件電路設計與分析

如圖1，通過調節R2，使系統正常供電時，Ua>Ub=3.5V，c端輸出高電平；當系統掉電時，因二極管D1的隔離，使LM358得不到供電。由于電容C2和電感L的存在，電容C2和電感L1繼續為單片機提供短暫時供電，并且因下拉電阻R5的存在，使得c端輸出低電平。用于觸發單片機INT0中斷。

根據STC12C5A60S2系列單片機資料[1]，對EEPROM寫一個字節和擦除一個扇區所需的時間分別為55μs和21ms。正常模式下，典型功耗為2mA-7mA。5V單片機和3.3V單片機對EEPROM進行操作的有效最低電壓分別為Umin=3.7V和Umin=2.4V。

系統掉電后，等效電路模型為RLC串聯回路[6]。放電過程時電路的微分方程為：

根據R、L和C的參數值的不同，可分為欠阻尼振蕩狀態、臨界阻尼狀態、過阻尼狀態。方程（1）的解可分為以下三種：

綜上所述：當負載R一定時，選取合適的電容和電感（本文選取C2=6600uf/25V、L1=0.1H）。L1和C2的具體參數可通過試驗測試得到。只要uc(t)從初始狀態的uc(t)|t=0衰減到uc(t)|t=t0=Umin的時間大于維持觸發中斷對EEPROM進行操作所需的時間t0就能滿足系統正常工作的要求。

三、軟件設計

主程序和中斷服務子程序流程圖分別如圖2和圖3所示。

與本設計有關的程序如下：

圖1 系統電路原理圖

圖2 主程序

圖3 中斷服務子程序

分析：系統掉電時，INT0中斷被觸發，在中斷服務子函數中對EEPROM進行擦除和寫的操作。

四、結果與討論

該系統的實現，應用于二維運動控制平臺。系統掉電時，X軸和Y軸坐標以及其他參數被寫入EEPROM中。系統重新上電后，讀取出存儲在EEPROM里X軸和Y軸坐標及其他參數，工作平臺以該位置為起點繼續沿著原設定的位置運動。

本設計的核心就是基于LM358作為電壓比較器，檢測到系統掉電時才對EEPROM進行擦寫，避免了每執行一遍程序對EEPROM進行擦除一次而造成其壽命短的問題。軟、硬件結構設計簡單，提高了系統的實用性。本文給出了典型的應用程序，具有良好的可移植性。加入循環語句可以把多個數據存EEPROM或從EEPROM里讀出[2][5]。

[1]STC_8051單片機全球第一品牌.全球最大的8051單片機設計公司,http://www.mcu-memory.com/.

[2]王朝輝,陸楓.一種高可靠性的單片機掉電保護設計[J].武漢科技大學學報(自然科學版),2006(8).

[3]武志軍.AVR單片機掉電數據保護應用實例[J].電子世界,2010(10).

[4]張延寧,王琦.EEPROM在儀表系統應用中的幾個問題[J].單片機與嵌入式系統應用,2010(3).

[5]洪運富,吳文全.汽車里程數據的存儲算法研究[J].儀表技術,2007(9).

[6]邱光源(原著),羅先覺(修訂).電路(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2006(5).