基于電子紙的節(jié)能電子鬧鐘系統(tǒng)設(shè)計

1、 基于電子紙的節(jié)能電子鬧鐘系統(tǒng)設(shè)計電子紙是新一代顯示裝置，它具有超低功耗、超寬視角、高對比度、高反射、無需背光源純反射模式、雙穩(wěn)態(tài)顯示、防強光等特點。當(dāng)電子紙微膠囊做于柔性基板上，則其具有和紙一樣的可彎曲的特性，而且顯示的視覺感官效果幾乎和紙張一樣。電子紙對比其他顯示裝置如LED、LCD等更加節(jié)能，觀看效果更佳。本設(shè)計采用電子紙作為電子鬧鐘的顯示屏幕，使用時基芯片DS1302提供精準(zhǔn)的年月日及時分秒，溫度傳感器LM75A提供實時溫度信息，單片機MSP430作為控制系統(tǒng)，干電池供電?？傮w具有工作電壓寬，耗能低，工作時間長，顯示界面清新等優(yōu)良特點。對時基芯片采取雙電源供電即可避免更換電池重調(diào)時間的

2、繁瑣。整體都采用低耗能、寬電壓工作器件，有效延長電池的工作時間。一、電子紙顯示器的基本原理本設(shè)計采用大連佳顯電子的2.1寸電子紙，型號為GDE021A1。1. 基本性能特點（1）分辨率為172X72，顯示區(qū)域48.16X20.16，四灰階數(shù)可顯示黑、白、灰階，對比度達10:1，反射率35%，運行溫度為050。雙穩(wěn)態(tài)性，只在電子紙刷新時耗電。（2） 刷新時間300ms,響應(yīng)時間100ms,使用壽命（無故障刷新次數(shù)）：100萬次以上。（3） 超低功耗，只在改變顯示內(nèi)容時耗電，刷新時的功耗為0.012mW/cm2。工作電壓2.4V3.3V。（4）串行外設(shè)接口，內(nèi)置振蕩器，波形存儲在片上OTP，采用C

3、OG封裝, IC厚度250um。2. 電子紙的工作原理電子紙（賽倫紙）技術(shù)是一種“微膠囊電泳顯示”技術(shù)。其基本原理是懸浮在液體中的帶電納米粒子受到電場作用而產(chǎn)生遷移。電子紙是一種薄膜狀的材料，它是由成千上萬個微小的膠囊狀顆粒（稱為微膠囊）涂在一種塑料基材上而制成的。微膠囊是電子紙的基本單元，它里面包含了兩種不同顏色的納米粒子。電子紙的工作原理如圖所示: 圖1.賽倫顯示器工作原理賽倫紙膜片是賽倫紙顯示模組的核心材料，負責(zé)顯示人眼實際看到的圖案。底板作為賽倫紙顯示器的像素電極（下電極），用于控制賽倫紙每個像素的黑白變化。賽倫紙膜片可通過層壓的方式貼合在底板上。驅(qū)動芯片可根據(jù)控制指令和信號產(chǎn)生相應(yīng)的

4、邏輯電平和時序，用于控制底板每個像素（或段碼）的工作時序和狀態(tài)，并使賽倫紙能夠顯示所需圖案。賽倫紙顯示器無需背光源，其次，具有雙穩(wěn)態(tài)性。即當(dāng)顯示靜態(tài)圖像的時候，賽倫紙可以完全不耗電，換句話說，就是即使斷開所有電源，賽倫紙顯示器依然能夠保留最后一幅畫面。3. GDE021A1的引腳功能GDE021A1采用COG（chip on glass）封裝，引腳排布如圖2所示。VccIO、VCI接由兩節(jié)干電池串聯(lián)供電+3V。其中電源+3V需進行升壓處理以提供電子紙刷新需要的高電壓。具體升壓電路及引腳連接如圖3所示。為片選端，低電平有效。是數(shù)據(jù)/命令控制引腳，與MCU以4線SPI模式相連。當(dāng)為高電平，表明D1

5、輸入為數(shù)據(jù)；當(dāng)為低電平時，表明D1輸入為命令字。BUSY為忙狀態(tài)引腳，當(dāng)芯片忙碌該引腳輸出為高電平，不忙碌時輸出為低電平。該引腳可以提供MCU查詢，當(dāng)處于不忙碌時MCU則可以向GDE021A1輸入控制命令或者顯示數(shù)據(jù)。BS1為接口選擇控制端，當(dāng)BS1為低電平，與MCU執(zhí)行3線SPI模式傳輸；當(dāng)BS1為高電平，與MCU執(zhí)行4線SPI模式傳輸。TSCL和TSDA為GDE021A1與溫度傳感器的I2C接口。 圖2 GDE021A1引腳功能 圖3 升壓控制連接示意圖 圖4 GDE021A1的工作流程圖 圖5 GDE021A1工作時序圖4. GDE021A1的工作過程GDE021A1的工作流程圖如圖4所

6、示。其中方框中的步驟需要查GDE021A1手冊中的命令字和數(shù)據(jù)傳輸格式對電子紙顯示器進行操作。二、電子紙節(jié)能鬧鐘設(shè)計各模塊電路如下圖5為電子紙節(jié)能鬧鐘的總體設(shè)計電路1.MCU中央控制電路中央控制電路使用MSP430，該芯片是美國德州儀器（TI）的一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器（Mixed Signal Processor）基于閃存或 ROM 的超低功耗 MCU，提供 8MIPS，工作電壓為 1.8V - 3.6V，具有高達 60KB 的閃存和各種高性能模擬及智能數(shù)字外設(shè)。超低功耗低至：0.1uA （保持模式）， 0.7uA （實時時鐘模式）， 200uA/MIP

7、S （工作模式） ，在 6us 之內(nèi)快速從待機模式喚醒。MSP430 系列單片機能在25MHz晶體的驅(qū)動下，實現(xiàn)40ns的指令周期。LM75AMSP430具有寬電壓工作范圍，可以提高電池利用率。響應(yīng)速度快，對于數(shù)據(jù)處理更加靈活，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法（如FFT）。2.溫度采集模塊溫度采集模塊選取LM75A。LM75A 是一個使用了內(nèi)置帶隙溫度傳感器和 -模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它也是一個溫度檢測器，可提供一個過熱檢測輸出。LM75A 包括許多數(shù)據(jù)寄存器：配置寄存器（Conf），用來存儲器件的某些配置，如器件的工作模式、OS 工作模式、OS 枀性和OS 故障隊列等（在功能描述一節(jié)中

8、有詳細描述）；溫度寄存器（Temp），用來存儲讀取的數(shù)字溫度；設(shè)定點寄存器DS1302（Tos & Thyst），用來存儲可編程的過熱關(guān)斷和滯后限制，器件通過2 線的串行I2C 總線接口與控制器通信。LM75A 還包括一個開漏輸出（OS），當(dāng)溫度超過編程限制的值時該輸出有效。LM75A 有3個可選的邏輯地址管腳，使得同一總線上可同時連接8個器件而不產(chǎn)生地址沖突。低功耗設(shè)計，工作電流典型值為250uA，掉電模式為3.5uA。測量的溫度最大范圍為-55+125。 寬工作電壓范圍：2.8V5.5V。提供了良好的溫度精度（0.125）。3.時鐘電路使用DS1302為電子鬧鐘提供實時時鐘信息。DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗的實時時鐘芯片，附加31字節(jié)靜態(tài)RAM，采用SPI三線接口與MCU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號和RAM數(shù)據(jù)。實時時鐘可提供秒、分、時、日、星期、月和年，一個月小于31天時可以自動調(diào)整，且具有閏年補償功能。工作電壓寬達2.55.5V。4.其他輔助電路按鍵電路和蜂鳴器電路是電子鬧鐘的輔助電路。按鍵電路主要提供鬧鐘調(diào)整時間和設(shè)置鬧鐘等功能。蜂鳴器提供整點報時和鬧鐘時間提醒功能。三、系統(tǒng)軟件如下圖6為軟件工作流程圖： 圖6 軟件工作流程圖四、設(shè)計總結(jié)電子紙具有二穩(wěn)態(tài)這一優(yōu)勢，即在斷電后仍能保持顯示，而且功耗極低。電