一个软硬件开源的低功耗时钟项目-技术圈


          
           
            
             
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这是一款基于 AVR128DA48 的超低功耗 LCD 时钟，能够使用 CR2032 纽扣电池或太阳能电池运行三年以上：

它使用 AVR128DA48 的片上温度传感器，用 ADC 读取其自身的电源电压。还有一个 I2C 接口，你可以连接一个外部传感器，如湿度传感器。

介绍

尽管LCD液晶显示是相对较旧的技术，但与新型显示器相比，它们仍具有多项优势，包括低功耗、低成本和可读性。

1.硬件电路

LCD 时钟的电路：

基于 AVR128DA48单片机

LCD显示

LCD显示器为四位七段静态LCD，40引脚，可显示温湿度，LCD 显示器安装在电路板的正面，元件在背面。

MCU处理器

该处理器是采用 TQFP-48 封装的 AVR128DA48，但该 PCB 可与一系列其他 48 引脚处理器配合使用，比如选择内存容量更低、价格更低的一些MCU代替。

电池（电源）

这里采用CR2032 或类似电池为其供电，或者使用太阳能电池，附加超级电容来供电：

I2C接口

为方便扩展，这里添加了I2C接口，这里可以添加温湿度传感器，或者其他I2C从设备。

源码

这里先分享一些主要源码内容，最后提供源码链接。

1.IO配置

void PortSetup () {  for (int p=0; p<4; p++) Digit[p]->DIR = 0xFF;       // All pins outputs  PORTE.DIR = PIN0_bm | PIN1_bm;                      // COMs outputs, PE0 and PE1  PORTF.DIR = PIN5_bm | PIN4_bm;                      // 1A, colon}

2.时钟

这里节省成本，并非使用时钟芯片或模块，用单片机定时器计数实现时钟的功能。

利用定时器中断实现时钟计数、更新：

ISR(RTC_PIT_vect) {  static uint8_t cycles = 0;  static unsigned long halfsecs;  RTC.PITINTFLAGS = RTC_PI_bm;                        // Clear interrupt flag  // Toggle segments  for (int p=0; p<4; p++) Digit[p]->OUTTGL = 0xFF;    // Toggle all PORTA,B,C,D pins  PORTE.OUTTGL = PIN0_bm | PIN1_bm;                   // Toggle COMs, PE0 and PE1  PORTF.OUTTGL = PIN5_bm | PIN4_bm;                   // Toggle segment 1A, Colon
  cycles++;  if (cycles < 32) return;  cycles = 0;
  // Update time  halfsecs = (halfsecs+1) % 172800;                   // 24 hours  uint8_t ticks = halfsecs % 120;                     // Half-second ticks                   if (MinsButton()) halfsecs = ((halfsecs/7200)*60 + (halfsecs/120 + 1)%60)*120;  if (HoursButton()) halfsecs = halfsecs + 7200;
  if (MinsButton() || HoursButton() || ticks < 108) DisplayTime(halfsecs);  else if (ticks == 108) DisplayVoltage();  else if (ticks == 114) DisplayTemp();}

3.显示时间

LCD显示部分就LCD有关:

void DisplayTime (unsigned long halfsecs) {  uint8_t minutes = (halfsecs / 120) % 60;  #ifdef TWELVEHOUR  uint8_t hours = (halfsecs / 7200) % 12 + 1;  #else  uint8_t hours = (halfsecs / 7200) % 24;  #endif  Digit[0]->OUT = Char[hours/10];  Digit[1]->OUT = Char[hours%10];  Digit[2]->OUT = Char[minutes/10];  uint8_t units = Char[minutes%10];  Digit[3]->OUT = units;  uint8_t colon = (halfsecs & 1)<<4;                  // Toggle colon at 1Hz     PORTF.OUT = (units>>1 & PIN5_bm) | colon;}

4.ADC采集温度

这都是操作寄存器实现的功能：

void DisplayVoltage () {  ADC0.MUXPOS = ADC_MUXPOS_DACREF0_gc;                // Measure DACREF0  ADC0.CTRLA = ADC_ENABLE_bm;                         // Single, 12-bit, left adjusted  ADC0.COMMAND = ADC_STCONV_bm;                       // Start conversion  while (ADC0.COMMAND & ADC_STCONV_bm);               // Wait for completion  uint16_t adc_reading = ADC0.RES;                    // ADC conversion result  uint16_t voltage = adc_reading/50;  ADC0.CTRLA = 0;                                     // Disable ADC
  // Display it  Digit[0]->OUT = Char[Space];  Digit[1]->OUT = Char[voltage/10] | 0x80;            // Decimal point  Digit[2]->OUT = Char[voltage%10];  uint8_t units = Char[Vee];  Digit[3]->OUT = units;  PORTF.OUT = (units>>1 & PIN5_bm);                   // No colon}

5.功耗问题

做这种产品，低功耗难度最大（做过低功耗的同学才能理解这种难度）。

博主做了一个测试，在不同时钟频率下的功耗对比：

时钟频率	24MHz	12MHz	4MHz	1MHz
能量消耗	9.5µA	10.7µA	11.3µA	12.8µA

看到这测试结果，你肯定会感到疑惑：频率越低功耗怎么越大？

这里主要是测试平均功耗，频率越低，代码执行时间越长，其功耗相对更高。

使用电池时：

CR2032 纽扣电池的典型容量为 225 mAh，因此功耗 7.3µA 时，时钟的预期电池寿命约为（225/0.0073/24/365）3.5 年。

使用太阳能时：

使用 0.47F 超级电容器，你可以理解为 1 秒内的电流为 0.47A。可以算出工作时间：（0.47/7.3x10 ‑6 /60/60）大约 18 小时，这就能足以让时钟在白天使用太阳能电池供电过夜。

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