【常亮24天】 低功耗-迷你桌面时钟
简介
STC32F12K54作为主控的低功耗桌面时钟，TV模式平均功耗为1.6mA(6.2mW)，可运行大约24天，搭载RTC、温湿度、磁强、加速度、气压、光强传感器可供开发
简介：STC32F12K54作为主控的低功耗桌面时钟，TV模式平均功耗为1.6mA(6.2mW)，可运行大约24天，搭载RTC、温湿度、磁强、加速度、气压、光强传感器可供开发开源协议
：GPL 3.0
(未经作者授权，禁止转载)描述
【低功耗】桌面时钟4.0
▎更新日志
⚫2024.01.25 发发布工程 开源PCB 【控制板4.0.2】【电源板2.8.4】
⚫2024.03.02 更新PCB 【控制板4.0.3】【电源板2.8.5】
发布公版固件YQ-240229A
开源外壳STL、STP文件
⚫2024.03.06 更新PCB 【控制板4.0.4】：
①修改RTC电池电路，适配替代料RX8900CE
②更正SHT40为SHT41
上传BOM
⚫2024.03.14 上传开源工程+源码（不带闹钟）
上传2.8.5电源板作业指导书SOP
订正BOM中50mR电阻的封装，并更改了50mR电阻和200mR电阻的店铺
经历了无数的bug与调试，打板和焊板，终于将我的低功耗桌面时钟做到勉强可以开源的状态。
首先是大家关心的功耗问题，目前只做了两个方案的对比（OLED 5V 255亮度下测试），因为加了代码和闹钟、静音UI的显示导致功耗变高，只能降一下亮度
【md,由于增加了闹钟显示，年份完整显示，星期UI完整显示和其他功能的算法，导致功耗从1.69mA上升至1.85mA，后续优化代码】
| 主控 | 测试固件版本 | 稳定主频 | 方案（包含电源板）整体待机电流 | 3.84V运行功耗（TV模式30分钟平均） | 休眠理论坚持时间（1000mAH） | 运行理论坚持时间（1000mAH） |
| STC32G12K128 | / | 30M | 7.8uA | 2.1mA(8.2mW) | 14.1年 | 18.8天 |
| STC32F12K54 | YQ-240229A | 52M | 30uA | 1.85mA(7.067mW) | 3.66年 | 21.81天 |
| STC8H8K64U | / | / | / | / | / | / |
未来加入亮度自动调节机制，晚上的时候自动最低亮度，或者进入休眠模式，理论上可以坚持超过一个月
这个具体是使用时间，其实还是和亮度关系很大，因为正常显示（非滚菜单）的话，功耗基本在屏幕上，MCU耗电很少，目前已经实验过8080通信方案，结果还是SPI的方案比较省电
所以具体使用的时间，还是已大家设置的亮度，以及显示内容而定。上下文测试数据、展示图片均以出厂初始设置为测试条件（OLED 5V 255亮度、电池供电3.84V）。
刚开始我还沉迷STC32G的7.8uA忍痛割爱放弃了STC32F，后来发现我™的电池大啊，1000mAH，算了一下待机，发现就算30uA待机电流，也能练习三年半
目录
- 1控制板参数介绍
- 2电源板参数介绍
2.1DC-DC锂电池充电
2.2锂电池保护
2.3DC-DC降压（MCU+传感器供电）
2.4DC-DC升压（OLED供电）
2.5充电电流检测
2.6FFC接口定义
- 3功能展示
3.1UI操作框图
3.2TV模式
3.3主菜单
3.4二级菜单
3.5三级菜单
3.6指南针
- 4程序思路架构
- 5结构展示
==========================================================================================
控制板上搭载了一些传感器，可以方便大家做一下别的功能的开发，目前STC32F的flash比较小，正在等待2024年老姚上新的单片机
●主控：STC32F12K54
●1.3寸OLED：SSD1315（使用SPI）
●温湿度计：SHT40
●气压计：SPL-06
●RTC：INS5699
●光强计：BH1745
●磁强计+加速度计：BMC050
●无源蜂鸣器（但有独立4K方波产生电路，不占用MCU资源）
●震动开关
●按键X5：+、-、确定键、退出键、复位键
==========================================================================================
电源板2.8V空载，5V OFF的情况下，待机电流1.6uA（电池3.83V）
ME4059ASPG-N（温度低，最热只有40多度，如果用线性充电的话温度爆炸）
ME4211AM6G（一般锂电池自带保护，可以不焊）
TPS62740DSSR（10uA有90%的效率，待机电流Iq=360nA）
| TPS62740DSSR测试 | ||||||
| 输出电压（V） | 输出电流（mA） | 功率（mW） | 输入电压（V） | 输出电流（mA） | 功率（mW） | 效率 |
| 2.816 | 0.858536585 | 2.417639024 | 3.81 | 0.664 | 2.52984 | 95.56% |
| 2.816 | 28.16 | 79.29856 | 3.81 | 22.75 | 86.6775 | 91.48% |
| 2.809 | 280.9 | 789.0481 | 3.686 | 244.5 | 901.227 | 87.55% |
可以通过配置引脚选择自己喜好的电压：
MT9700+MT3608L（升压没有限流保护，单独加一颗限流保护芯片MT9700，自信的可以去掉）
可以通过主板的两个IO口控制反馈电阻，从而获得5V、6V、7V、8V（其实是应该针对OLED最亮和最暗的电流区间做四档覆盖比较合理，后续在改善）
下面是我测试了一些升压芯片的效率
| TLV61048（纹波300mV）10uf | ||||||
| 输出电压（V） | 输出电流（mA） | 输出功率（mW） | 输入电压（V） | 输入电流（mA） | 输入功率（mW） | 效率 |
| 5 | 1.515 | 7.576 | 3.880 | 2.360 | 9.157 | 82.73% |
| 5 | 3.030 | 15.150 | 3.841 | 4.600 | 17.669 | 85.75% |
| 5.037 | 156.250 | 787.031 | 3.740 | 247.000 | 923.780 | 85.20% |
| MT3608（纹波200mV）22uf | ||||||
| 输出电压（V） | 输出电流（mA） | 输出功率（mW） | 输入电压（V） | 输入电流（mA） | 输入功率（mW） | 效率 |
| 5 | 1.042 | 5.208 | 3.863 | 1.610 | 6.219 | 83.74% |
| 5 | 16.667 | 83.333 | 3.856 | 24.130 | 93.045 | 89.56% |
| MT3608L（纹波72mV）10uf | ||||||
| 输出电压（V） | 输出电流（mA） | 输出功率（mW） | 输入电压（V） | 输入电流（mA） | 输入功率（mW） | 效率 |
| 5.018 | 1.521 | 7.630 | 3.873 | 2.230 | 8.637 | 88.35% |
| 4.986 | 3.030 | 15.108 | 3.873 | 4.360 | 16.886 | 89.47% |
| 5.037 | 156.250 | 787.031 | 3.740 | 247.000 | 923.780 | 85.20% |
| TPS61041（纹波250mV）22uf | ||||||
| 输出电压（V） | 输出电流（mA） | 输出功率（mW） | 输入电压（V） | 输入电流（mA） | 输入功率（mW） | 效率 |
| 5.021 | 1.046041667 | 5.252175208 | 3.853 | 1.593 | 6.137829 | 85.57% |
| 5.021 | 16.73666667 | 84.03480333 | 3.853 | 24.647 | 94.964891 | 88.49% |
| 5 | 1.5151 | 7.5755 | 3.841 | 2.16 | 8.29656 | 91.31% |
| 5 | 3.03 | 15.15 | 3.841 | 4.31 | 16.55471 | 91.51% |
| MIC2251 | ||||||
| 输出电压（V） | 输出电流（mA） | 输出功率（mW） | 输入电压（V） | 输入电流（mA） | 输入功率（mW） | 效率 |
| 5 | 16.65 | 83.25 | 3.861 | 24.762 | 95.606082 | 87.08% |
可以看到TPS61041和MT3608效率较高，但是这两个芯片，轻载PFM模式的时候，电压跳动的很厉害，差不多快有1V，所以折中选择了MT3608L芯片
INA181A2IDBVT+50mΩ电阻
==========================================================================================
在上电时，默认进入TV模式，该模式为40秒显示时间，10秒显示温度、湿度、气压，10秒显示电池状态循环（持续时间可按喜好调整），平均功耗为1.6mA
①时间显示界面：时间显示界面会以32x16大小显示当前时、分、秒（滚动！滚动的！），以16x8大小显示当前年、月、日、星期，还会显示电池电量，当充电接入时电池侧边会显示充电接头标志，该界面总功耗为1.7~1.9mA左右
（GIF卡顿的话刷新网页）
②环境显示界面：环境显示界面会以32x16大小显示当前温度，以16x8大小显示当前时、分、秒、湿度，以8x8大小显示当前时气压，还会显示电池电量，当充电接入时电池侧边会显示充电接头标志（肉眼看漏光没这么离谱）
（GIF卡顿的话刷新网页）
③电池显示界面：电池显示界面会以16x8大小显示当前时、分、秒，并显示大号电池图标，并显示现在的电压和充电电流，充电的时候会显示一个很丑的充电动画（电压4.3V是因为我换了个芯片还没有校准）
（GIF卡顿的话刷新网页）
预设16个二级菜单，滚动时总功耗大约为2mA（以下为进度，（×）表示还未开发或未支持）：
●标准模式（√）
●休眠模式（√）
●环境信息（√）
●亮度设置（能用）
●指南针（√）
●水平尺（×）
●时间设置（√）
●闹钟（√）
●增量闹钟（×）
●秒表（×）
●声音设置（√）
●手电筒（√）
●电源管理（√）
●系统设置（×）
●系统信息（√）
●工厂模式（×）
（GIF卡顿的话刷新网页）
按确定可以设置，参数滚动时总功耗大约为4mA
（GIF卡顿的话刷新网页）
二级菜单下按确定可以设置，此时总功耗大约为1.4mA
没有固化校准，细节比如角度显示的位置没有调节，使用时需要先原地慢慢转一圈校准，此模式下目前功耗为1.3mA
==========================================================================================
之所以可以这么省电的缘故是因为MCU不会干多余的事情，有任务的时候才会运行，其他时间都在休眠。因为之前做第一代第二代时钟的时候，就发现一个事情，就是MCU在执行任务的时候，很多时候都在delay，例如滚动数字的时候，平移32格像素，需要平移32次，每次平移后间隔6毫秒才能执行下一次的平移，这个时候，空跑的的时间就是31x6=186ms，这是非常致命的，如果一秒刷新一次，就有18.6%的时间浪费在等待上。再例如给传感器发送测量指令后，需要等待一段时间才能读取测量后的值，这一段时间也是需要等待的。
为了解决MCU在等待时摸鱼的情况，可以让MCU在等待的时候进入掉电模式，从而降低功耗
但这样又不得不面临一个新的问题，就是MCU怎么知道自己什么时候醒过来？
针对这个问题，可以使用掉电唤醒定时器，通过设置掉电唤醒定时器的时间，控制MCU休眠后在我们指定的时间醒过来
但这样又有一个问题，那就是MCU怎么知道下次什么时候醒过来？例如执行一个32格像素的平移，要执行32次，MCU执行了第一次，它怎么知道还要执行32次间隔6ms的任务？
为了解决这个问题，我想了个办法，就是引入两个数组，一个是“休眠时间数组”，一个是“任务号数组”（每个bit代表一个任务），两个数组的值一一对应。例如执行一个32格像素的平移，要执行32次，我就先在“休眠时间数组”和“任务号数组”中预约32个任务，如下图所示。
每次MCU检测数组“休眠时间数组”[0]和“任务号数组”[0]中的数值，如果不等于0，则将“休眠时间数组”[0]的值装入掉电唤醒寄存器，进行休眠，唤醒后再根据“任务号数组”[0]的值匹配相应的任务。任务完成后整个数组的值向左移动一位。当检测到“休眠时间数组”[0]和“任务号数组”[0]中的数值为0时，说明UI刷新任务已经完成，掉电唤醒寄存器关闭，彻底进入休眠，等待外部按键中断任务的唤醒。
但项目中并非只有一个OLED屏幕刷新的任务，对于传感器测量等待的任务，为了尽可能保证时效性，不可能排在UI刷新完成之后再测量，我们当然希望能两不误，这时就需要写插入算法将任务插入任务队列中，例如在队列中插入一个气压测量的任务（“任务号数组”bit1 =1），需要等待15ms（6+6+3），插入上图的队列中，如下图。可以看到当数值不可以重合时，需要打断队列插入数值。
再例如在队列中插入一个气压测量的任务，需要等待12ms，插入上图的队列中，如下图。可以看到当数值重合时，不需要打断队列插入数值。只需要添加任务号所对应的bit位。
到目前为止，低功耗任务预约的算法算是弄完了，但还有一个问题，就是在休眠的过程中，如果有外部中断输入，就会让MCU提前结束休眠，这样可能会导致传感器采样异常，影响用户体验。这个时候，就需要优化睡眠的算法，检测醒来的时候，如果掉电唤醒寄存器内的时间还没有走完，就把值装填回去再次休眠，直到定时器内的值是0为止。
事情还没有结束，为了进一步降低功耗，还需要进一步降低功耗，MCU最耗电的任务其实是在刷屏的时候，这时候使用SPI发送数据，需要MCU参与其中，不能去干别的事情，这个时候我们可以使用DMA功能，使用双缓冲区，先装填1区，DMA发送1区的数据，在1区发送的时候，装填2区，轮流发送，循环往复，提高MCU的工作效率。
但单纯DMA发送数据的话，其实还是会更耗电，因为需要将数据从flash搬到XRAM里面，再通过DMA发出去是需要时间的，效率上不如把flash的数据直接发送出去
这个时候可以利用MCU进入停IDLE模式时，MCU停止工作，但外设还在可以工作的特点，如果在2区填充完成，但1区还没发完的情况下，还可以让MCU进入停IDLE模式，这个时候MCU停止工作，但外设还在可以工作，在IDLE模式等待SPI DMA 发送完成后再唤醒执行别的程序。
这样功耗就可以进一步降低。
除此之外，还有各种优化局部刷新，一点点抠功耗
==========================================================================================
本次使用三明治结构，及电源板和主板包夹电池，使用电池隔开充电时的热量（但温度传感器不可避免会上升几度），电源板和控制板都尽量将元器件放置在同一面，高度大的元件也进行了沉板设计，进一步降低高度，
最后整机尺寸相较于3.0版本厚度减少了3mm，目前尺寸为（不含按键）： 38.93mm X 23.72mm X 30.28mm 结构件为光固化3D打印，挤出式的可能做不了这么薄
底层
顶层
总体
6开源QQ群
设计图
未生成预览图，请在编辑器重新保存一次BOM
暂无BOM
克隆工程工程成员
暂无相关工程
评论