【应用】R5F100LE低功耗16位单片机在窗户报警器中的应用

本文介绍了瑞萨电子公司推出的R5F100LE单片机在窗户报警器中的应用。

随着人们安防意识的逐渐增强，安防报警系统广泛应用于生产、生活的各个领域，窗户报警器是安防报警器的一种类型，由于其价格低廉、易操作、安全性强等特点得到广泛的应用，本文说明提供了一种基于瑞萨单片机R5F100LE的窗户报警器的解决方案。

R5F100LE的结构框图

R5F100LE是RL78/G13群的一款MCU，RL78/G13群的结构框图请参见图1:

图1 R5F100LE结构框图

引脚配置

R5F100LE引脚配置请参见图2:

图2  R5F100LE引脚配置

系统框图

本文说明的系统框图请参见图3：

图3 窗户报警器系统框图

功能介绍

系统上电后，LED 以 500ms 的 周期闪烁，持续时间大约为 10 秒（待机时间），当 LED 常灭后，表示系统可以正常工作。通常情况下MCU运行在 STOP 模式以节省功耗，只有触发中断后才进入正常工作模式。如果振动检测模块 Z02 侦测到振动信号产生外部中断， 系统退出STOP模式，进入振动处理任务。在振动处理任务中，系统使 LE 以 50ms 的周期闪烁， 同时调用 M3 S-S2-Tiny 库对 ROM 中的语音数据（ADPCM）进行解码（PCM），解码 后利用 TAU 的 PWM 输出功能驱动 语音报警，报警声（> 80 dB）持续约 20 秒。

振动处理状态结束后，系统再 次进入STOP模式，以待下一次检测。如果电池电量不足，低电压检测电路会检测到低电压状态 并产生中断，系统退出STOP模式，进入低电压处理任务。在低电压处理任务中，如果系统电压低于预 先设定的检测电压（3.75 V），系统点亮LED以提醒用户及时更换电池。低电压处理任 务结束后，系统再次进入STOP模式，以待下一次检测。本章主要描述与 MCU 相关部分的电路。电路主要分为振动检测电路、扬声器驱动电路、以及LED驱动电路。

振动检测电路

振动检测电路原理图，请参见图4：

图 4  振动检测电路原理图

振动检测电路功能描述

本系统使用Z02振动传感器来检测是否受到振动。Z02是一种Φ20mm,厚度为3.5mm的片状高灵敏振动检测模块，可作为振动报警器的微型传感头，用于门窗及其他场合的防盗报警,也可以用于其他即时监测控制电路。模块的黄铜底板可检测到极其微弱的振动波，经内部放大、滤波、整形、电平转换，延时3~5秒后输出幅度接近电源电压的瞬态脉冲信号。如果振动停止，输出信号即刻恢复到零电平状态。

扬声器驱动电路

扬声器驱动电路原理图，请参见图5：

图5  扬声器驱动电路原理图

扬声器驱动电路功能描述

本系统使用扬声器来进行语音报警。扬声器驱动电路使用音频功率发大器 HT82V733 来驱动扬声器。 HT82V733 是一款 240mA 音频功率放大器，可用来驱动单声道扬声器，该芯片具有待机功能，在待机状态可关闭内部放大器以节省功耗。LS1是一款额定阻抗8Ω，额定功率1W的扬声器。单片机利用 PWM 做语音输出时，PWM的频率为11.025KHz（同语音信号采样频率一致），PWM 的占空比由解码后的PCM数据产生。在本设计中，HT82V733 接收 MCU 输出的 PWM，经内部放大后驱动扬声器实现语音报警功能。

LED 驱动电路

LED 驱动电路原理图请参见图6：

图6 LED 驱动电路原理图

LED 驱动电路功能描述

本系统状态指示灯选择高亮 LED，驱动电流一般在 10 mA 左右。由于单片机的大电流驱动能力能直接驱动LED，因此选用低电平点亮 LED。P1.1 连接的 LED 用于指示状态，指示状态如下：

    1. 当系统上电复位完成时，LED 慢速闪烁约 10 秒，提示系统完成复位状态。

    2. 当检测到振动发出语音报警时，LED 快速闪烁，在声音报警结束后熄灭。

    3. 当检测到电池电压过低时，LED 常亮状态，提示用户及时更换电池。

P1.0 连接的 LED为备用 LED，本设计中未使用。

软件模块

整个系统主要有以下 5 个任务。它们分别是：复位待机任务、低功耗任务、中断唤醒任务、振动处理任务、低电压处理任务。任务转移框图请参见图7：

图7 任务转移框图

复位待机任务

系统上电后，系统进入复位待机状态。此状态下，LED 以 500ms 的周期闪烁。大约 10 秒（待机时间）后， LED 常灭，表示系统待机任务完成，可进行正常的工作。

低功耗任务

系统从复位待机任务退出后，通过执行 STOP 指令进入低功耗模式。此时，所有外围功能停止运行，仅中断功能和 LVD 功能有效。

中断唤醒任务

当振动检测模块产生外部中断或者低电压检测功能产生中断后，系统被唤醒，退出STOP模式。

振动处理任务

当系统被振动检测模块产生的外部中断唤醒时，表示有异常侵入，需要产生声光信号进行报警。系统调用瑞萨公司的“M3S-S2-Tiny”库文件解码 ADPCM，在解码语音文件后，使用TAU的PWM输出功能驱动扬声器发出声音，同时快速闪烁 LED。

低电压处理任务

当系统检测到系统电压低于预先设定的检测电压（3.75V）时，产生中断信号唤醒系统，LED 点亮提示用户需及时更换电池。如果没有产生低电压检测中断，则LED为熄灭状态。

R5F100LE单片机在窗户报警器系统的关键特性

  ·   超低功耗科技

  ·   VDD = 1.6～5.5V

  ·   HALT 模式/STOP 模式/SNOOZE 模式

  ·   RL78 CPU 内核

  ·   3 段流水线的 CISC 哈佛体系结构

  ·   最短指令执行时间：能在高速（0.03125us：以高速内部振荡器时钟 32MHz 运行时）到超低速（30.5us：以副系统时钟 32.768kHz 运行时）之间变换。

  ·   地址空间：1M 字节, 内部 RAM：2KB～32KB

  ·   通用寄存器：8 位寄存器×8×4 组

代码闪存

  ·   代码闪存：16KB～512KB

  ·   禁止块擦除、改写（安全功能），内置片上调试功能，具有自编程、引导交换功能以及闪存屏蔽窗口功能

数据闪存

  ·   数据闪存：4KB～8KB

  ·   能执行后台操作（BGO）以及能在改写数据闪存期间执行程序存储器中的指令

  ·   改写次数：1000000 次（TYP.）

高速内部振荡器

  ·   可从 32MHz/24MHz/16MHz/12MHz/8MHz/6MHz/4MHz/3MHz/2MHz/1MHz 中选择

  ·   高精度±1.0% （VDD = 1.8 ～ 5.5V、TA = -20 ～ +85°C）

工作环境温度

  ·   TA = -40 ～ +85°C （A ：民用产品、D ：工业用产品）

  ·   TA = -20 ～ +105°C（G ：工业用产品）

总而言之，R5F100LE 是一款具有 RL78 内核，可以在最低功耗下实现最优处理性能的微控制器。主要应用于家庭应用、移动设备、健康医疗设备等消费类电及工业应用中。