數(shù)字倒計(jì)時(shí)定時(shí)器永遠(yuǎn)無需更換電池

作者：Mark E. Buccini
德州儀器

只需 MCU、LCD、32kHz 晶振以及一個(gè)電阻即可構(gòu)成一部基本的倒計(jì)時(shí)定時(shí)器，而且只需一顆普通的鈕扣電池就能實(shí)現(xiàn)連續(xù)超過 10 年的工作時(shí)間。有兩大關(guān)鍵性設(shè)計(jì)可較小化功耗并盡可能延長電池使用壽命，一是認(rèn)真選擇電池，二是充分利用 MCU 的低功耗模式。

們之所以選擇 CR2032 鋰離子鈕扣電池，主要是因?yàn)樗�占地較小，可以支持便攜式應(yīng)用，放電曲線較平，可直接驅(qū)動(dòng)LCD，無需補(bǔ)償，而且漏電極低，能夠?qū)崿F(xiàn)更長的工作時(shí)間。典型的 CR2032 額定容量為 ~200mA，工作時(shí)間可維持?jǐn)?shù)小時(shí)。為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作 10 年的設(shè)計(jì)目標(biāo)，平均系統(tǒng)電流消耗應(yīng)不得超過 2.28μA，電流消耗的計(jì)算方式為電池能量值除以應(yīng)用的工作壽命，如下所示：

我們選擇MCU是由于其待機(jī)電流極低，僅為 0.8μA，并且還包含了晶體振蕩器、集成LCD驅(qū)動(dòng)器和中斷驅(qū)動(dòng)喚醒定時(shí)器等。3? 英寸的 LCD 顯示屏?xí)�增�?1μA 的系統(tǒng)電流消耗。整個(gè)工作期間的倒計(jì)時(shí)定時(shí)器的總待機(jī)流耗如下：

通常情況下，MCU 工作在待機(jī)模式中，時(shí)鐘晶體頻率為32kHz的計(jì)時(shí)器觸發(fā)一秒中斷，使 MCU 返回工作主循環(huán) (Mainloop)，主循環(huán)采用可顯著降低軟件開銷的直接 BCD 減法以實(shí)現(xiàn)軟件倒計(jì)時(shí)寄存器的遞減。我們向軟件倒計(jì)時(shí)定時(shí)器添加十進(jìn)制的 99h，實(shí)際減去的數(shù)為 1。直接 BCD 減法不僅有效，而且還可使倒計(jì)時(shí)直接顯示在 LCD 上，不用再進(jìn)行耗費(fèi)電流的二進(jìn)制 BCD 減法運(yùn)算。軟件接下來在 LCD 上顯示倒計(jì)時(shí)寄存器中的值。較后，倒計(jì)時(shí)寄存器中的值將與零相比較，以決定預(yù)編程的時(shí)段是否已經(jīng)到期，如果到期，那么將顯示超時(shí)信息。主循環(huán)要求 CPU 及片上高速振蕩器在 250μA 的電流消耗下工作。不過，由于我們在編寫軟件時(shí)已經(jīng)將循環(huán)計(jì)數(shù)減至 100 以下，也就是說，在默認(rèn)的 1MHz CPU 頻率下相當(dāng)于 100μs，因此在這樣短的工作時(shí)間內(nèi)，主循環(huán)所增加的電流消耗幾乎可以忽略不計(jì)，其計(jì)算如下：

倒計(jì)時(shí)數(shù)字定時(shí)器的總電流消耗為待機(jī)與主循環(huán)電流消耗之和：

由于平均電流消耗達(dá)到 1.8μA ，這款倒計(jì)時(shí)定時(shí)器輕易地實(shí)現(xiàn)了電流消耗為 2.28μA 以下的設(shè)計(jì)目標(biāo)，從而能夠連續(xù)工作 10 年以上。既然電池使用壽命可達(dá) 10 年，那么我們在設(shè)計(jì)倒計(jì)時(shí)定時(shí)器時(shí)就可采用不可替換的電池，從而簡化了構(gòu)造，同時(shí)也降低了單位成本。由于大量 MCU 功能及引腳都未使用，因此我們還可用其添加額外特性。實(shí)施計(jì)數(shù)器所需的固件相當(dāng)小，只在 MCU 的 8k 字節(jié)閃存上占用不到 250 字節(jié)。

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