一种基于看门狗复位、心跳电路实现超低功耗的控制方法与流程

本发明属于电子技术领域，具体地说，涉及一种基于看门狗复位、心跳电路实现超低功耗的控制方法。

背景技术：

目前，在没有市电供电的区域，有时需要布置一些具有特殊用途的设备，也无法使用太阳能，而只能使用电池供电，这些设备就需要定期更换电池，为减少更换电池的频率，就需要设计能够节省电能的电路，但目前尚没有理想的控制电路，以下以消防报警器为例具体说明，但不限于消防报警器。

消防报警设施作为建筑工程的重要部分，目前市面上多为有线联网报警方式和独立报警方式两种；传统的有线方式有由线联网型烟感、温感、烟温复合等探测器组成的报警系统，有线联网报警方式因为安装麻烦、工程施工量大、建设成本和维护成本高，全民推广非常困难，特别在不易布线或不能破坏建筑物的情况下无法使用。传统的独立报警方式由独立烟感、温感、烟温复合等探测器组成的报警系统，除因功耗高需要外部电源接入、传输距离近、通信资源有限、成本高等因素外，其无声光联动功能，更无多个声光联动报警功能，且没有专门控制中心，独立工作时，甚至在房门200m-300m外听不到报警声响，不适合全领域推广。

目前，针对传统的报警方式，也出现了无线报警器，市场上无线报警器的电源有采用市电供电和电池两种方式，采用市电的只能应用于有市电之处，而采用电池的报警器应用区域广泛，但是其控制系统设计不合理，造成报警器的功耗比较高，电池一般在3年左右就需要更换，寿命短。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于看门狗复位、心跳电路实现超低功耗的控制方法，克服了现有控制方法存在的缺陷，采用本发明控制方法后，实现了提高系统可靠性、低功耗及长寿命的目的。

另一目的是提供实现该控制方法的超低功耗控制电路。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：基于看门狗复位、心跳电路实现超低功耗的控制方法,其特征在于，包括休眠状态的控制步骤及工作状态的控制步骤。

进一步地，休眠状态的控制步骤包括：

步骤101：定时器u1定时发送唤醒信号至微处理器u2，如果微处理器u2在下一个唤醒信号发送之前收到并输出看门狗清除信号至定时器u1，则微处理器u2被唤醒，然后进入步骤102，否则进入步骤111；

步骤102：微处理器u2被唤醒一次，其内部的计数器加1；

步骤103：定时器u1接收到看门狗清除信号后，继续进行下一个唤醒周期的计时，进入步骤101定时发送唤醒信号；

步骤104：当微处理器u2内部的计数器达到设定值，进入步骤105，否则进入步骤102；

步骤105：微处理器u2检测传感器是否正常并发出高电平启动电池电压检测电路，电池电压检测电路将电池电压数据信息传输至微处理器u2；

微处理器u2发出信号至通讯模块唤醒电路，通讯模块唤醒电路输出唤醒信号至通讯模块u3；

微处理器u2通过3v电平转换2.8v电平电路将检测到的数据信息传输至通讯模块u3；

步骤106：电池电压检测电路关闭；

步骤107：通讯模块u3被唤醒，将传感器是否正常、电池数据信息向平台上传，平台收到后反馈数据给通讯模块u3，通讯模块u3通过2.8v电平转换3v电平电路向微处理器u2发出上传完成信息；

步骤108：如果微处理器u2收到上传完成信息，则微处理器u2会通过3v电平转换2.8v电平电路给通讯模块u3指令休眠，然后进入步骤109；否则，进入步骤110；

步骤109：微处理器u2的计数器清零，然后进入步骤102；

步骤110：微处理器u2发信号给通讯模块复位电路，通讯模块复位电路将通讯模块u3的复位管脚变为低电平，进入步骤107；

步骤111：如果下一个唤醒信号发送之前，定时器u1未接收到清除信号，定时器u1将会输出复位信号，对微处理器u2进行复位，返回步骤101继续定时发送唤醒信号。

进一步地，工作状态的控制步骤：

步骤201：微处理器u2检测是否有传感器的上传信息或自检信号，如果有，进入步骤202，否则继续检测；

步骤202：微处理器u2被唤醒，微处理器u2发出信号至通讯模块唤醒电路，通讯模块唤醒电路输出唤醒信号至通讯模块u3；

微处理器u2通过3v电平转换2.8v电平电路将报警或自检的数据信息传输至通讯模块u3；

步骤203：通讯模块u3被唤醒，将报警或自检的数据信息向平台上传，平台收到后反馈数据给通讯模块u3，通讯模块u3通过2.8v电平转换3v电平电路向微处理器u2发出上传完成信息；

步骤204：如果微处理器u2收到上传完成信息，则微处理器u2会通过3v电平转换2.8v电平电路给通讯模块u3指令休眠，然后进入步骤201，否则，进入步骤205；

步骤205：微处理器u2发信号给通讯模块复位电路，通讯模块复位电路将通讯模块u3的复位管脚变为低电平，然后进入步骤203。

实现所述控制方法的超低功耗控制电路,包括耦接在一起的微处理器u2、电池及：

微处理器复位心跳电路，用来定时将处于休眠状态的微处理器u2唤醒；

当微处理器u2无法正常唤醒时，将微处理器u2复位；

通讯模块u3：用来将微处理器u2检测到的数据信息或传感器的上传信息无线传输至平台；

通讯模块唤醒电路：当需要无线传输数据信息或传感器的上传信息时，用来将处于休眠状态的通讯模块u3唤醒；

通讯模块复位电路：当通讯模块u3无法正常唤醒时，通讯模块复位电路接收微处理器u2信号将通讯模块u3复位。

进一步地，微处理器复位心跳电路包括定时器u1、电阻r13、电阻r14和电容c5，定时器u1的1脚接3.3v电源、电容c5的一端、电阻r14的一端，电容c5的另一端接定时器u1的2脚并接地，电阻r14的另一端接定时器u1的6脚并接微处理器u2的1脚，定时器u1的3脚经电阻r13接地，定时器u1的4脚接微处理器u2的10脚，定时器u1的5脚接微处理器u2的11脚。

进一步地，通讯模块唤醒电路包括三极管q5、电阻r15、电阻r18、电阻r28、电阻r29，三极管q5的集电极经电阻r18接+3v，三极管q5的发射极接通讯模块u3的18脚并经电阻r29接地，三极管q5的基极接电阻r18的一端，电阻r18的另一端接微处理器u2的14脚并经电阻r15接地。

进一步地，通讯模块复位电路包括三极管q4、电阻r2、电阻r26，三极管q4的集电极接通讯模块u3的12脚，三极管q4的发射极接地，三极管q4的基极经电阻r2接微处理器u2的15脚，电阻r26接在三极管q4的基极与发射极之间。

进一步地，还包括传感器接口j2，传感器接口j2与微处理器u2、电池及成品烟雾传感器连接。

进一步地，定时器u1的型号为tpl5010；电阻r13选用22k；电池为锂亚硫酰氯电池，化学名称为li-socl2；通讯模块u3的型号为n21-22pin-lga的超低功耗nb-iot模块n21。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有以下优点：采用休眠状态的控制步骤及工作状态的控制步骤，将tpl5010定时器作为心跳电路同时作为看门狗，选择22k电阻使定时器定时时间为1分钟作为系统的心跳，每分钟唤醒一次cpu，其余时间cpu处于休眠状态，其休眠功耗为<0.4ua。

tpl5010定时器自身的电流消耗仅为35na，可替代集成的微控制器定时器执行相应功能，从而使微控制器处于较低功耗模式下。出于安全考虑，要求实现看门狗功能，tpl5010不仅实现了看门狗功能，而且几乎没有增加功耗。

通讯模块u3的发送和接收端口。vcc_io为mcu的io电压，n21的功耗在睡眠模式（psm）下，功耗<4ua。

结合通讯模块唤醒电路、通讯模块复位电路及电池电压检测电路来提高了系统的可靠性，低功耗及长寿命，有效降低了电路在睡眠模式下的功耗。试验证实，电池可以使用10年不需要更换。

附图说明

附图1是本发明实施例中超低功耗控制电路的原理框图；

附图2是本发明实施例中超低功耗控制电路的电路图；

附图3是本发明实施例中超低功耗控制电路的电路图；

图中，

1-微处理器复位心跳电路，2-sim卡信号保护电路，3-电池电压检测电路，4-2.8v电平转换3v电平电路，5-3v电平转换2.8v电平电路，6-通讯模块唤醒电路，7-通讯模块复位电路，8-稳压滤波电路，9-电池。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现以烟雾报警器为例，对照附图说明本发明的具体实施方式，本领域技术人员应理解，以下不构成对本发明保护范围的限制。

实施例，一种基于看门狗复位、心跳电路实现超低功耗的控制方法，包括休眠状态的控制步骤及工作状态的控制步骤：

休眠状态的控制步骤包括：

步骤101：定时器u1定时发送唤醒信号至微处理器u2，如果微处理器u2在下一个唤醒信号发送之前收到并输出看门狗清除信号至定时器u1，则微处理器u2被唤醒，然后进入步骤102，否则进入步骤111；

步骤102：微处理器u2被唤醒一次，其内部的计数器加1；

步骤103：定时器u1接收到看门狗清除信号后，继续进行下一个唤醒周期的计时，进入步骤101定时发送唤醒信号；

步骤104：当微处理器u2内部的计数器达到设定值，进入步骤105，否则进入步骤102；

步骤105：微处理器u2检测传感器是否正常并发出高电平启动电池电压检测电路3，电池电压检测电路3将电池电压数据信息传输至微处理器u2；

微处理器u2发出信号至通讯模块唤醒电路6，通讯模块唤醒电路6输出唤醒信号至通讯模块u3；

微处理器u2通过3v电平转换2.8v电平电路5将检测到的数据信息传输至通讯模块u3；

步骤106：电池电压检测电路3关闭；

步骤107：通讯模块u3被唤醒，将传感器是否正常、电池数据信息向平台上传，平台收到后反馈数据给通讯模块u3，通讯模块u3通过2.8v电平转换3v电平电路4向微处理器u2发出上传完成信息；

步骤108：如果微处理器u2收到上传完成信息，则微处理器u2会通过3v电平转换2.8v电平电路5给通讯模块u3指令休眠，然后进入步骤109；否则，进入步骤110；

步骤109：微处理器u2的计数器清零，然后进入步骤102；

步骤110：微处理器u2发信号给通讯模块复位电路7，通讯模块复位电路7将通讯模块u3的复位管脚变为低电平，进入步骤107；

步骤111：如果下一个唤醒信号发送之前，定时器u1未接收到清除信号，定时器u1将会输出复位信号，对微处理器u2进行复位，返回步骤101继续定时发送唤醒信号。

工作状态的控制步骤：

步骤201：微处理器u2检测是否有传感器的上传信息或自检信号，如果有，进入步骤202，否则继续检测；

步骤202：微处理器u2被唤醒，微处理器u2发出信号至通讯模块唤醒电路6，通讯模块唤醒电路6输出唤醒信号至通讯模块u3；

微处理器u2通过3v电平转换2.8v电平电路5将报警或自检的数据信息传输至通讯模块u3；

步骤203：通讯模块u3被唤醒，将报警或自检的数据信息向平台上传，平台收到后反馈数据给通讯模块u3，通讯模块u3通过2.8v电平转换3v电平电路4向微处理器u2发出上传完成信息；

步骤204：如果微处理器u2收到上传完成信息，则微处理器u2会通过3v电平转换2.8v电平电路5给通讯模块u3指令休眠，然后进入步骤201，否则，进入步骤205；

步骤205：微处理器u2发信号给通讯模块复位电路7，通讯模块复位电路7将通讯模块u3的复位管脚变为低电平，然后进入步骤203。

如图1、2、3所示，基于以上控制方法，提供一种具体的超低功耗控制电路，包括耦接在一起的微处理器u2、微处理器复位心跳电路1、通讯模块u3、电池电压检测电路3、2.8v电平转换3v电平电路4、3v电平转换2.8v电平电路5、通讯模块唤醒电路6、通讯模块复位电路7、稳压滤波电路8、电池9、sim卡信号保护电路2及sim卡座u5。

微处理器u2采用超低功耗单片机stm8l151k4t6，待机时功耗0.4ua。

微处理器复位心跳电路1包括定时器u1、电阻r13、电阻r14和电容c5，定时器u1的1脚接3.3v电源、电容c5的一端、电阻r14的一端，电容c5的另一端接定时器u1的2脚并接地，电阻r14的另一端接定时器u1的6脚并接微处理器u2的1脚，定时器u1的3脚经电阻r13接地，定时器u1的4脚接微处理器u2的10脚，定时器u1的5脚接微处理器u2的11脚，定时器u1的型号为超低功耗的tpl5010，电阻r13可以选择使用可调电阻以调节唤醒时间，经计算，电阻r13选用22k时，唤醒间隔时间为1分钟；电阻r13选用54.9k时，唤醒间隔时间为9分钟；本例中电阻r13选用22k。

采用tpl5010定时器作为心跳，同时作为看门狗来增加系统的可靠性，选择22k电阻使定时器定时时间为1分钟，作为系统的心跳，每分钟唤醒一次微处理器u2，微处理器u2唤醒后的工作时间为微秒级，其余时间微处理器u2处于待唤醒状态，即休眠状态，其休眠功耗为<0.4ua。

tpl5010定时器自身的电流消耗仅为35na，可替代集成的微控制器定时器执行相应功能，从而使微控制器处于较低功耗模式下。出于安全考虑，要求实现看门狗功能。tpl5010不仅实现了看门狗功能，而且几乎没有增加功耗。

电池9为锂亚硫酰氯电池化学名称为li-socl2,简称为锂亚电池，年自放电电流小于1%，储存寿命达10年以上，锂亚电池是一次性电池，不可充电。

稳压滤波电路8连接在电池9与微处理器u2之间，稳压滤波电路8包括低压差线性稳压器q3、电容c4、电容c6、电容c7、电容c9和电容c13，低压差线性稳压器q3的型号为mcp33-30，将锂亚电池的3.6v变换成3.0v输出至微处理器u2的8脚即vdd端，mcp33-30静态电流<1ua，40ma以下输出时仅需0.14v压差(最低需3.2v电压输入)，最大150mw功率散耗，最大160ma输出电流，最高12v输入电压。

传感器接口j2的1脚、2脚与微处理器u2的26脚、25脚连接并经电阻r17、电阻r16接低压差线性稳压器q3的3.0v输出端，传感器接口j2的3脚接地，本例中，传感器接口j2与成品烟雾报警器连接，基于另外的功能也可以连接其它传感器。电池电压检测电路3包括场效应管q2、三极管q1、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r10，场效应管q2的源极接电阻r8的一端、电池9的正极，电阻r8的另一端接场效应管q2的栅极、电阻r7的一端，电阻r7的另一端接三极管q1的集电极，三极管q1的发射极接地，三极管q1的基极经电阻r6接微处理器u2的21脚，场效应管q2的漏极经串联的电阻r9、电阻r10接地，电阻r9、电阻r10的节点接微处理器u2的24脚，场效应管q2的型号为ao3415a。

微处理器u2的2脚、3脚接外部晶振电路，由电容c1、电容c2和晶振y1组成。

微处理器u2的1脚、32脚接cpu程序下载接口，为通用接口，不再详细说明。

微处理器u2的12脚经电阻r3接调试信息输出接口j3，用来连接外用电脑检测微处理器u2的运行状态。

通讯模块u3的型号为n21-22pin-lga的超低功耗nb-iot模块n21。

sim卡座u5为microsim翻盖式，与通讯模块u3连接提供通讯，sim卡座u5的1脚经电阻r24接通讯模块u3的7脚，sim卡座u5的2脚经电阻r23接通讯模块u3的6脚，sim卡座u5的3脚经电阻r25接通讯模块u3的8脚，sim卡座u5的5脚接通讯模块u3的9脚。

sim卡信号保护电路2为型号为esda6v8av5的单向瞬态电压抑制器u4，单向瞬态电压抑制器u4的1脚接sim卡座u5的5脚，单向瞬态电压抑制器u4的3脚接sim卡座u5的3脚，单向瞬态电压抑制器u4的4脚接sim卡座u5的1脚，单向瞬态电压抑制器u4的5脚接sim卡座u5的2脚。

2.8v电平转换3v电平电路4包括三极管q6、电阻r20、电阻r30，三极管q6的基极经电阻r30接通讯模块u3的17脚，三极管q6的发射极接通讯模块u3的14脚，三极管q6的集电极接微处理器u2的27脚并经电阻r20接地。

3v电平转换2.8v电平电路5包括三极管q7、电阻r21、电阻r31，三极管q7的基极经电阻r31接通讯模块u3的17脚，三极管q7的集电极接通讯模块u3的13脚，电阻r31连接在三极管q7的集电极与基极之间，三极管q7的发射极接微处理器u2的28脚。

n21-txd和n21-rxd分别为通讯模块u3的发送和接收端口。vcc_io为mcu的io电压，n21的功耗在睡眠模式（psm）下，功耗<4ua。

通讯模块唤醒电路6包括三极管q5、电阻r15、电阻r18、电阻r28、电阻r29，三极管q5的集电极经电阻r18接+3v，三极管q5的发射极接通讯模块u3的18脚即wakeup端并经电阻r29接地，三极管q5的基极接电阻r18的一端，电阻r18的另一端接微处理器u2的14脚并经电阻r15接地。

通讯模块复位电路7包括三极管q4、电阻r2、电阻r26，三极管q4的集电极接通讯模块u3的12脚，三极管q4的发射极接地，三极管q4的基极经电阻r2接微处理器u2的15脚，电阻r26接在三极管q4的基极与发射极之间。

通讯模块u3的1脚与2脚之间连接滤波电路，由电容c10、电容c14、电容c15组成，用来滤除电源中高频干扰，电容c14选择220μf大容量的钽电解电容ec1，可以提高电源的瞬间大电流续流能力，耐压值大于电源电压的1.5倍。

通讯模块u3的22脚接天线电路。

通讯模块u3的15脚、16脚之间接通讯模块软件升级接口j5，用来在需要的时候对通讯模块u3的软件进行升级更新。

通讯模块u3的13脚、14脚之间接通讯模块外接调试接口j4，用来直接将通讯模块u3串口连接到电脑，直接对通讯模块u3进行命令操作，可用来测试通讯模块u3好坏。

正常工作时，1分钟时间到，定时器u1的4脚输出信号至微处理器u2的10脚，微处理器u2被wake信号唤醒，微处理器u2会立即通过wdi管脚输出一个看门狗清除信号，定时器u1接收到该信号后，定时器u1的6脚不会输出复位信号，会继续进行下一个周期的计时，即nrst管脚没有信号输出；如果1分钟时间到（下一个唤醒信号发送之前），微处理器u2没有被唤醒（即微处理器u2会立即通过wdi管脚未输出一个看门狗清除信号，各种原因：微处理器u2程序由于干扰跑飞、死机等），微处理器u2就不会通过wdi管脚输出看门狗清除信号，定时器u1将会输出复位信号，对微处理器u2进行复位，保证程序的正常运行。

微处理器u2每次唤醒时会将内部分钟计数器加1，到了一定（可以根据实际设定，本例中为3天）的时间，微处理器u2会通过3v电平转换2.8v电平电路5将检测到的数据传输至通讯模块u3，通讯模块u3向平台发送一次数据，报告，同时微处理器u2的分钟计数器清零。

采用低电压驱动mos管（1.8v）由微处理器u2控制，只在测量电池电压时打开进行测量，其余时间关闭测量开关，有效降低功耗。本例中为3天，在报告传感器是否正常、电池状态等信息时，微处理器u2发高电平打开场效应管q2、三极管q1，测量电池电压，测量完毕低电平关闭。

通讯模块u3与微处理器u2之间的串口信号进行通讯，将2.8v电平转换3v电平，以便进行通讯，反馈微处理器u2的指令的结果和平台发出的数据。

微处理器u2会通过3v电平转换2.8v电平电路5将数据传输至通讯模块u3，通讯模块u3向平台发送一次数据时，通过14脚发出高电平唤醒通讯模块u3，发送完毕后，平台收到后反馈数据给通讯模块u3，通讯模块u3通过2.8v电平转换3v电平电路4向微处理器u2发出发送上传完成信息，微处理器u2会通过3v电平转换2.8v电平电路5给通讯模块u3指令休眠。

通讯模块u3的唤醒管脚wakeup管脚的高电平为1.1v，微处理器u2的14脚即n21_wake管脚变为高电平时，3v电压通过通讯模块唤醒电路6的电阻r28（2.2k）、三极管q5（9014）、电阻r29（1.5k）分压，得到1.1v电平，通讯模块u3被唤醒；如果通讯模块u3没有被唤醒，也就是微处理器u2未收到通讯模块u3通过2.8v电平转换3v电平电路4发出的上传完成信息，微处理器u2的15脚即n21_rst变为高电平，通讯模块复位电路7的三极管q4导通，通讯模块u3的12脚即复位管脚reset_n21变为低电平来复位通讯模块u3，以重新进行可靠连接，继续发送。

开机时，控制通讯模块u3连接华为数据平台，并上报一次数据信息，然后进入睡眠模式（psm）直到达到上报时间或者有突发情况发生，即发生火灾报警或者人为的进行自检，烟雾报警器发出信号唤醒微处理器u2，微处理器u2发出信号至通讯模块唤醒电路6，通讯模块唤醒电路6输出唤醒信号至通讯模块u3；微处理器u2通过3v电平转换2.8v电平电路5将报警或自检的数据信息传输至通讯模块u3；通讯模块u3被唤醒，将报警或自检的数据信息向平台上传，平台收到后反馈数据给通讯模块u3，通讯模块u3通过2.8v电平转换3v电平电路4向微处理器u2发出上传完成信息；微处理器u2收到上传完成信息，则微处理器u2会通过3v电平转换2.8v电平电路5给通讯模块u3指令休眠，通讯模块u3的唤醒管脚wakeup管脚的高电平为1.1v，微处理器u2的14脚即n21_wake管脚变为高电平时，3v电压通过通讯模块唤醒电路6的电阻r28（2.2k）、三极管q5（9014）、电阻r29（1.5k）分压，得到1.1v电平，通讯模块u3被唤醒；如果通讯模块u3没有被唤醒，也就是微处理器u2未收到通讯模块u3通过2.8v电平转换3v电平电路4发出的上传完成信息，微处理器u2的15脚即n21_rst变为高电平，通讯模块复位电路7的三极管q4导通，通讯模块u3的12脚即复位管脚reset_n21变为低电平来复位通讯模块u3，以重新进行可靠连接，继续发送。

以上所述为本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。