需更换电池的倒计时数字定时器

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需更换电池的倒计时数字定时器


只需 MCU、LCD、32kHz 晶振以及一个电阻即可构成一部基本的倒计时定时器，而且只需一颗普通的钮扣电池就能实现连续超过 10 年的工作时间。有两大关键性设计可最小化功耗并尽可能延长电池使用寿命，一是认真选择电池，二是充分利用 MCU 的低功耗模式。

　　我们之所以选择 CR2032 锂离子钮扣电池，主要是因为它占地较小，可以支持便携式应用，放电曲线较平，可直接驱动LCD，无需补偿，而且漏电极低，能够实现更长的工作时间。典型的 CR2032 额定容量为 ~200mA，工作时间可维持数小时。为了实现连续工作 10 年的设计目标，平均系统电流消耗应不得超过 2.28μA，电流消耗的计算方式为电池能量值除以应用的工作寿命，如下所示：
　　我们选择MCU是由于其待机电流极低，仅为 0.8μA，并且还包含了晶体振荡器、集成LCD驱动器和中断驱动唤醒定时器等。3? 英寸的 LCD 显示屏会增加 1μA 的系统电流消耗。整个工作期间的倒计时定时器的总待机流耗如下：
      
　　通常情况下，MCU 工作在待机模式中，时钟晶体频率为32kHz的计时器触发一秒中断，使 MCU 返回工作主循环 (Mainloop)，主循环采用可显著降低软件开销的直接 BCD 减法以实现软件倒计时寄存器的递减。我们向软件倒计时定时器添加十进制的 99h，实际减去的数为 1。直接 BCD 减法不仅有效，而且还可使倒计时直接显示在 LCD 上，不用再进行耗费电流的二进制 BCD 减法运算。软件接下来在 LCD 上显示倒计时寄存器中的值。最后，倒计时寄存器中的值将与零相比较，以决定预编程的时段是否已经到期，如果到期，那么将显示超时信息。主循环要求 CPU 及片上高速振荡器在 250μA 的电流消耗下工作。不过，由于我们在编写软件时已经将循环计数减至 100 以下，也就是说，在默认的 1MHz CPU 频率下相当于 100μs，因此在这样短的工作时间内，主循环所增加的电流消耗几乎可以忽略不计，其计算如下：
      
　　倒计时数字定时器的总电流消耗为待机与主循环电流消耗之和：
      
　　由于平均电流消耗达到 1.8μA ，这款倒计时定时器轻易地实现了电流消耗为 2.28μA 以下的设计目标，从而能够连续工作 10 年以上。既然电池使用寿命可达 10 年，那么我们在设计倒计时定时器时就可采用不可替换的电池，从而简化了构造，同时也降低了单位成本。由于大量 MCU 功能及引脚都未使用，因此我们还可用其添加额外特性。实施计数器所需的固件相当小，只在 MCU 的 8k 字节闪存上占用不到 250 字节。

李小路

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