【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ADC使用一個(gè)獨(dú)立的電源供電，過濾和屏蔽來自印刷電路板的毛刺干擾。使用電池或其他電源連接到腳上，當(dāng)斷電后，可以保存?zhèn)浞菁拇嫫鞯膬?nèi)容和維持RTC的功能。腳也為RTC、LSE振蕩器和PC15至PC15，這保證當(dāng)主要電源被切斷時(shí)RTC能繼續(xù)工作。切換到供電由復(fù)位模塊中的掉電復(fù)位功能控制。如果應(yīng)用中沒有使用外部電池必須連接到引腳上。復(fù)位后調(diào)節(jié)器總是使能的。根據(jù)應(yīng)用方式它以3中不同的模式工作。 (1) 運(yùn)轉(zhuǎn)模式：。(2) 停止模式：，以保存寄存器和SRAM的內(nèi)容。(3) 待機(jī)模式：調(diào)節(jié)器停止供電。除了備用電路和備份域外，寄存器和 SRAM的內(nèi)容全部丟失。在系統(tǒng)或電源復(fù)位后，微控制器處于運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)CPU不需繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，可以利用多種低功耗i模式來節(jié)省功耗。STM32F10xxx有三種低功耗模式：(1) 睡眠模式(Cortex—M3內(nèi)核停止，所有外設(shè)Cortex—M3 核心的外設(shè)，如NVIC、系統(tǒng)時(shí)鐘等仍在運(yùn)行)。(2) 停止模式(所有的時(shí)鐘都已停止)。(3) 待機(jī)模式()。在運(yùn)行模式，可以通過以下的方式降低功耗：降低系統(tǒng)時(shí)鐘，關(guān)APB和AHB總線上未被使用的外設(shè)時(shí)鐘。RTC可以在不需要依賴外部中斷的情況下喚醒低功耗模式下的微控制器(自動(dòng)喚醒模式)。RTC提供一個(gè)可編程的時(shí)間基數(shù)，用于周期性從停止或待機(jī)模式下喚醒。通過對(duì)備份區(qū)域控制寄存器的RTCSEL[1:0]位的編程，三個(gè)，三個(gè)RTC時(shí)鐘源中的二哥時(shí)鐘源可以選作實(shí)現(xiàn)此功能。(1) (LSE)。該時(shí)鐘源提供了一個(gè)低功耗且精確的時(shí)間基準(zhǔn)(典型功耗小于1uA)。(2) 低功耗內(nèi)部RC振蕩器(LSI RC)。使用該時(shí)鐘源。但是RC振蕩 器將少許增加電源消耗。為了RTC鬧鐘鬧鐘事件將系統(tǒng)從停止模式下喚醒必須，必須進(jìn)行如 下操作:配置外部中斷線17為上升沿觸發(fā)并且配置RTC使其可產(chǎn)生RTC鬧鐘事件。如果從待機(jī)模式中喚醒，不必配置外部中斷線17[13]。 時(shí)鐘三種不同的時(shí)鐘源可被用來驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)鐘(SYSCLK): HIS振蕩器時(shí)鐘， HSE振蕩器時(shí)鐘，PLL時(shí)鐘，40KHz低速內(nèi)部RC，可以用來驅(qū)動(dòng)獨(dú)立看門狗和通過程序選擇驅(qū)動(dòng)RTC。RTC用于從停機(jī)/待機(jī)模式下自動(dòng)喚醒系統(tǒng)。當(dāng)不被使用時(shí)，任一個(gè)時(shí)鐘源都可獨(dú)立的啟動(dòng)火關(guān)閉，以優(yōu)化系統(tǒng)的功耗[13]。 通用和復(fù)用功能IO每個(gè)GPIO端口有兩個(gè)32位配置寄存器(GPIOX_CRL/GPIOX_CRH)，兩個(gè)32位數(shù)據(jù)寄存器，兩個(gè)32位的數(shù)據(jù)寄存器(GPIOX_IDR和GPIOX_ODR),一個(gè)置位/復(fù)位寄存器(GPIOX_BSRR),一個(gè)16位復(fù)位寄存器(GPIOX_BRR)和一個(gè)32位的鎖定寄存器(GPIOX_LCKR)。GPIO端口的每個(gè)位都可以由軟件分別配置為以下模式：輸入浮空，輸入下拉，輸入上拉，模擬輸入，開漏輸出，推挽式輸出，推挽式復(fù)用功能，開漏功能。每個(gè)IO端口可以自由編程，然而IO端口寄存器必須按32位字被訪問。GPIOX_BSRR和GPIOX_BRR寄存器允許對(duì)任何GPIO寄存器的讀/更改的獨(dú)立訪問，這樣在讀和更改之間產(chǎn)生IRQ時(shí)不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。所有端口都有外部中斷能力，為了使用外部中斷線，端口必須配置成輸入模式。使用默認(rèn)復(fù)用功能前必須對(duì)端口位配置寄存器編程：對(duì)于復(fù)用的輸入功能，端口必須配置成輸入浮空，且輸入引腳必須由外部驅(qū)動(dòng)。對(duì)于復(fù)用輸出功能，端口必須配置成復(fù)用功能輸出模式。對(duì)于雙向復(fù)用模式，端口必須配置復(fù)用功能輸出。這時(shí)，輸入驅(qū)動(dòng)器被配置成浮空輸入模式。為了使不同器件封裝的外設(shè)IO功能的數(shù)量達(dá)到最優(yōu)，可以把一些復(fù)用功能重新映射到其他一些腳上。這可以通過軟件配置相應(yīng)位的寄存器來完成。這時(shí)，復(fù)用功能就不再映射到它們?cè)家_上了。當(dāng)IO配置為輸入使：輸出緩沖器被禁止。施密特觸發(fā)輸入被激活。根據(jù)輸入配置的不同，弱上拉和下拉電阻被連接。出現(xiàn)在IO腳上的數(shù)據(jù)在每個(gè)APB2時(shí)鐘被采樣到輸入數(shù)據(jù)寄存器。對(duì)輸入數(shù)據(jù)寄存器的讀訪問可得到IO狀態(tài)。當(dāng)IO配置為輸出時(shí)：輸出緩沖器被激活。施密特觸發(fā)輸入被激活。弱上拉和下拉電阻被禁止。出現(xiàn)在IO腳上的數(shù)據(jù)在每個(gè)APB2時(shí)鐘被采樣到輸入數(shù)據(jù)寄存器。開漏模式時(shí)，對(duì)輸入數(shù)據(jù)的讀訪問可得到IO狀態(tài)。在推挽模式時(shí)，對(duì)輸出數(shù)據(jù)寄存器的讀訪問得到最后一次寫的值。當(dāng)IO端口被配置為復(fù)用功能時(shí)：在開漏和推挽模式配置中，輸出緩沖器被打開。內(nèi)置外設(shè)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸出緩沖器。施密特觸發(fā)輸入被激活。弱上拉和下拉電阻被禁止在每個(gè)APB2時(shí)鐘周期，出現(xiàn)在IO腳上的數(shù)據(jù)被采樣到輸入數(shù)據(jù)寄存器。開漏模式時(shí),讀輸入數(shù)據(jù)寄存器可得到最后一次寫的值。在推挽模式時(shí),讀輸出數(shù)據(jù)寄存器時(shí)可得到最后一次寫的值[13]。 中斷和事件NVIC(嵌套中斷向量控制器)和處理器核的接口緊密相連，可以實(shí)現(xiàn)低延的中斷處理和高效地處理晚到的中斷。NVIC特性：16個(gè)可編程的優(yōu)先級(jí)(使用了4位中斷優(yōu)先級(jí))。低延遲的異常和處理中斷。要產(chǎn)生中斷，必須先配置好使能中斷線。根據(jù)需要的邊沿檢測(cè)設(shè)置2個(gè)觸發(fā)寄存器，同時(shí)在中斷屏蔽寄存器的相應(yīng)位寫1以允許中斷請(qǐng)求。在外部中斷線上發(fā)生了期待的邊沿時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求。如果需要產(chǎn)生事件，必須先配置好并使能事件線。根據(jù)需要的邊沿檢測(cè)通過設(shè)置2個(gè)觸發(fā)寄存器，同時(shí)在事件屏蔽寄存器的相應(yīng)位寫1允許事件請(qǐng)求。當(dāng)事件線上發(fā)生了需要的邊沿時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)事件請(qǐng)求脈沖，對(duì)應(yīng)的掛起位不被置1。通過下面的過程來配置20個(gè)線路作為中斷源：配置20個(gè)中斷線的屏蔽位(EXTI_IMR)，配置所選中斷線的觸發(fā)選擇位(EXTI_RTSR/EXTI_FTSR)。硬件事件時(shí)可以通過下面的過程，可以配置20個(gè)線路作為事件源：配置20個(gè)事件線的屏蔽位(EXTI_EMR)，配置事件線的觸發(fā)選擇位(EXTI_RTSR/EXTI_FTSR)。軟件中斷/事件的20個(gè)線路可以被配置成中斷/事件線。下面是產(chǎn)生軟件中斷的過程：配置20個(gè)中斷/事件線屏蔽位，設(shè)置軟件中斷寄存器的請(qǐng)求位(EXTI_SWIER) [13]。 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)12位ADC是一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它最多18個(gè)通道，可測(cè)量16個(gè)外部和2個(gè)內(nèi)部信號(hào)源。各通道的AD轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。ADC的結(jié)果可以左對(duì)齊或右對(duì)齊的方式存儲(chǔ)在16位數(shù)據(jù)寄存器中。ADC的輸入時(shí)鐘不得超過14MHz，它是由PCLK2經(jīng)分頻產(chǎn)生。ADC主要有一下特性：12位分辨率，轉(zhuǎn)換結(jié)束、注入轉(zhuǎn)換結(jié)束和發(fā)生模擬看門狗事件時(shí)產(chǎn)生中斷，單次和連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，自校準(zhǔn)，帶內(nèi)嵌數(shù)據(jù)一致性的數(shù)據(jù)對(duì)齊，采樣間隔可以按通道分別編程，規(guī)則轉(zhuǎn)換和注入轉(zhuǎn)換均有外部觸發(fā)選項(xiàng)，間斷模式，雙重模式，ADC供電要求：。ADC有16個(gè)多路通道，把轉(zhuǎn)換組織分為兩組：規(guī)則組和注入組。在任意多個(gè)通道上一任意順序進(jìn)行的一系列構(gòu)成轉(zhuǎn)換。例如，可以如下順序完成通道通道通道2等。規(guī)則組有多大16個(gè)轉(zhuǎn)換組成。規(guī)則通道和他們的轉(zhuǎn)換順序在ADC_SQRX寄存器中選擇，規(guī)則組中的轉(zhuǎn)換總數(shù)寫入ADC_SQR1寄存器的低4位。注入組有最多4個(gè)轉(zhuǎn)換組成。注入通道和它的轉(zhuǎn)換順序在ADC_JSQR寄存器中選擇。注入組里的轉(zhuǎn)換數(shù)目寫入ADC_JSQR寄存器的低2位。ADC有一個(gè)內(nèi)置自校準(zhǔn)模式。校準(zhǔn)可減小因內(nèi)部電容的變化而造成的準(zhǔn)精度誤差。在校準(zhǔn)期間，在每個(gè)電容上都會(huì)計(jì)算出一個(gè)誤差修正碼，這個(gè)碼用于消除在隨后的轉(zhuǎn)換中的誤差。通過設(shè)置寄存器的CAL位啟動(dòng)校準(zhǔn)，CAL位被硬件復(fù)位，可以開始正常轉(zhuǎn)換[13]。ADC使用若干個(gè)ADC時(shí)鐘周期對(duì)輸入電壓采樣，采樣周期數(shù)據(jù)可以通過ADC_SMPR1和ADC_SMPR2位的低三位更改。轉(zhuǎn)換時(shí)間計(jì)算如下： T=采樣時(shí)間+ (21)例如，當(dāng)ADC的采樣時(shí)鐘是14MHz的時(shí)候，T=+=14周期=1us (22) 定時(shí)器通用定時(shí)器是一個(gè)可編程預(yù)分頻器驅(qū)動(dòng)的16位自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器構(gòu)成。它可以測(cè)量輸入信號(hào)的脈沖長(zhǎng)度或者產(chǎn)生輸出波形(輸出比較和PWM)。使用定時(shí)器預(yù)分頻器和RCC時(shí)鐘控制器預(yù)分頻器，脈沖長(zhǎng)度和波形周期可以在幾個(gè)微秒到幾個(gè)毫秒之間調(diào)整。通用定時(shí)器有以下幾個(gè)功能：16位向上、向下、向上/向下自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器。16位可編程預(yù)分頻器，分頻系數(shù)在1——65536之間任意改變。4個(gè)獨(dú)立通道：輸入捕獲，輸出比較，PWM生成，單脈沖模式輸出。如下事件發(fā)生時(shí)產(chǎn)生中斷：更新，計(jì)數(shù)器向上溢出/向下溢出，計(jì)數(shù)器初始化。觸發(fā)事件(計(jì)數(shù)器停止、啟動(dòng)、初始化或由內(nèi)部/外部觸發(fā)計(jì)數(shù))。可編程通用定時(shí)器的主要部分是一個(gè)16位計(jì)數(shù)器和相關(guān)的自動(dòng)裝載寄存器。這個(gè)計(jì)數(shù)器可以向上、向下或者向上向下雙向計(jì)數(shù)。內(nèi)部計(jì)數(shù)的時(shí)鐘由分頻器分頻得到。計(jì)數(shù)器、自動(dòng)裝載寄存器和預(yù)分頻器可以由軟件讀寫。時(shí)基單元包括： 計(jì)數(shù)寄存器、預(yù)分頻寄存器、自動(dòng)載寄存器。自動(dòng)轉(zhuǎn)載寄存器是預(yù)先裝載的，寫或讀自動(dòng)重裝載寄存器將訪問預(yù)裝載寄存器。根據(jù)在控制寄存器1中斷自動(dòng)裝載預(yù)裝載使能位的設(shè)置，預(yù)裝載寄存器的內(nèi)容被立即或在每次的更新事件時(shí)傳送到影子寄存器。當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到溢出條件并當(dāng)控制寄存器1中的UDIS位等于0時(shí)產(chǎn)生更新事件。預(yù)分頻器可以將計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率按1到65536之間任意值分頻。它是一個(gè)16位寄存器控制的16位的計(jì)數(shù)器。這個(gè)控制寄存器帶有緩沖器，它可以在工作時(shí)被修改，新的分頻器參數(shù)在下一次更新事件到來時(shí)被采用。在向上計(jì)數(shù)模式中，計(jì)數(shù)器從0計(jì)數(shù)到自動(dòng)加載值，然后從0開始計(jì)數(shù)并且產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)器溢出事件。在向下模式中，計(jì)數(shù)器從自動(dòng)裝入的值開始向下計(jì)數(shù)到0，然后從自動(dòng)裝入的值開始重新開始并且產(chǎn)生一個(gè)向下溢出事件。在中央對(duì)齊模式，計(jì)數(shù)器從0開始計(jì)數(shù)到自動(dòng)加載的值1，產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)器溢出事件，然后向下計(jì)數(shù)到1并且產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)器下溢事件，然后再從0開始重新計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘可以由內(nèi)部時(shí)鐘提供或者由外部引腳輸入[13]。 本章小結(jié)本章對(duì)整個(gè)智能家居系統(tǒng)的功能和總體結(jié)構(gòu)做了一個(gè)就具體的表述，其中功能是實(shí)現(xiàn)家庭照明系統(tǒng)的控制以及對(duì)家居內(nèi)部一氧化碳的監(jiān)測(cè)?？傮w構(gòu)架包括用戶管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感器模塊的無線網(wǎng)絡(luò)。詳細(xì)介紹了控制系統(tǒng)所用的嵌入式微處理器芯片STM32，包括STM32的內(nèi)核介紹、中斷管理、系統(tǒng)的滴答定時(shí)器、電源控制、時(shí)鐘、通用和復(fù)用功能IO、中斷和事件、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)、定時(shí)器。第3章 智能家居系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)本章主要介紹了智能家居系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì)，其中控制芯片電路的設(shè)計(jì)包括啟動(dòng)模式選擇電路、復(fù)位電路、CPU時(shí)鐘電路和RTC時(shí)鐘電路、濾波電路。其他各個(gè)模塊包括穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計(jì)、MQ7一氧化碳傳感器電路的設(shè)計(jì)、繼電器控制電燈電路的設(shè)計(jì)、WiFi模塊電路的設(shè)計(jì)、單片機(jī)與PC機(jī)通信電路的設(shè)計(jì)。圖31 智能家居系統(tǒng)硬件電路的總體設(shè)計(jì) 控制芯片電路的設(shè)計(jì) 上一章詳細(xì)介紹了控制系統(tǒng)所用的嵌入式微處理器芯片STM32，本文的控制電路所用的是STM32F103系列的芯片，該芯片是STM32F103VET6，屬于中低端的32位ARM微控制器。 (1) STM32F103VET6最小系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)圖32主要是控制芯片對(duì)模塊的引腳的分配，包括按鍵、LED發(fā)光二極管、LCD1602顯示屏、繼電器模塊、一氧化碳傳感器模塊、WiFi模塊、jlink下載電路、串口通信電路、啟動(dòng)模式選擇電路、復(fù)位電路和電源濾波電路等的引腳分配。圖32 STM32F103VET6(2) 啟動(dòng)模式選擇電路STM32F103微控制器不僅可以從Flash存儲(chǔ)器或系統(tǒng)存儲(chǔ)器啟動(dòng)，還可以從內(nèi)置SRAM啟動(dòng)。相應(yīng)的啟動(dòng)模式可通過BOOT[1:0]引腳選擇3種不同的啟動(dòng)模式。表31 3種不同的啟動(dòng)模式啟動(dòng)模式選擇引腳啟動(dòng)模式BOOT1BOOT0X0主閃存存儲(chǔ)器01系統(tǒng)存儲(chǔ)器11內(nèi)置SRAM圖33 啟動(dòng)模式的選擇電路 (3) 復(fù)位電路單片機(jī)復(fù)位電路的作用是使單片機(jī)有效復(fù)位，此款單片機(jī)的復(fù)位方式是低電平復(fù)位，此復(fù)位電路可以實(shí)現(xiàn)掉電復(fù)位和按鍵復(fù)位。當(dāng)按鍵開關(guān)按下時(shí)單片機(jī)RESET引腳直接接到GND，實(shí)現(xiàn)低電平按鍵復(fù)位。圖34 復(fù)位電路 (4) CPU時(shí)鐘電路和RTC時(shí)鐘電路圖35 CPU時(shí)鐘電路和RTC時(shí)鐘電路晶振一般叫做晶體諧振器，是一種機(jī)電器件，晶振是石英振蕩器的簡(jiǎn)稱，英文名為Crystal是用電損耗很小的石英晶體經(jīng)精密切割磨削并鍍上電極焊上引線做成。晶振的作用是給單片機(jī)正常工作提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。任何實(shí)時(shí)時(shí)鐘的核心都是晶振，晶振頻率為32768 Hz 。它為分頻計(jì)數(shù)器提供精確的與低功耗的實(shí)基信號(hào)。它可以用于產(chǎn)生秒、分、時(shí)、日等信息。為了確保時(shí)鐘長(zhǎng)期的準(zhǔn)確性，晶振必須正常工作，不能夠收到干擾。1 RTC時(shí)間是以振蕩頻率來計(jì)算的。故它不是一個(gè)時(shí)間器而是一個(gè)計(jì)數(shù)器。而一般的計(jì)數(shù)器都是16位的。又因?yàn)闀r(shí)間的準(zhǔn)確性很重要，故震蕩次數(shù)越低，時(shí)間的準(zhǔn)確性越低。所以必定是個(gè)高次數(shù)。215 = 32768 。2 32768 Hz = 215 即分頻15次后為1Hz，周期 = 1s。3 經(jīng)過工程師的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)32768 Hz，時(shí)鐘最準(zhǔn)確。(5) 濾波電路圖36 濾波電路在單片機(jī)的DVDD與GND上加上兩個(gè)濾波電容，這樣做的原因是為了最大限度減少電源對(duì)單片機(jī)的干擾。通常情況濾波電容都是一個(gè)瓷片電容和一個(gè)電解質(zhì)電容，瓷片電容是過濾低頻雜波，電解質(zhì)電容是過濾高頻雜波。 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 5V穩(wěn)壓芯片7805簡(jiǎn)介 穩(wěn)壓芯片分為兩種類型，一種為線性穩(wěn)壓，其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)壓后的電源諧波少，價(jià)格低廉；缺點(diǎn)是壓差大，散熱大，能源利用率低。另一種為開關(guān)電源，其優(yōu)點(diǎn)為壓差小，損耗??；缺點(diǎn)為穩(wěn)壓后的諧波比較多，容易產(chǎn)生噪聲。電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78xx系列和負(fù)電壓輸出的79xx系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三個(gè)引腳分別是輸入端、接地端、和輸出端。用78系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所