做了一个能常亮24天的多功能时钟，也是一个指南针！

为什么它能续航这么久？我做对了什么？(见第3章)

其有哪些功能？(见第1章)

硬件设计注意事项？(见第2章)

下面就一一为你解答！

一、时钟的功能/亮点展示

1.指南针功能

使用时先原地慢慢转一圈即可校准。

此模式下功耗：1.3mA。

2.TV模式（时钟等基础显示）

40秒显示时间，电池电量。

此模式下功耗：1.7~1.9mA

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）

3.菜单设置

设置了三级菜单。

主菜单：见图，这里预设了16个二级菜单。

滚动时总功耗：2mA

二级菜单：见图，按确定进行设置

滚动时总功耗：4mA

三级菜单：见图，按确定进行设置

页面总功耗：1.4mA

支持开发：水平尺、增量闹钟、秒表、手电筒、系统设置、工厂模式

未来加入亮度自动调节机制，可坚持超过一个月

二、硬件说明

使用STC32F12K54芯片作为主控，在TV模式可运行大约24天，以下是相关电路图。

控制板原理图

控制板PCB图

电源板原理图

电源板PCB图

1.控制板参数介绍

主控：STC32F12K541.3寸OLED：SSD1315（使用SPI）温湿度计：SHT40气压计：SPL-06RTC：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

2.电源板参数介绍

电源板2.8V空载，5V OFF的情况下，待机电流1.6uA（电池3.83V）

DC-DC锂电池充电：ME4059ASPG-N）锂电池保护：ME4211AM6GDC-DC降压（主板供电）：TPS62740DSSRDC-DC升压（OLED供电）：MT9700+MT3608L，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充电电流检测：INA181A2IDBVT+50mΩ电阻

三、续航24天，我做对了什么？

本项目之所以可以这么省电，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。

但，事情怎么会这么简单呢？

1.发现的第一个问题

之前做第一代第二代时钟的时候，就发现一个事情：

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31×6=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。

解决思路

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。

2.第二个问题

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？

解决思路

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

3.第三个问题

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？

解决思路

为了解决这个问题，我想了个办法：

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。

4.第四个问题

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。

解决思路

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。

5.最后一步，将MCU性能榨干

事情还没有结束，我们还可以进一步降低功耗，争取榨干MCU性能！

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，直至榨干最大性能价值……

参考资料：

[1]开源资料https://oshwhub.com/yq-qvq/low-power-consumption-for-24-days-desktop-clock

— 完 —

嘉立创EDA·头条号

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