無(wú)需更換電池的數字倒計時(shí)定時(shí)器

    只需 MCU、LCD、32kHz 晶振以及一個(gè)電阻器即可構成一部基本的倒計時(shí)定時(shí)器，而且只需一顆普通的紐扣電池即可實(shí)現連續超過(guò) 10 年的工作時(shí)間，如圖 1 所示。例如，此類(lèi)倒計時(shí)定時(shí)器可用于餐館提供服務(wù)時(shí)間保證，服務(wù)人員按下一個(gè)按鈕即可啟動(dòng)倒計時(shí)定時(shí)器，微控制器開(kāi)始自動(dòng)倒計時(shí)，時(shí)間長(cháng)短可預先設定，倒計時(shí)過(guò)程則會(huì )顯示在顯示屏上。如果服務(wù)人員在計時(shí)結束前尚未向客人提供服務(wù)，那么顯示器就會(huì )閃動(dòng)顯示超時(shí)信息，提示未達到服務(wù)保證。有兩大關(guān)鍵性設計可最小化功耗，并盡可能延長(cháng)電池使用壽命，一是認真選擇電池，二是充分利用 MCU 的低功耗模式。

    我們之所以選擇 CR2032 紐扣式鋰電池，主要是因為它占地較小，可以支持便攜式應用，放電曲線(xiàn)較平，可以直接驅動(dòng) LCD，無(wú)需補償，而且漏電極低，能夠實(shí)現更長(cháng)的工作時(shí)間。典型的 CR2032 額定容量約為 200mA，工作時(shí)間可持續數小時(shí)。為了實(shí)現連續工作 10 年的設計目標，平均系統電流消耗不得超過(guò) 2.28uA，電流消耗的計算方式為電池能量值除以應用的工作壽命，如下所示：

    我們選擇 MCU 是由于其待機電流極低，僅為 0.8uA，并且還包含了晶體振蕩器、集成 LCD 驅動(dòng)器以及中斷驅動(dòng)喚醒定時(shí)器。3.5 英寸數字 LCD 顯示屏增加了 1uA 的額外系統電流消耗。整個(gè)工作期間的倒計時(shí)定時(shí)器的總待機電流消耗如下：

 
    通常情況下，MCU 工作在待機模式下，時(shí)鐘晶體頻率為 32kHz 的定時(shí)器觸發(fā) 1 秒中斷，使 MCU 返回工作主循環(huán) (Mainloop)，主循環(huán)采用可以顯著(zhù)降低軟件開(kāi)銷(xiāo)的直接 BCD 減法以實(shí)現軟件倒計時(shí)寄存器的遞減。我們向軟件倒計時(shí)寄存器添加十進(jìn)制的 99h，實(shí)際上減去的數為 1。直接 BCD 減法不僅有效，而且還可使倒計時(shí)直接顯示在 LCD 上，而無(wú)需再進(jìn)行耗費電流的二進(jìn)制 BCD 減法運算。軟件接下來(lái)在 LCD 上顯示倒計時(shí)寄存器中的值。最后，倒計時(shí)寄存器中的值將與零相比較，以決定預編程的時(shí)間段是否已經(jīng)到期，如果到期那么將顯示超時(shí)信息。主循環(huán)要求 CPU 與片上高速振蕩器在 250uA 電流消耗下工作。不過(guò)，由于我們在編寫(xiě)軟件時(shí)已經(jīng)將循環(huán)計數減至 100 以下，也就是說(shuō)，在默認的 1MHz CPU 頻率下相當于 100us，因此在這樣短的工作時(shí)間內，主循環(huán)增加的電流消耗可以忽略不計，計算方法如下：

    數字倒計時(shí)定時(shí)器的總電流消耗為待機與主循環(huán)電流消耗之和：

    由于平均電流消耗約達到 1.8uA，這款倒計時(shí)定時(shí)器可輕易地實(shí)現電流消耗低于 2.28uA 的設計目標，從而能夠連續工作 10 年以上。既然電池壽命可達 10 年，那么我們在設計倒計時(shí)定時(shí)器時(shí)可以采用長(cháng)效電池，從而簡(jiǎn)化了其構造，同時(shí)也降低了單位成本。由于大量 MCU 功能與引腳尚未得到使用，因此我們還可用其添加額外特性。實(shí)施計數器所需的固件相當小，只在 MCU 的 8k 字節閃存上占用不到 250 字節。