无需更换电池的数字倒计时定时器

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无需更换电池的数字倒计时定时器

只需 MCU、LCD、32kHz 晶振以及一个电阻器即可构成一部基本的倒计时定时器，而且只需一颗普通的纽扣电池即可实现连续超过 10 年的工作时间，如图 1 所示。例如，此类倒计时定时器可用于餐馆提供服务时间保证，服务人员按下一个按钮即可启动倒计时定时器，微控制器开始自动倒计时，时间长短可预先设定，倒计时过程则会显示在显示屏上。如果服务人员在计时结束前尚未向客人提供服务，那么显示器就会闪动显示超时信息，提示未达到服务保证。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 纽扣式锂电池，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，可以直接驱动 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 额定容量约为 200mA，工作时间可持续数小时。为了实现连续工作 10 年的设计目标，平均系统电流消耗不得超过 2.28uA，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 0.8uA，并且还包含了晶体振荡器、集成 LCD 驱动器以及中断驱动唤醒定时器。3.5 英寸数字 LCD 显示屏增加了 1uA 的额外系统电流消耗。整个工作期间的倒计时定时器的总待机电流消耗如下：

    通常情况下，MCU 工作在待机模式下，时钟晶体频率为 32kHz 的定时器触发 1 秒中断，使 MCU 返回工作主循环 (Mainloop)，主循环采用可以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。我们向软件倒计时寄存器添加十进制的 99h，实际上减去的数为 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，而无需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，以决定预编程的时间段是否已经到期，如果到期那么将显示超时信息。主循环要求 CPU 与片上高速振荡器在 250uA 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 100us，因此在这样短的工作时间内，主循环增加的电流消耗可以忽略不计，计算方法如下：

    数字倒计时定时器的总电流消耗为待机与主循环电流消耗之和：

    由于平均电流消耗约达到 1.8uA，这款倒计时定时器可轻易地实现电流消耗低于 2.28uA 的设计目标，从而能够连续工作 10 年以上。既然电池寿命可达 10 年，那么我们在设计倒计时定时器时可以采用长效电池，从而简化了其构造，同时也降低了单位成本。由于大量 MCU 功能与引脚尚未得到使用，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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