基于电子纸的节能电子闹钟系统标准设计

基于电子纸节能电子闹钟系统设计 电子纸是新一代显示装置，它含有超低功耗、超宽视角、高对比度、高反射、无需背光源纯反射模式、双稳态显示、防强光等特点。当电子纸微胶囊做于柔性基板上，则其含有和纸一样可弯曲特征，而且显示视觉感官效果几乎和纸张一样。电子纸对比其它显示装置如LED、LCD等愈加节能，观看效果更佳。 本设计采取电子纸作为电子闹钟显示器幕，使用时基芯片DS1302提供正确年月日立即分秒，温度传感器LM75A提供实时温度信息，单片机MSP430作为控制系统，干电池供电。总体含有工作电压宽，耗能低，工作时间长，显示界面清新等优良特点。对时基芯片采取双电源供电即可避免更换电池重调时间繁琐。整体全部采取低耗能、宽电压工作器件，有效延长电池工作时间。 一、电子纸显示器基础原理 本设计采取大连佳显电子2.1寸电子纸，型号为GDE021A1。 1. 基础性能特点 （1）分辨率为172X72，显示区域48.16X20.16，四灰阶数可显示黑、白、灰阶，对比度达101，反射率35，运行温度为050℃。双稳态性，只在电子纸刷新时耗电。 （2） 刷新时间300ms,响应时间100ms,使用寿命（无故障刷新次数）100万次以上。 （3） 超低功耗，只在改变显示内容时耗电，刷新时功耗为0.012mW/cm2。工作电压2.4V3.3V。 （4）串行外设接口，内置振荡器，波形存放在片上OTP，采取COG封装, IC厚度250um。 2. 电子纸工作原理 电子纸（赛伦纸）技术是一个“微胶囊电泳显示”技术。其基础原理是悬浮在液体中带电纳米粒子受到电场作用而产生迁移。电子纸是一个薄膜状材料，它是由成千上万个微小胶囊状颗粒（称为微胶囊）涂在一个塑料基材上而制成。微胶囊是电子纸基础单元，它里面包含了两种不一样颜色纳米粒子。电子纸工作原理图所表示 图1.赛伦显示器工作原理 赛伦纸膜片是赛伦纸显示模组关键材料，负责显示人眼实际看到图案。底板作为赛伦纸显示器像素电极（下电极），用于控制赛伦纸每个像素黑白改变。赛伦纸膜片可经过层压方法贴合在底板上。驱动芯片可依据控制指令和信号产生对应逻辑电平和时序，用于控制底板每个像素（或段码）工作时序和状态，并使赛伦纸能够显示所需图案。 赛伦纸显示器无需背光源，其次，含有双稳态性。即当显示静态图像时候，赛伦纸能够完全不耗电，换句话说，就是即使断开全部电源，赛伦纸显示器仍然能够保留最终一幅画面。 3. GDE021A1引脚功效 GDE021A1采取COG（chip on glass）封装，引脚排布图2所表示。VccIO、VCI接由两节干电池串联供电3V。其中电源3V需进行升压处理以提供电子纸刷新需要高电压。具体升压电路及引脚连接图3所表示。为片选端，低电平有效。是数据/命令控制引脚，和MCU以4线SPI模式相连。当为高电平，表明D1输入为数据；当为低电平时，表明D1输入为命令字。BUSY为忙状态引脚，当芯片忙碌该引脚输出为高电平，不忙碌时输出为低电平。该引脚能够提供MCU查询，当处于不忙碌时MCU则能够向GDE021A1输入控制命令或显示数据。BS1为接口选择控制端，当BS1为低电平，和MCU实施3线SPI模式传输；当BS1为高电平，和MCU实施4线SPI模式传输。TSCL和TSDA为GDE021A1和温度传感器I2C接口。 图2 GDE021A1引脚功效 图3 升压控制连接示意图 图4 GDE021A1工作步骤图 图5 GDE021A1工作时序图 4. GDE021A1工作过程 GDE021A1工作步骤图图4所表示。其中方框中步骤需要查GDE021A1手册中命令字和数据传输格式对电子纸显示器进行操作。 二、电子纸节能闹钟设计各模块电路 以下图5为电子纸节能闹钟总体设计电路 1.MCU中央控制电路 中央控制电路使用MSP430，该芯片是美国德州仪器（TI）一个16位超低功耗、含有精简指令集（RISC）混合信号处理器（Mixed Signal Processor）基于闪存或 ROM 超低功耗 MCU，提供 8MIPS，工作电压为 1.8V - 3.6V，含有高达 60KB 闪存和多种高性能模拟及智能数字外设。超低功耗低至0.1uA （保持模式）， 0.7uA （实时时钟模式）， 200uA/MIPS （工作模式） ，在 6us 之内快速从待机模式唤醒。MSP430 系列单片机能在25MHz晶体驱动下，实现40ns指令周期。 LM75A MSP430含有宽电压工作范围，能够提升电池利用率。响应速度快，对于数据处理愈加灵活，能实现数字信号处理一些算法（如FFT）。 2.温度采集模块 温度采集模块选择LM75A。LM75A 是一个使用了内置带隙温度传感 器和 Σ-△模数转换技术温度-数字转换器。它也是一个温度检测器， 可提供一个过热检测输出。LM75A 包含很多数据寄存器配置寄存器 （Conf），用来存放器件一些配置，如器件工作模式、OS 工作 模式、OS 枀性和OS 故障队列等（在功效描述一节中有具体描述）； 温度寄存器（Temp），用来存放读取数字温度；设定点寄存器 DS1302 （Tos Thyst），用来存放可编程过热关断和滞后限制，器件经过2 线串行I2C 总线接口和控制器通信。LM75A 还包含一个开漏输出（OS），当温度超出编程限制值时该输出有效。LM75A 有3个可选逻辑地址管脚，使得同一总线上可同时连接8个器件而不产生地址冲突。 低功耗设计，工作电流经典值为250uA，掉电模式为3.5uA。测量 温度最大范围为-55℃～125℃。 宽工作电压范围2.8V～5.5V。 提供了良好温度精度（0.125℃）。 3.时钟电路 使用DS1302为电子闹钟提供实时时钟信息。DS1302是美国DALLAS 企业推出一个高性能、低功耗实时时钟芯片，附加31字节静态RAM， 采取SPI三线接口和MCU进行同时通信，并可采取突发方法一次传送多个字节时钟信号和RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，30天小于31天时能够自动调整，且含有闰年赔偿功效。工作电压宽达2.5～5.5V。 4.其它辅助电路 按键电路和蜂鸣器电路是电子闹钟辅助电路。按键电路关键提供闹钟调整时间和设置闹钟等功效。蜂鸣器提供整点报时和闹钟时间提醒功效。 三、系统软件 以下图6为软件工作步骤图 图6 软件工作步骤图 四、设计总结 电子纸含有二稳态这一优势，即在断电后仍能保持显示，而且功耗极低。电子纸已经得到了广泛应用。本设计采取电子纸作为显示设备将会使电子闹钟工作时间大大延长，使用愈加方便。 当然，在设计中仍然有值得提升地方。如能够使用电子纸显