自動(dòng)開(kāi)/關(guān)機電路設計方案

自動(dòng)開(kāi)/關(guān)機電路設計方案

摘要：本文介紹了一種結構簡(jiǎn)單、使用方便可靠的開(kāi)/關(guān)機電路。電路使用一個(gè)D觸發(fā)器，配合軟件上的處理實(shí)現單鍵開(kāi)/關(guān)機、關(guān)機前重要數據自動(dòng)保存及自動(dòng)關(guān)機功能。
關(guān)鍵詞： 自動(dòng)關(guān)機電路；微處理器；CD4013
引言節電是各種電池供電設備所需考慮的首要因素。為防止用戶(hù)忘記關(guān)機，一些設備采用了自動(dòng)關(guān)機電路。此外，許多設備中使用一個(gè)開(kāi)/關(guān)按鍵控制開(kāi)啟或關(guān)斷電源，即使微處理器(MPU)正在處理關(guān)鍵程序，按鍵按下時(shí)，系統也會(huì )關(guān)斷，造成重要數據的丟失。本文僅使用一個(gè)D觸發(fā)器設計了一種結構簡(jiǎn)單，使用方便可靠的開(kāi)/關(guān)機電路。
電路設計
　　實(shí)際設計的自動(dòng)開(kāi)/關(guān)機電路如圖1所示。其中U1A為雙D觸發(fā)器CD4013，外接電池電源由Vin輸入。Q輸出通過(guò)阻值為472W的R5、103W的R4和NPN型三極管Q2反向驅動(dòng)后，與開(kāi)關(guān)電源芯片的開(kāi)關(guān)引腳相連。以MAX1626為例，當SHDN為高時(shí)關(guān)閉電源，SHDN為低時(shí)打開(kāi)系統電源。
　　復位式按鍵S1為系統電源開(kāi)/關(guān)鍵。C1和R2組成RC網(wǎng)絡(luò )，使得在S1按下后，保證R有12×104×10-3=120ms的延遲時(shí)間處于高電平。CD4013的D、CLK端接輸入電源地，保證其處于低電平。置位引腳R一端通過(guò)103W的電阻接電源地，另一端通過(guò)三極管Q3與MPU的I/O口相連。S1的右端與阻值為103W的R1相連，控制Q1開(kāi)通。Q1的集電極與地之間接通穩壓管，穩壓管的輸出與MPU的I/O口相連。

圖1 自動(dòng)開(kāi)/關(guān)機電路原理圖

設計原理
　　開(kāi)/關(guān)機電路的核心器件是一個(gè)D型觸發(fā)器，型號為CD4013。其真值表如表1所示。觀(guān)察其真值表可已看出，無(wú)論CLK為何種狀態(tài)，S為0時(shí)，輸出Q為0；R為0時(shí)，輸出Q為1；而當R、S均為1時(shí)，輸出Q為1；當R和S均為0時(shí)，只要CLK不產(chǎn)生上升沿脈沖，輸出Q會(huì )保持前一輸出狀態(tài)。本電路正是利用R、S均為零時(shí)的狀態(tài)保持特性來(lái)實(shí)現開(kāi)/關(guān)機功能的。
　　由于本電路處于開(kāi)/關(guān)電源前端，在電池接入狀態(tài)下，無(wú)論系統電源是否打開(kāi)，都處于工作狀態(tài)。CD4013的輸入電壓范圍為3~15V，因此本電路可以保證在寬電壓輸入范圍內穩定工作。
系統開(kāi)機原理
　　當按下開(kāi)機按鈕S1時(shí)，S與高電平接通，S=1。查閱真值表可得，當R=1，S=1時(shí)，輸出Q應穩定輸出1，經(jīng)過(guò)三極管反向后，電源控制引腳SHDN為低電平，打開(kāi)系統電源。通常MPU進(jìn)行初始化時(shí)會(huì )將I/O引腳置為高電平，由于RC網(wǎng)絡(luò )的延遲作用，S1按下后可以保證S端約有120ms處于高電平(保證開(kāi)機穩定條件：RC網(wǎng)絡(luò )的延遲時(shí)間＞系統上電復位并將POWER_CTL狀態(tài)穩定為1的時(shí)間)。經(jīng)過(guò)三極管Q3反向，此時(shí)S=1，R=0，Q端輸出1，系統電源處于打開(kāi)狀態(tài)。
　　MPU延遲后讀取STATE引腳的狀態(tài)。如果此時(shí)STATE為低電平，則確認Q1導通，S1曾按下，確認用戶(hù)開(kāi)機程序正常運行。如果此時(shí)STATE為高電平，則表明Q1截止，開(kāi)機信號為誤動(dòng)作，程序執行關(guān)機程序。
　　當RC網(wǎng)絡(luò )的延遲時(shí)間過(guò)后，S端由1轉為0，此時(shí)S=0，R=0，查閱真值表得出此時(shí)輸出Q應該維持前一輸出狀態(tài)，即保持系統開(kāi)通電源狀態(tài)。
系統關(guān)機原理
　　作為節電產(chǎn)品，如果在規定時(shí)間內系統沒(méi)有工作，系統會(huì )自動(dòng)轉入關(guān)機程序，在保存重要數據后，自動(dòng)關(guān)閉系統。
　　當用戶(hù)手動(dòng)關(guān)機，按下S1時(shí)，Q1打開(kāi)，STATE的狀態(tài)由高電平轉變?yōu)榈碗娖?，MPU檢測到STATE的狀態(tài)變化后，經(jīng)過(guò)延時(shí)再次檢測STATE狀態(tài)，如仍為低電平，則確認為關(guān)機指令，程序將保存重要數據，關(guān)閉所有中斷，然后將I/O引腳POWER_CTL置為低電平，程序進(jìn)入循環(huán)等待關(guān)機狀態(tài)。此時(shí)，I/O口狀態(tài)經(jīng)過(guò)Q3反相后使觸發(fā)器R=1，S=0，查閱真值表可得Q端應該穩定輸出0，經(jīng)過(guò)三極管Q2反向驅動(dòng)后，電源控制引腳SHDN為高電平，關(guān)閉系統電源。
　　電源芯片關(guān)閉后，隨著(zhù)電容放電，MPU的供電電壓不斷下降，引腳POWER_CTL變?yōu)椴欢顟B(tài)，但查閱真值表，無(wú)論此時(shí)R端電位高或低，輸出Q都為低電平，穩定的使系統處于關(guān)機狀態(tài)。
　　隨著(zhù)電容繼續放電，I/O引腳POWER_CTL穩定為低電平，此時(shí)觸發(fā)器引腳R=1，S=0，穩定維持輸出Q為低電平，保證系統電源的穩定關(guān)斷。
設計的改進(jìn)
　　實(shí)際使用中發(fā)現，當更換供電電源時(shí)，觸發(fā)器初始上電，D、CLK和R端下拉至地，保持穩定狀態(tài)為0。而由于電容C1的充電作用，有可能使S=1，查閱真值表，當S=1，R=1時(shí)，輸出Q為高電平，致使Q2導通，SHDN為高電平，打開(kāi)系統。
　　為了解決更換電源時(shí)系統有可能自動(dòng)開(kāi)機問(wèn)題，在系統上電程序開(kāi)始執行并延遲500ms后重新讀取STATE狀態(tài)。初始階段，Q1導通，STATE狀態(tài)為低電平。而隨著(zhù)RC網(wǎng)絡(luò )的延遲時(shí)間過(guò)后，S端電位由高電平變?yōu)榈碗娖?，Q1由導通變?yōu)榻刂?，STATE狀態(tài)由低電平重新轉換為高電平。MPU延時(shí)后讀取的STATE如果為高電平，則認為是誤開(kāi)機，程序執行關(guān)機程序，重新關(guān)閉系統電源。如果STATE仍為低電平，則確認是開(kāi)機指令，程序正常執行。因此要求用戶(hù)在開(kāi)機時(shí)，按下S1并保持500ms以上。
　　MPU開(kāi)機初始化程序流程如圖2所示。

圖2 MPU開(kāi)機初始化程序流程圖

結語(yǔ)
本電路相對其它電路結構簡(jiǎn)單，使用器件較少。配合軟件處理，能夠實(shí)現自動(dòng)開(kāi)/關(guān)機功能，對一般應用來(lái)說(shuō)是較好的選擇。