利用MAXQ3210構建水位監(jiān)測/報警系統(tǒng)

　　摘要：MAXQ3210是一款高性能、低功耗16位RISC微控制器，非常適合環(huán)境監(jiān)測和報警系統(tǒng)。器件內(nèi)置5V至9V穩(wěn)壓器、喚醒定時器、停機模式和環(huán)形振蕩器，能夠工作在低功耗模式。集成模擬比較器、壓電揚聲器驅(qū)動器和精密電壓基準大大降低了系統(tǒng)元件數(shù)量。本應用筆記說明如何使用MAXQ3210構建一個水位監(jiān)測和音頻報警系統(tǒng)，還提供了完整的匯編程序。

　　概述

　　MAXQ3210微控制器是一款功能強大的RISC微控制器，器件所具備的功能和特性使其非常適合電池供電的監(jiān)控和音頻報警系統(tǒng)。微控制器內(nèi)部集成了5V至9V穩(wěn)壓器、壓電揚聲器驅(qū)動器和模擬比較器，大大降低了系統(tǒng)的元件數(shù)量。另外，停機模式、喚醒模式等多種低功耗特性使其在9V電池供電時能有效延長工作時間。

　　本應用筆記提供了一個利用MAXQ3210微控制器實現(xiàn)水位監(jiān)測及音頻報警的系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用礦物質(zhì)對水的電導率的影響來檢測水位，并在必要時給出報警信號。本文介紹的方案還不能直接用作最終產(chǎn)品，只是說明有效利用MAXQ3210功能的案例。實例中使用的水位檢測機制并未在極端環(huán)境下進行可靠性測試，也沒有對其長期工作的有效性進行評估。本應用筆記提供的只是一個簡單案例，可以對自來水進行有效的監(jiān)測。

　　本應用筆記中的程序針對MAXQ3210編寫，并進行了測試，也可以運行在包含類似資源的其它MAXQ器件，如MAXQ3212。例程開發(fā)環(huán)境是MAX-IDE 1.0版和MAXQ3210評估板修訂版B版。關于評估套件的詳細信息，請參見MAXQ3210EVKIT。

　　工作原理

　　本應用筆記將詳細討論MAXQ3210的功能及特性，MAXQ3210的內(nèi)部比較器允許使用最少外圍器件實現(xiàn)簡單的水位監(jiān)測系統(tǒng)。通過使用處理器的低功耗休眠模式和喚醒定時器，使電池供電監(jiān)測報警系統(tǒng)在絕大部分時間處于停機模式，只是周期性地喚醒系統(tǒng)檢測水位，判斷是否發(fā)出報警信號。

　　以下部分說明MAXQ3210的一些功能及在本應用如何有效利用這些功能，并對這些功能的結構、設置進行說明。

　　水監(jiān)測傳感器探頭

　　水監(jiān)測傳感器探頭如圖1所示，如上所述，該傳感器不是針對最終產(chǎn)品設計的。它由一片塑膠材料固定屏蔽夾子形狀的電極。電極之間的距離可以任選或由具體材料決定。傳感器通過一個間距為0.1的4引腳連接器直接連接到MAXQ3210評估板的J4 (引腳9-P0.4、11-P0.5/CMPI和13-P0.6)。1.0M電阻(圖中靠近連接器的導線部分)作為傳感器電極的一個上拉電阻，該電阻直接焊接到連接器的一個引腳。

　　圖1. 水監(jiān)測探頭

　　圖2. 水監(jiān)測原理圖

　　水監(jiān)測傳感器探頭與處理器的連接原理圖如圖2所示。傳感器一端連接至MAXQ3210的內(nèi)部模擬比較器輸入端CMPI，P0.5。該輸入還與1.0M電阻相連，電阻的另一端接處理器的端口引腳，P0.6。軟件將P0.6配置為輸出，并在系統(tǒng)初始化部分將其置為高電平。由于比較器具有高輸入阻抗，這種配置在正常條件下使CMPI接近于VCC (例如，傳感器電極沒有浸入水中)。傳感器的另一端連接至端口P0.4，P0.4配置為輸出引腳并置為低電平。當兩個傳感器電極都浸入水中時，水的電導率強行比較器輸入下拉至地。發(fā)生這種情況時，比較器輸出CMPO改變。關于模擬比較器及其工作的詳細信息將在本文的后續(xù)內(nèi)容討論。

　　停機模式的重要性

　　除斷電狀態(tài)外，停機模式是MAXQ3210的最低功耗模式。停機模式下禁止處理器內(nèi)部環(huán)形振蕩器、喚醒定時器(如果使能)以外的所有電路工作。片上時鐘、定時器和外設電路都將停止工作，程序也會停止運行。一旦進入停機模式，MAXQ3210的絕大部分時間處于靜止狀態(tài)，其功耗主要由漏電流決定。結合喚醒定時器使用停機模式，可實現(xiàn)低功耗工作。

　　實際工作環(huán)境下，水位變化非常慢。因此，處理器在絕大部分時間內(nèi)可處于停機模式，只需在較長的時間間隔內(nèi)喚醒一次簡單的傳感器檢測操作。實例中，選擇一分鐘作為傳感器的采樣周期。該時間間隔既不會錯過報警，也能夠有效利用處理器的停機狀態(tài)，充分延長電池的使用壽命。如果這個周期對于特定的應用過長或過短，可將軟件中的喚醒延時常數(shù)(WUDel)改為所要求的數(shù)值，然后重新編譯程序。以下喚醒定時器周期公式給出了這個時間間隔的計算方式：

　　當處理器時鐘控制寄存器的STOP位，CKCN.4，置1時，處理器立即進入停機模式。如發(fā)生以下任何條件，處理器將退出停機模式：

　　P1.1/RESET出現(xiàn)低電平有效復位(如果沒有禁止)

　　上電復位(如果沒有禁止)

　　P0.6/INT出現(xiàn)外部中斷(如果使能)

　　喚醒定時器計時到0(如果使能)及中斷被響應

　　處理器由于喚醒定時中斷而退出停機模式不會影響處理器的配置，其中包括時鐘控制位設置。外部復位引起的退出停機模式則不同，處理器將恢復到默認上電狀態(tài)。因此，在進入停機模式之前，處理器應該初始化為標準工作狀態(tài)，以便在退出停機模式時恢復到原配置。喚醒定時器中斷及其中斷服務程序(ISR)除了使處理器退出停機模式外，還將啟動其它系統(tǒng)功能(如，檢測傳感器、使揚聲器發(fā)聲、低電池電壓檢測等)。

　　喚醒定時器

　　MAXQ3210的喚醒定時器是一個20位的定時器，可設置為系統(tǒng)時鐘遞減計數(shù)，也可以設置為對處理器內(nèi)部環(huán)形振蕩器計數(shù)。應用軟件將初始值裝入喚醒定時器寄存器(WUT)，隨后定時器從這個設定值開始遞減計數(shù)。當定時器計數(shù)值達到0時，休眠周期結束，喚醒定時器控制(WTCN.1)寄存器的中斷標志位(WTF)置位。如果中斷使能，該標志將觸發(fā)一次中斷，使處理器退出中斷模式。如果屏蔽中斷，處理器將不退出停機模式。

　　通過WUT寄存器，處理器及其軟件可訪問20位定時器的前16位，低4位只允許定時器硬件訪問。盡管如此，任何情況下只要軟件對WUT寄存器進行寫操作，其低4位也將清零。喚醒定時器的周期由以式給出：

　　喚醒定時器周期 = (源時鐘周期) x WUT[19:4] x 16

　　其中WUT[19:4]是20位定時器的前16位。注意，由于在WUT寄存器沒有包含定時器的低4位，周期數(shù)必須乘以16。通過使用這個公式，可看出一般在使用頻率為8kHz的環(huán)形振蕩器時，最大喚醒周期大約為131秒。上文中選擇一分鐘為休眠周期，將倒計數(shù)值30,000 (07530h)裝載到WUT即可產(chǎn)生一分鐘的休眠時間。假設喚醒定時器對環(huán)形振蕩器進行計數(shù)。

　　配置喚醒定時器時需要對定時器控制寄存器進行一次寫操作，將喚醒寄存器(WTE)的使能位WUTC.0置位以使能定時器。同時，喚醒定時器(WTCS)的時鐘選擇位WUTC.2必須置1，定時器才能對處理器的環(huán)形振蕩器進行計數(shù)。因此，應用程序必須向定時器控制寄存器(WUTC) 寫入十六進制數(shù)05初始化定時器。喚醒定時器標志(WTF)的WUTC.1位由定時器硬件置位，但必須由中斷服務程序清除，以防止重復響應同一中斷。

　　模擬比較器

　　MAXQ3210內(nèi)置1位模數(shù)比較器及其2.5V的電壓基準，這些電路是本應用的關鍵。比較器有兩個輸入端，＋和－，如圖2所示。比較器輸出是兩個輸入端模擬電壓之差的函數(shù)。本應用中，2.5V基準連接至“+”輸入端，“-”輸入端連接至傳感器的一端。如圖所示，“-”輸入端通過一個1.0M電阻由設置為高電平的端口P0.5上拉至高電平。因此，在正常狀態(tài)下，“-”輸入端電壓接近于5V，高于“+”輸入端2.5V基準電壓。比較器的極性選擇(CPOL)位CMPC.1在本應用中設置為0。比較器輸出結果CMO如下：

　　CMO = 0當(VREFCMPI)時

　　CMO = 1當(VREF>CMPI)時

　　由此可見，正常狀態(tài)下比較器輸出CMPO為0。當水監(jiān)測傳感器的電極浸入水中時，兩電極之間的導電性將比較器輸入拉至地電位。這種狀態(tài)下，基準電壓高于CMPI，比較器輸出CMO變?yōu)楦唠娖?。由于比較器的高輸入阻抗，正常情況(無報警)下，只有非常小的電流流入比較器輸入端。當水監(jiān)測傳感器電極浸入水中時，水的電導率和1.0M電阻可以限制傳感器電極之間的電流。

　　揚聲器驅(qū)動

　　MAXQ3210提供了一個板上3引腳壓電揚聲器驅(qū)動接口，該接口可直接驅(qū)動壓電揚聲器。3引腳接口的引腳配置如下：

　　HORNB (揚聲器銅片)：這個輸出連接至壓電揚聲器的金屬電極。

　　HORNS (揚聲器銀片)：這個輸出連接至壓電揚聲器的陶瓷電極。當壓電揚聲器驅(qū)動使能時，這個輸出為HORNB提供互補輸出。

　　FEED：該