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MCU解决方案

绿色智能家居

基于绿色节能的理念,在智能家居模型中加入了蓄电池、太阳能电池板、风能发电机,以GD32 MCU为控制核心,设计了红外检测、人体检测、光控LED、温度监测和电子锁等功能,并可通过GSM短信进行报警。
关于GD32 MCU:
GD32F1 系列MCU产品是ARM架构的Cortex-M3处理器,其主频为108MHz。精简指令集架构配上百兆主频,提供了出色的运算处理性能。为了给用户更大的选择空间,产品提供16KB到3072KB的FLASH容量,6KB到96KB的内部SRAM,并有QFN36、LQFP48、LQFP64、LQFP100和LQFP144多种封装选择。系列产品在软件和引脚封装方面全兼容。

GD32F1 MCU供电电压范围为2.6V-3.6V,内核的供电电压为1.2V,I/O口可容许5V电平输入,内嵌2个看门狗(WDG)和实时时钟(RTC),在外部电池供电情况下,内嵌日历型高精度实时时钟(RTC)运行时的待机电流仅为4.3uA,具有掉电复位(PDR)、上电复位(POR)及电压监测(LVD)功能。
GD32F1 MCU支持三相PWM互补输出和死区管理功能的16位高级定时器可用于矢量控制,还拥有多达10个16位通用定时器、2个16位基本定时器、1个32位通用定时器和7通道DMA控制器,可用作主时钟的8MHz内置RC振荡器出厂校准精度为±1%。全面升级的模拟外设包括1个转换时间为1us的16通道12位高速ADC、1个12位DAC、2个高速轨到轨输入/输出模拟电压比较器和1个预校准的温度传感器,可充分满足多通道高速数据采集和控制要求。同时,产品线提供多种选择,可配合不同设计者的需求选择。
GD32系列MCU也配备了丰富的外设接口资源,主要包括1个全速USB2.0、5个USART、3个SPI、2个快速I2C、1个I2S,针对家庭多媒体设备新增了支持HDMI接口的消费电子控制(CEC)总线硬件电路,还针对按键、滑动等触控应用集成了触摸感测接口(TSI),最多可同时连接18个外部电极。多达80%的可用GPIO具有多种可选功能,还支持端口重映射,极佳的灵活性和易用性满足多种应用需求。图一为部分GD32MCU产品对比,GD32F1 MCU家族拥有GD32F103主流型、GD32F101基本型、GD32F105和GD32F107互联型、GD32F130和GD32F150超值型、GD32F170和GD32F150 5V宽电压超值型等8个系列,8种封装,124个产品型号。

绿色智能家居的设计与实现
智能家居的潮流已不断地席卷全球,各国科技巨头都在这个领域探索自己的一席之地,本文采用雪糕棒筑造了智能家居的模型,基于绿色节能的理念,为了更多地利用可再生资源,在智能家居模型中加入了蓄电池、太阳能电池板、风能发电机,希望将来某一天家庭停电时,收集的能量、储备的能源可以解决燃眉之急。
智能家居模型硬件组成:
绿色智能家居模型硬件主要包括GD32MCU、GSM模块、TFT触控彩屏、4*4按键、红外检测装置、人体检测装置和光控灯等,硬件组成框图如图1所示。
主控芯片 - GD32 MCU:
本文采用的GD32 MCU,型号为GD32F103VKT6,该芯片具有3072KB的FLASH、96KB的SRAM、10个基本通用定时器、2个高级定时器、2个基本定时器、5个UART、3个12位16个通道ADC、2个12为DAC、以及看门狗(WDG)、内部时钟(RTC)、I2C、SPI、CAN2.0、USB2.0等丰富资源。
GSM模块:
GSM主要用于短信报警,该型号为SIM300,利用GD32MCU的UART与该模块进行通信,通过发送AT指令可以在主人家里遇到状况时以短信形式告知主人。
TFT触控彩屏:
采用320*240分辨率2.8寸TFT电阻屏,利用GD32外部存储控制器(EXMC)总线直接驱动TFT数字彩屏。这种方案对相应的寄存器进行配置后就可以自动向TFT数字彩屏发送数据,无需CPU参与,让CPU有足够时间来处理其他程序。
输入控制:
采用了4*4按键和彩屏触摸输入控制,可选择任意一种方式进行各项操作,例如,锁屏、锁定系统、修改报警温度、修改时间、修改密码、修改通知手机号、关闭各种报警开关等。采用GD32MCU进行这些复杂的操作编写系统运行稳定、顺畅、进行仿真调试方便。
光控LED:
采用GD32 MCU的内部ADC采集光敏电阻电压,从而实现LED白天自动关、晚上自动开启的功能。
红外检测:
红外检测装置由发射管和接受管构成,接受管是个具有光敏特征的PN结,通过LM393比较器后可以得到供MCU识别的IO电平,需要注意的一点是,比较器输出结构一般是集电极开漏(OC),需要注意到GD32MCU的IO口可以配置多种模式,例如输入口有上拉输入、下拉输入,输出口有推挽输出、开漏输出。
其他模块:
该家居模型还安装了DS18B20温度传感器、人体热释电红外传感器和采用内部PWM驱动的报警蜂鸣器,由于篇幅有限,故不赘述
智能家居模型软件构架:
软件架构如图2所示,程序初始化后进入主循环,初始化主要包括了系统时钟、温度传感器、FLASH存储器、图形界面、蜂鸣器、报警和定时器的中断初始化。主循环的主要任务是控制显示屏背光、显示屏界面元素的刷新、按键的处理等。其中按键处理子程序有多个,根据程序所处的不同状态,会动态挂载不同的子程序。定时器3负责三个任务,其中按键扫描的频率比较高,通过队列方式传递键盘数据;门禁的定时用于产生自动关门信号;每隔一段时间检测一次温度。定时器6负责门禁检测,通过红队对管对进出门进行扫描,同时也提供震荡频率驱动蜂鸣器进行报警。所有定时器管理的任务都只实现检测,通过消息的方式传递检测到的数据,主循环的任务根据共享内存中的数据完成相应任务。


智能家居模型实现的功能:
在智能家居模型中充分利用了GD32 MCU的内部资源和相应功能,模拟了智能家居的场景,系统启动后,采用菜单操作,可设置密码、修改预存手机号码、修改异常温度值,还可通过短信方式获取系统密码,具有太阳能发电和风能发电功能,通过红外方式检测进出门,利用热释电红外传感器检测非法入侵,可将火灾和非法入侵等信息利用短信进行报警,还实现了温度检测和电子锁等功能,在后续工作中将增加手机APP客户端控制功能。
应用前景:
该MCU产品主要面向工业控制和消费类嵌入式应用,如图5所示,GD32 MCU适用于工业自动化、人机界面、电机控制、安防监控、智能家居家电及物联网等领域。在《电子产品世界》杂志举办的“年度电子产品世界编辑推荐奖”评选中,兆易创新 GigaDevice GD32 系列Cortex-M3内核微控制器系列产品获得“最佳本土芯片”大奖。在工业4.0和相信GD32 系列MCU将得到更广泛的应用!

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