【应用】基于瑞萨内置LCD驱动器的单片机R7F0C002,轻松设计智能水杯
俗话说水是生命之源,但是整天忙忙碌碌的上班一族,总是等自己渴的时候才会想到喝水,等到想起来喝的时候水也凉了。但随着智能水杯的出现,每天的饮水情况都有记录,每次都会提醒你喝水,让你在无形中养成健康饮水的好习惯。
本应用提供了一种基于瑞萨低功耗且内置LCD驱动器的单片机R7F0C002的智能水杯解决方案,完美的解决了日常饮水问题。
图1 系统框图
本应用中智能水杯倒入热水后,如果自供电模块中的超级电容储存的电量满足系统供电要求,则启用自供电模式,否则切换为备用电池供电模式。同时通过使用瑞萨R7F0C002丰富的接口功能,实现如下功能。
显示功能
·LCD面板可以显示当前时间,当前水的温度,当前存水量和当日累计饮水量。
提醒功能
·热水冷却到用户设定的温度时,蜂鸣器报警;
·当前时间和用户预设的饮水时间一致时,蜂鸣器报警;
设定功能
·通过按键,可以设定提醒温度和提醒次数;
·通过按键,可以开启或关闭温度提醒;
·通过按键,可以切换显示实时时间或显示当日总饮水量。
LCD接口电路
R7F0C002内置LCD控制器/驱动器,MCU接口可以和LCD管脚直接相连,接口电路非常简单。本应用为3V供电系统,而LCD面板的工作电压为5V,因此LCD控制器/驱动器的工作模式选择内部升压方式,1/4占空比,1/3偏压,与LCD面板工作方式相匹配。其中内部升压方式基准电压选择1.65V,经过1/3偏压法后,电压可达到4.95V,保证LCD面板数据显示的清晰度。
水温和水量采样电路
本应用中使用电阻应变片组成的桥式称重传感器测量水的重量,然后再转换成水的体积,图2中J4接口用于连接称重传感器模块。测量水温采用10K热敏电阻组成半桥测量电路,其中测量电路中的稳压电源选用A/D转换芯片内部集成的稳压电源输出,可以提高测量的精确度。
本应用选用了电子秤专用A/D转换芯片HX711实现水温以及水量的采集。R7F0C002通过读取HX711的数据,实现了水温和水量的数据采集。
图2 水温和水量采样电路
饮水倒水判断电路
为了准确的记录饮水量,需要区分水杯中的水是用户喝了还是倒了。本应用中角度传感器开关与R7F0C002外部中断相连,当水杯倾角大于软件设定的角度时,产生中断,触发饮水判断程序。同时开始监测陀螺仪倾角变化,当倾角大于设定角度,判断为倒水动作,减少的水量不计入饮水累计变量中。否则为饮水动作,减少的水量计入每日饮水累计变量中。
图3 饮水倒水判断电路
蜂鸣器电路
在水温提醒开启状态下,当设置的水温与当前水温匹配时,或设置的提醒时间与当前时间匹配时,蜂鸣器发出声音。
R7F0C002内置了蜂鸣器输出控制电路,可以通过BUZZER驱动引脚驱动,或打开Timer通道,输出自定义频率的PWM,两种方法配置非常简单。本应用选用的是电流驱动的蜂鸣器。
蜂鸣器的工作电流较大,没有直接用MCU的I/O口驱动,采用了瑞萨电子生产的三极管N0801S提高电流的驱动能力。同时增加续流二极管提供续流,防止损坏三极管。
图4 蜂鸣器电路
按键电路
本应用有3个独立的按键,用来设定提醒温度和提醒次数,开启或禁止温度提醒,切换显示实时时间或显示当日总饮水量。默认状态下,按键输入为高电平,当有按键按下时,按键输入变为低电平。按键信号直接与R7F0C002中断管脚连接,通过MCU内部中断处理,实现智能水杯的功能设定。
图5 按键电路
电源管理电路
温差发电片原理是利用热电模块两边的温度差,产生电压,然后供给用电设备。本应用可以采用世强代理的II-VI MARLOW TG12-4温差发电片,发电效率最高可达4.97%,电阻仅为2.21℃/W,降低了运行时的功率损耗,具有良好的温度适应性。为了得到较大的功率输出,可以将若干温差电偶串(并)联成为温差电堆。
本应用采用两级DC/DC调整电路调整后给系统供电。初级电压调整电路将温差发电片产生的不规则电压调整为最大2.7V给超级电容充电,次级电压调整电路将超级电容放电电压调整为3V,给系统供电。
P沟道MOS管IR6402控制是否启用备用电池供电。当超级电容放电电压过低时,自动切换为备用电池供电,这时温差片产生的能量只用于给超级电容充电,当超级电容电压达到系统供电要求时,切换为自供电模式。
图6 电源管理电路
软件设计
整个系统主要包含以下几个任务:时间显示任务、时间设置任务、水温获取任务、水量获取任务、24小时内饮水累计任务、提醒温度设置任务、提醒时间设置任务、温度/时间提醒任务,自供电与备用电池供电切换任务。
图7 任务流程图
本应用智能水杯采用了瑞萨电子的R7F0C002,方案电路外设器件简单,软件配置容易,节约了开发成本,提高了效率。R7F0C002微控制器采用了RL78内核,在同类产品中实现了以最低功耗实现高处理性能。MCU内部集成了高精度(±1%)片上振荡器,运行频率最高可达到24MHz,内部同时还集成了可直接驱动LCD的智能LCD控制器/驱动器,与之前产品相比驱动LCD时可以减小30%的工作电流,足够满足小型液晶屏。
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