基于单片机控制电源检测系统电路DOC.docx
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基于单片机控制电源检测系统电路DOC
基于单片机控制电源检测系统电路
基于单片机控制电源检测系统电路
摘要
随着数字化的快速发展和生活水平的不断提高，人们对电子设备的依赖越来越高，电子设备的持续运行已经成了一种普遍现象，但是在设备持续的运行过程中，总会出现一些无法预料的意外情况发生，比如突然停电，在此过程中，一旦未能及时的做出反应往往会对服务器造成相当严重的损害，面对上述这类情况，本设计中采用了单片机技术针对一旦出现停电现象后，由单片机中的外中断接受到停电信号，并立马回馈。
将由单片机自动发送关机指令从而使服务器在安全模式下自动关机的电源监测系统。
本次设计将控制电源检测系统电路作为研究对象，以AT89C51单片机为设计核心，设计了一种在市电断电的状态下使系统自动停机的设备主要用于防止因为停电故障对系统造成不必要的损失。
本次设计中主要利用到单片机系统，接口转换电路以及服务器三大部分。
最终要求能够达到由单片机发出停机信号经过接口转换电路的输送到达服务器，使服务器安全关机，从而保护服务器。
关键词：
数字时钟；DS1302；LED；AT89C51
Basedonthesingle-chipmicrocomputercontrolcircuitpowertestsystem
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofdigitalandthecontinuousimprovementoflivingstandards,peopleishigherandhigherdependenceonelectronicequipment,electronicequipmentruncontinuouslyhasbecomeacommonphenomenon,butintheprocessofcontinuousoperation,thereisalwayssomeunforeseenaccidenthappens,allofasuddenpoweroutage,forexample,intheprocess,oncefailedtotimelyrespondtooftencancauseseriousdamagetotheserver,inthefaceofallthesethiskindofsituation,thisdesignUSESthesingle-chipmicrocomputertechnologyforonceappearblackouts,receivethepowersignalbysinglechipmicrocomputerintheexternalinterruption,andpromptlyfeedback.Sendbysinglechipmicrocomputerautomaticshutdowncommandtotheserverinsafemodeautomaticshutdownofthepowermonitoringsystem.
Thiswillcontrolthepowersupplytestsystemcircuitdesignastheresearchobject,withAT89C51asthecoredesign,designamainspowerunderthestateofthesystemofautomaticstopdeviceismainlyusedtopreventbecauseoutagescausedunnecessarylosstothesystem.Mainlyusedtointhedesignofthesinglechipmicrocomputersystemandinterfaceconversioncircuitthreepartsandtheserver.Toachievethefinalrequestmadebysinglechipmicrocomputerdowntimeafterinterfaceconversioncircuitofsignaltransmissiontotheserver,theserversafetyshutdown,thusprotectingtheserver.
KeyWords:
AT89C51;C++Builder;powersystem;Protel
一、绪论
1.1项目研究背景与意义
随着数字化的不断进步各种电子设备已经成为人们在日常生活中不可或缺的一部分，可以这么说，要在电子时代的当下生活，离开了电子设备是寸步难行的。
对于一台需要24小时持续运转的服务器而言一旦遇到突发停电事故，并且未能及时的得到发现和处理，将会对服务器系统带来无法估算的损失，损失轻的将造成相关文件的丢失，严重的将会对系统带来毁灭性的破坏，无论出现何种状况都会对系统的正常工作带来不必要的麻烦，对整个系统造成不良的影响。
因此，针对上述现象，开发一种电源检测在供电断电的情况下计算机能够有效的做到智能、自动、安全的关机使设备得以保护已经是迫在眉睫的事情了，对其基本要求就是一旦设备供电得不到保障甚至断电的情况下可以立即向计算机发送一个关机信号，服务器一旦接收到与之有关的信号后，将会立刻启动关机程序，使计算机立即关机，从而达到保护电路的目的。
1.2国内外发展现状
单片机产生于20世纪70年代末，随着单片机的出现，由于单片机其突出的优势立刻引起了全世界的广泛关注，与之有关的各种技术也得到了快速的发展，控制电源检测系统电路就是在此的基础上经过不断地发展得以实现的，它主要是利用现代电力电子技术，通过检测市电是否正常供电，一旦出现断电现象单片机立马自动关闭系统从而达到保护服务器的目的。
进入90年代控制电源检测系统电路已经广泛的适用在各种电子设备，比如通信设备、控制设备电源等行业中。
虽然在单片机方面我国一直在努力的发展，但是面对发达国家我国在单片机技术方面还是比较落后的，要使我国电源检测系统电路相关技术得到高速的发展就必须走上技术创新的路线，走出具有中国色彩的产学研联合发展之路，为我国的国民经济高速发展做出力所能及的贡献[1]。
1.3设计主要研究的内容
本次设计主要以AT89C51单片机为设计核心，接口转换电路和服务器做了重点，设计了一种在市电断电的状态下使系统自动停机的设备，其主要作用用于防止因为停电故障对系统造成不必要的损失[1]。
其经过程序为单片机接到停电信息后，由单片机发出停机信号，经过接口转换电路的输送到达服务器，使服务器安全关机，从而保护服务器。
1.4本设计论文的组织形式
本设计主要分为四个章节，分篇对本课题的设计进行概述与解释。
第1章——绪论，主要对本次毕业设计整体进行概述，包括研究意义，背景和国内外发展状况。
第2章——对系统方案进行设计并画出了系统的工作流程图。
第3章——阐述检测系统硬件电路设计及原理，为本次毕业设计的主要部分。
1.对主机选用的单片机AT89C51芯片进行一个全面的认识，方便接下来的设计过程。
2.对单片机电源部分进行归纳，认识单片机
3.接口转换电路，明白单片机系统在市电停电后如何做出有效的动作，达到设计的目的。
4.详细介绍了如何绘制原理图。
第4章——对整个系统的软件进行了设计并绘制流程图。
二、系统方案设计
使用单片机检测市电是否中断，当检测到市电中断时，由单片机向服务器发送关机指令从而使服务器安全关闭。
图2.1电源检测系统的工作流程图
在整个系统的流程中市电的位置如图2.1所示，从图可以看出，在正常工作状态下，市电的作用首先为UPS和单片机电源充电，储存足够的电能。
防止在市电突然停止供电的情况下导致服务器骤停。
一旦市电停电，市电将会给单片机系统提供一个停电信号，单片机立马做出反应，发出停机信号并经过接口转换电路输送至服务器，使服务器达到停机的目的。
在本次论文设计中关键在于检测市电和数据传输方向，也就是说当单片机的外中断接受到市电停电信号后，单片机系统做出反应，由单片机发出的停机信号经过接口转换电路输送到达服务器，使服务器得以关机，从而保护服务器。
三、硬件设计
3.1单片机
单片机系统是由单片机和其他设备组成的计算机应用系统，是以单片机为中心其他设备辅助展开的，软件和硬件系统就是由它组成的。
这次设计中用到的单片机型号为AT89C51。
3.1.1AT89C51单片机的介绍
图3.1单片机引脚图
AT89C51是具有4K字节的FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）。
AT89C51单片广泛的运用到嵌入式控制系统中，它的优点主要体现在灵活性高、价格低廉。
图3.28位CMOS单片机芯片实物图
AT89C51具有以下的特点：
两个16位的定时/计数器，内部RAM字节为128个字节，单个5向量两级中断结构，32个I/O口线、片内振荡器及时钟电路、全双工串行通信口[2]。
除了以上特点外，AT89C51还可以降至0赫兹的静态逻辑操作，并支持2种不同的工作模式。
在其待机模式状态下CPU将暂停工作，但是RAM，定时/计数器、串行通信口和中断系统不受任何影响可以继续工作，同时振荡器持续的为上述元件提供时钟[3]。
在掉电模式下保存RAM内容，停止振荡器工作以及其它部件的工作，等待下一个硬件复位。
单片机的两大存储结构分别为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
随机存储器（RAM）的作用[4]:
存储程序运行时的数据；只读存储器（ROM）的作用[5]：
存放应用程序和不需要改变的数据，这也是单片机存储结构与其他设备的不同之处之一，两者各自拥有自己的存取指令、地址空间以及控制信号。
除此之外单片机存储结构还有另外一大特点就是内外之分，也就是说它拥有两个存储器分别为片内存储器和片外存储器。
而片内存储器适用于应用程序比较简单的程序中，非常的方便，但是局限性就是容量偏小无法适用于大型、比较复杂的程序，比如在51系列的片内存储器中，ROM只拥有4KB，RAM仅仅为128个单元。
因此当面对程序复杂的系统时除了用到片内存储器外还需要增加一个足够容量的存储器，为了方便区分两个存储器，经常把新增加的容量比较大的存储器称为外部存储器，程序存储器和数据存储器均可作为外部存储器的选择。
图3.3程序存储器ROM结构
图3.4内RAM存储器结构
3.1.2单片机的内部结构
单片微机内部最核心的部分是CPU。
CPU主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、输入/输出端口的数据传输、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等，CPU按照功能可以分成运算器和控制器两大部分。
控制器包含实时控制与条件转移逻辑电路、指令译码器、程序计数器PC、指令存储器等组成。
其主要功能就是对来自存储器的各种指令进行译码，经过实时控制电路，在规定的时刻内传输出各种操作所需的控制信号，使各部分元件可以完美的执行各自的工作，完成指令要求的操作。
运算器则由程序状态字寄存器PSW、算术逻辑器部件ALU、累加器ACC、BCD码运算调整电路、暂存器等组成[6]。
为了使数据处理和位操作功能能够达到更好的效果，提高位处理逻辑电路的功能，可以在单片机内部适当的增加一个通用寄存器B和一些专用寄存器。
在单片机芯片的内部除了引脚之外还包含5个中断源和两个定时/计数器[7]。
这五个中断源为定时中断0、外中断0、定时中断1、外中断1以及串行中断。
定时中断的触发由定时/计数器的动作所决定，当达到设定的时间值或者达到计数值时即数器发生溢出，由于计数值已经超出其正常范围内所以它的溢出信号就会被当做中断信号发出。
在单片机内该类信号是在芯片内部所发出，因此在设计过程中不需要做出优先级的判断。
关于优先级，顾名思义就是将信号分为高，低两种不同优先级，高等优先级可以在低等优先级运行过程中，直接打断其运行程序改为执行高等优先级的运行这就是所谓的中断嵌套。
在具体的执行过程中一旦遇到同级的优先级时，CPU将首先接受外中断0的信号、而后为定时中断0信号、接着为外中断1信号、然后为定时中断1信号、最后才是串行中断的信号。
而且在单片机内部自身携带有一套时钟电路，当它与外接的晶体振荡器以及微调电容组成一个稳定的自激振荡器时，就可以产生单片机工作所要求的时钟信号了[8]。
图3.5AT89C51单片机内部结构图
AT89C51内部拥有32条I/O口线，它们被平均分为P1、P2、P3、P4共四组，构成4个I/O端口。
这4大端口除了作为一般I/O端口进行使用外，还有各自具有一些不同的作用。
本次设计中要用到的是P3口端口下表为P3端口功能图。
表3.1P3口的功能
除了上述功能外，P3口还具有一些其他的功能，例如，P3.0、P3.1可以当作全双工的串行口使用，从P3.2（外中断0）导入动作所需的中断请求。
XTAL1（18）作用：
XTAL1有两个作用，a接收来自反向振荡放大器的信号，b输入内部时钟工作电路[8]。
XTAL2（19）作用：
作为反向振荡器的输出端。
3.1.3单片机接口
本次设计中所使用的单片机机器周期大约在1微秒范围内，晶振频率接近于120兆赫兹。
由31、9和40脚所输出的复位信号需要持续2个机器周期的单片机复位电路，换句话说就是闭合开关S2需要2微秒以上。
与服务器进行串行数据通信的引脚为10和11，其中10脚引出信号为串行输入，11脚引出的为输出。
在通过12引脚再将信号引入外部中断，用于检测市电是否中断。
图3.6单片机接口图
3.2单片机电源系统
AT89C51单片机的工作电压要求为4-6V，在市电供电正常的情况下，其工作电压由市电提供，一旦出现断电情况后，则供电电源由市电切换为储电池。
其电路图如下所示。
图3.7单片机充电电路
如图3.6所示，最右端部分代表的是市电，通过变压装置T1在经过桥式整流电路和滤波电容D3，以及滤波电容C6后，在芯片7805处将电压稳压到+5V。
电流经过分支其中一路电流通过单片机外中断，用于检测市电是否断电；另一路电流则流向蓄电池。
在充电过程中由于电池正极电位比较低，所以发光二极管D2灯亮，D1灯灭；一旦市电中断供电，蓄电池将开始供电，同时发光二极管D2灯灭，D1灯亮。
3.3接口转换电路
3.3.1接口转换电路主体
本设计中服务器串行通信接口采取的是DB25，该接口适合RS-232的标准[9]。
在RS-232标准中其逻辑关系为负逻辑，即负电压表示逻辑“1”，正电压表示逻辑“0”。
因为在单片机串行接口电路中TTL器件被作为主芯片UART，TTL逻辑状态是通过高低电平来实现的。
因为在RS-232标准中逻辑状态是通过正负电压得以表示的。
导致单片机和服务器之间是无法正常进行串行通信的，所以必须在RS-232和TTL电路之间添加某些元件进行电平和电压的转换使通信得以实现。
在这里所采用的是MAX232芯片。
MAX232芯片是电平转换电路中的灵魂。
图3.8电平转换电路
3.3.2MAX232芯片简介
在接口转换过程中，最重要的是MAX232芯片。
该芯片是由美信公司设计的单电源电平转换芯片，它主要针对RS-232标准串行口。
3.3.3MAX232引脚介绍
图3.9MAX232引脚图
MAX232的引脚可分为三大块。
第一大块主要为电荷泵电路。
它包含1、2、3、4、5、6一共6个引脚以及4只电容所组成。
它的主要功能就是为RS-232串口电平提供+12v和-12v的两种电源。
第二大块为数据转换通道，两个数据通道分别由引脚7、8、9、10、11、12、13、14共计8个引脚所构成的[10]。
其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。
8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT发送到电脑DB9插头;DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。
第三部分是供电。
在15脚GND和16脚VCC之间提供+5V的电压。
3.3.4MAX232的特点
第一点，MAX232符合所有RS-232C所要求的技术标准。
第二点，供电电压要求比较高，只能由唯一的电压值+5V进行供电。
第三点，片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-[11]。
第四点，功率消耗低，供电电流仅为5mA。
第五点，内部集成2个RS-232C驱动器。
第六点，内部集成的两个RS-232C接收器，可以分别接单片机的串行通信口或者实验板的其它串行通信接口
在MAX232的应用电路中需要注意的是电容接法。
MAX232为电荷泵芯片，作用：
使TTL/RS-232电平得以转换，9、10、11、12引脚是TTL电平端，作用：
连接单片机。
图3.10MAX232内部结构图
3.4绘制原理图
在绘制原理图过程中，首先需要考虑的是有关原理图纸的各种参数，在菜单命令栏里将图纸的方向、标题栏、底色框、尺寸等有关因素设置好。
元件在原理图中是不可或缺的部分之一，所以在完成以上有关的基本参数设定之后就该在工作平面上将需要的元件放置到相应的位置了。
第一步打开元件浏览器，调整库设置，选择所需要的元件放入元件库中，使其成为活动的元件库，并在元件库中选定设计中所需要的元件，所选定的元件会跟随着光标在屏幕上的移动而移动到与之对应的工作平面上适当的位置，移动完成后点击鼠标左键，将选好的部分放置到对应的工作平面上[12]。
如果在操作过程中想挪动元件，只需选中需要挪动的元件并点击鼠标左键拉动就可以了，不管是一个还是多个元件都可以。
如果需要将元件进行旋转，则可以将需要需旋转的元件用光标点住并同时按空格键即可。
还有就是设置元件的属性，元件的封装、标号、引脚号定义等都是元件属性编辑的主要部分，对于这些部分可以双击所对应的元件，在相应空格中输入其对应的封装号、标号等。
电路原理图在设计过程中是相当重要的一部分，电路原理图设计的好坏将会对后续的过程是否可以良好的展开产生相当重要的影响。
原理图连线设计采用的是Protel99SE，在确定起始点和终止点的情况下，Protel99SE将会把起始点和终止点自动连接起来[13]。
Protel99SE软件还可以进行电气规则的检查，点击LCDController.ddb设计数据库,打开LCDController文件夹下的LCDController.prj原理图设计窗口。
选择其中的Too1s---ERC选项，在RuleMatrix中选择需要进行电气检查的项目，设置好各项后，在SetupElectricalR1uesCheck对话框中有个OK按钮单击，系统将自动运行电气规则检验，检验结果将会出现在界面上。
零件封装：
零件与电路板进行焊接时焊点所在的地点，仅仅只是一个空间上的概念。
所以一样的元件可以采用不一样的零件封装，不一样的元件也可使用同一个零件封装。
网络表是电路板布线中最重要的部分，它作为原理图设计软件AdvancedSchematic和印刷板设计软件PCB之间的桥梁是无法替代的。
网络表的作用主要体现在：
网络表文件可以使模拟程序以及印刷电路板主动布线[14]。
在布局中“Room”表示规则，也就是说将指定的元件放到指定的区域所在。
Protel99SE在布局方面新增加了一些技巧。
Protel99SE在交互式布局中包含有两种方式即自动选择和自动对齐。
自动选择方式具有以下优点快速收集相似封装的元件，通过旋转、展开和整理成组转移到相应的位置。
在简易的布局完成后，通过自动对齐可以对一组封装元件进行整齐的展开或缩紧。
通过元器件的布局，可以知道将会对电子设备的可靠性造成一些不良的影响，产生影响的不单只是电路图设计，印刷电路板设计的不合理也会对设备带来不必要的影响。
因此，在印刷电路板的时候需要做好每一个细节。
在进行布线之前还需想好将会采用的设置布线方式和布线规则。
Protel99SE具有三种布线方式分别是忽略障碍布线（IgnoreObstacle）、避免障碍布线（AvoidObstacle）和推挤布线（PushObstacle），在设计中根据不同的需求在Tools工具菜单通过Preferences选择采用不同的布线方式。
还有种方法就是通过Shift+R快捷键在上述三种方式中互相切换。
点击Design工具菜单确定R1ues选项，选择画图中所需要的线宽、布线方式、布线层数、安全间距以及过孔大小等。
在布线规则下，可自行选择自动布线或手动布线。
如果选择自动布线，自动布线：
点击AutoRoute菜单进行选择。
手动布线：
点击右键打开下拉菜单选择Placetrack选项，单击确定布线的开始点。
若出现失误可以按BackSpace键可以取消前面所画的走线，双击可以确定该走线，若要退出布线状态可以直接按ESC。
若需要调整布线形式按Shift+Space键即可，对于需要修改的导线，可以直接重画一条线确定后，原来的导线就会自动删除。
四、软件设计
4.1单片机软件
图4.1单片机软件流程图
4.2计算机关机软件
在只具有UPS系统的计算机系统中，一旦出现电网断电现象，ups立即会将储存的电力启动并提供出来方便户安全关闭计算机系统，但是ups的功率毕竟无法和市电相比，一台2000w的ups也只能为计算机提供大约两小时左右的电力输出。
而一般小功率的设备中UPS更是仅仅只能提供几分钟到十几分钟的电力输出，除了关闭计算机系统以外什么也做不了了。
这对于一台需要24小时持续运转的服务器而言一旦遇到突发停电问题并且出现在深夜无人看值的状况下，将会对系统带来无法估算的损失，损失小的会造成相关文件丢失，严重的将会对系统带来毁灭性的破坏，无论出现何种状况都会对系统的正常工作带来不必要的麻烦，对整个系统的正常工作造成不良的影响。
因此现在很多单位在服务器上配置了智能ups，可以在电网突然停电的状况下自动启动关机程序关闭服务器的程序，但是这里有几个问题就是：
首先，一般ups价格都比较昂贵。
其次，目前市场上流通的大部分ups还不具备自动关机的功能。
一旦ups无法跟上服务器的要求，所在单位还得再次去购买新的智能ups这在无形中又会造成资源的二次浪费。
针对上述现象，此次研究主要开发一种电源检测在市电断电的情况下计算机得以智能安全关机的设备，并且该种设备可以直接接到只具有普通ups的计算机系统上[15]。
当系统检测到市电停电后，单片机会立即向计算机发送一个关机信号，计算机系统接收到关机信号后，将会立刻执行与之相关的关机指令，使计算机系统得以安全关机，这样一方面达到了智能UPS的要求，又不需要用户不断的更换ups，简单有效的完成了上述的两个问题。
该设备系统的软件部分采用的是C++Builder软件。
软件的主要任务就是接收来自计算机传递给RS-232端口有关电源检测的相关信号。
C++Builder软件通过WindowsAPI函数可以实现与RS-232串行端口通信的目的。
WindowsAPI（以下简称API）函数来自于操作系统，API函数是唯一可以和操作系统进行通信的函数。
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