Часы на больших ЖКИВ литературе описано немало конструкций часов со всевозможными большими, но, как правило, светодиодными индикаторами. Такие индикаторы очень удобны в темное время суток или при умеренном освещении. Однако показания большинства из них плохо различимы при ярком свете и практически нечитаемы солнечным днем. Кроме того, большие светодиодные индикаторы потребляют значительный ток (на уровне сотен миллиампер), что фактически делает невозможной их длительную работу с автономным (батарейным) питанием.Предлагаемое устройство восполняет указанные недостатки. Разработанные часы установлены в окне на солнечной стороне дома и позволяют при работе на приусадебном участке считывать время с большого расстояния (конечно, в светлое время суток). Такие часы, выполненные на основе жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ), были мне нужны в дополнение к большим светодиодным. Применение ЖКИ позволило получить высокий контраст на свету и возможность батарейного питания.В часах использованы 4 ЖКИ-индикатора типа OD-ЮЗ с высотой цифры 101 мм, выпускаемые фирмой Orient Display (www.orientdisplay.com). В качестве часов реального времени (RTC) применена микросхема DS3231MZ с высокоточным (±5 ppm) интегрированным MEMS-кристаллом, обеспечивающая необходимую точность хода и фактически не требующая подстройки времени в течение как минимум года. Прокалиброванный в заводских условиях кристалл упрощает настройку часов и разводку печатной платы. Питание микросхемы производится через вывод VBAT при заземленном выводе VCC. В таком режиме обеспечивается минимальное токопотребление микросхемы (около 2 мкА) при неработающем интерфейсе (12С).Помимо собственно часов реального времени, в микросхеме также имеется встроенный датчик температуры. В данной конструкции он не используется. Однако 1-й, 3-й и 4-й разряды индикатора установлены десятичной точкой вверх, что позволяет при необходимости высвечивать на дисплее символ градуса в правом разряде при возможном расширении функционала устройства.Управление ЖКИ в часах производится микросхемой PCF8562. Загрузка данных в нее выполняется микроконтроллером (МК) через интерфейс 12С. Микроконтроллер, RTC и логическая часть драйвера ЖКИ питаются непосредственно от батарей напряжением около 3 В и сохраняют работоспособность при их разрядке до 2,3 В.Повышение напряжения батарей до рабочего напряжения ЖКИ (5 В) производится преобразователем МАХ1724 (DC-DC). Отличительными особенностями этого преобразователя являются низкое собственное токопотребление (около 1,5 мкА) и достаточно высокий КПД при малых токах нагрузки.Часы могут питаться и от стабилизатора D5, подключенного к внешнему выпрямителю. При вставлении штекера в разъем Х2 батарея отключается, и питание всей схемы происходит через развязывающий диод VD2. Конденсатор С6 устраняет возможные кратковременные сбросы питающего напряжения при переходе с батарейного питания на стационарное.Большую часть времени МК проводит в режиме «сна» (LPM3). Микросхема RTC сконфигурирована на создание падающего уровня напряжения на выводе INT раз в минуту, когда значения секунд сбрасываются в 0. Этот перепад напряжения используется для пробуждения МК, который при активизации читает время из RTC и загружает его в драйвер ЖКИ для индикации. Слежение за состоянием кнопок установки времени производится на основе прерываний порта, подавление их дребезга — регистром сдвига. Частота тактирования шины 12С — 125 кГц с использованием аппаратного драйвера 12С на основе модуля USI в МК. Программа написана на языке Ассемблера и отлажена в среде IAR Embedded Workbench (размещена на сайте журнала).Какой же потребляемый ток следует ожидать в таких часах? Как известно, хорошо спроектированные часы на обычных ЖКИ малого размера потребляют единицы микроампер. Такое токопотребление недостижимо при размере индикатора 100 мм из-за его довольно больших межэлектродных емкостей. Как известно, ЖКИ требуют периодического изменения полярности напряжения между общим электродом и выводами сегментов. Перезарядка большой емкости требует ощутимого тока.В качестве эксперимента была собрана схема на основе КМОП-микросхемы генератора CD4047, к комплементарным выходам которой были подключены, соответственно, обший электрод одного ЖКИ и все его остальные Выводы сегментов, соединенные параллельно. Таким образом, на индикаторе высвечивались восьмерка и десятичная точка. При частоте изменения полярности 12 Гц (при меньшей частоте заметно мерцание сегментов) сам генератор потреблял ток менее 1 мкА. При подключении индикатора потребление такой схемы возрастает до 15 мкА. Драйвер ЖКИ D1 при замыкании вывода OSC на землю производит изменение полярности ЖКИ с частотой около 80 Гц. Соответственно, токопотребление каждого индикатора возрастает примерно до 30 мкА. Таким образом, весь дисплей потребляет по цепи 5 В ток 120 мкА (30 мкАх4).Помимо дисплея, около 2 мкА потребляет микросхема RTC. Так как МК находится большую часть времени в режиме «сна» (LPM3), его среднее токопотребление с таймером, работающим от внутреннего генератора 12 кГц, лежит в субмикроамперном диапазоне. Потребление цифровой части драйвера ЖКИ составляет около 8 мкА. Однако его аналоговая часть, соединенная с выводами сегментов, потребляет около 20 мкА. Далее, при КПД DC-DC-конвертера около 80% полный потребляемый ток от батарей напряжением 3 В получается примерно (4+10)+(140/0,8) (5/3)=305 (мкА). Измеренное токопотребление оказалось весьма близким к расчетному (300 мкА). При питании часов от пары литиевых батарей Energizer типоразмера ААА емкостью около 1800 мАч (при разрядном токе 300 мкА) непрерывная работа часов без смены батарей ожидается на протяжении примерно 1800/0,3=6000 часов, или 250 суток.Для продления срока службы батарей в часах осуществляется периодическое измерение уровня освещенности с помощью фотодиода VD1 и АЦП микроконтроллера. В темное время суток, когда показаний на ЖКИ не видно, в драйвер IC1 засылается команда отключения дисплея, что снижает токопотребление схемы примерно до 40 мкА. Такое большое остаточное токопотребление обусловлено, видимо, тем, что резисторы, определяющие уровни напряжений для ЖКИ внутри D1, и буферные усилители подключены к источнику 5 В постоянно, даже если драйвер работает в статическом режиме (наш случай) и промежуточные уровни напряжений, формируемые этими каскадами, для такого режима не задействованы.Измерение уровня освещенности происходит каждые 5 минут в светлое время суток и каждую минуту в темное. При питании от внешнего выпрямителя транзистор VT1 открывается, напряжение на выводе 3 МК падает до 0, и отключение дисплея в темноте не производится.
Принимая длительность темного времени суток, равной длительности светлого, среднее токопотребление схемы за сутки получается (300+40)/2=170 мкА, и время непрерывной работы схемы повышается до 1800/0,17=10588 час, т.е. до 441 суток или 1,2 года. Этого с избытком хватит на весь садовый сезон.
Автор: Admin
Прочитано: 95
Комментариев: 0