分享一个软硬件开源的低功耗时钟项目

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来源 | 网络

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：

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。

还有更多介绍，可以参看：

http://www.technoblogy.com/

开源软硬件资料

这里为方便喜欢DIY的同学，提供了软硬件各种资料的地址。

源码地址：

http://www.technoblogy.com/list?3KYM

硬件地址：

https://github.com/technoblogy/lcd-clock

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