软硬件开源的低功耗时钟，支持温湿度显示

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作者 | strongerHuang

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这是一款基于 AVR128DA48 的超低功耗 LCD 时钟，能够使用 CR2032 纽扣电池或太阳能电池运行三年以上：

它使用 AVR128DA48 的片上温度传感器，用 ADC 读取其自身的电源电压。还有一个 I2C 接口，你可以连接一个外部传感器，如湿度传感器。

介绍

尽管LCD液晶显示是相对较旧的技术，但与新型显示器相比，它们仍具有多项优势，包括低功耗、低成本和可读性。
1.硬件电路LCD 时钟的电路：

基于 AVR128DA48单片机

LCD显示LCD显示器为四位七段静态LCD，40引脚，可显示温湿度，LCD 显示器安装在电路板的正面，元件在背面。

MCU处理器该处理器是采用 TQFP-48 封装的 AVR128DA48，但该 PCB 可与一系列其他 48 引脚处理器配合使用，比如选择内存容量更低、价格更低的一些MCU代替。

电池（电源）
这里采用CR2032 或类似电池为其供电，或者使用太阳能电池，附加超级电容来供电：

为方便扩展，这里添加了I2C接口，这里可以添加温湿度传感器，或者其他I2C从设备。

源码

这里先分享一些主要源码内容，最后提供源码链接。
1.IO配置

void PortSetup () { for (int p=0; p<4; p++) Digit[p]->DIR = 0xFF; // All pins outputs PORTE.DIR = PIN0_bm | PIN1_bm; // COMs outputs, PE0 and PE1 PORTF.DIR = PIN5_bm | PIN4_bm; // 1A, colon}
2.时钟这里节省成本，并非使用时钟芯片或模块，用单片机定时器计数实现时钟的功能。
利用定时器中断实现时钟计数、更新：

ISR(RTC_PIT_vect) { static uint8_t cycles = 0; static unsigned long halfsecs; RTC.PITINTFLAGS = RTC_PI_bm; // Clear interrupt flag // Toggle segments for (int p=0; p<4; p++) Digit[p]->OUTTGL = 0xFF; // Toggle all PORTA,B,C,D pins PORTE.OUTTGL = PIN0_bm | PIN1_bm; // Toggle COMs, PE0 and PE1 PORTF.OUTTGL = PIN5_bm | PIN4_bm; // Toggle segment 1A, Colon

cycles++; if (cycles < 32) return; cycles = 0;

// Update time halfsecs = (halfsecs+1) % 172800; // 24 hours uint8_t ticks = halfsecs % 120; // Half-second ticks if (MinsButton()) halfsecs = ((halfsecs/7200)*60 + (halfsecs/120 + 1)%60)*120; if (HoursButton()) halfsecs = halfsecs + 7200;

if (MinsButton() || HoursButton() || ticks < 108) DisplayTime(halfsecs); else if (ticks == 108) DisplayVoltage(); else if (ticks == 114) DisplayTemp();}
3.显示时间LCD显示部分就LCD有关:

void DisplayTime (unsigned long halfsecs) { uint8_t minutes = (halfsecs / 120) % 60; #ifdef TWELVEHOUR uint8_t hours = (halfsecs / 7200) % 12 + 1; #else uint8_t hours = (halfsecs / 7200) % 24; #endif Digit[0]->OUT = Char[hours/10]; Digit[1]->OUT = Char[hours%10]; Digit[2]->OUT = Char[minutes/10]; uint8_t units = Char[minutes%10]; Digit[3]->OUT = units; uint8_t colon = (halfsecs & 1)<<4; // Toggle colon at 1Hz PORTF.OUT = (units>>1 & PIN5_bm) | colon;}
4.ADC采集温度
这都是操作寄存器实现的功能：

void DisplayVoltage () { ADC0.MUXPOS = ADC_MUXPOS_DACREF0_gc; // Measure DACREF0 ADC0.CTRLA = ADC_ENABLE_bm; // Single, 12-bit, left adjusted ADC0.COMMAND = ADC_STCONV_bm; // Start conversion while (ADC0.COMMAND & ADC_STCONV_bm); // Wait for completion uint16_t adc_reading = ADC0.RES; // ADC conversion result uint16_t voltage = adc_reading/50; ADC0.CTRLA = 0; // Disable ADC

// Display it Digit[0]->OUT = Char[Space]; Digit[1]->OUT = Char[voltage/10] | 0x80; // Decimal point Digit[2]->OUT = Char[voltage%10]; uint8_t units = Char[Vee]; Digit[3]->OUT = units; PORTF.OUT = (units>>1 & PIN5_bm); // No colon}
5.功耗问题做这种产品，低功耗难度最大（做过低功耗的同学才能理解这种难度）。
博主做了一个测试，在不同时钟频率下的功耗对比：

时钟频率	24MHz	12MHz	4MHz	1MHz
能量消耗	9.5µA	10.7µA	11.3µA	12.8µA

看到这测试结果，你肯定会感到疑惑：频率越低功耗怎么越大？
这里主要是测试平均功耗，频率越低，代码执行时间越长，其功耗相对更高。
使用电池时：CR2032 纽扣电池的典型容量为 225 mAh，因此功耗 7.3µA 时，时钟的预期电池寿命约为（225/0.0073/24/365）3.5 年。

使用太阳能时：使用 0.47F 超级电容器，你可以理解为 1 秒内的电流为 0.47A。可以算出工作时间：（0.47/7.3x10 ‑6 /60/60）大约 18 小时，这就能足以让时钟在白天使用太阳能电池供电过夜。
还有更多介绍，可以参看：http://www.technoblogy.com/

开源软硬件资料

这里为方便喜欢DIY的同学，提供了软硬件各种资料的地址。

源码地址：

http://www.technoblogy.com/list?3KYM

硬件地址：

https://github.com/technoblogy/lcd-clock

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