Электронные компоненты для ремонта и хобби

Усовершенствованный барометр-термометр-гигрометр с E-ink дисплеем. Часть 1. Принципиальные схемы

Silicon Labs EFM8SB10F8-QFN20

- Москва

В статье приведены принципиальные схемы, программные средства, разводка плат, конструкция и результаты работы барометра-термометра-гигрометра на базе МЭМС-датчика BME280, микроконтроллера (MK) EFM8SB10F8 и E-ink дисплея с разрешением 128×250 пикселей с питанием от таблеточной батарейки CR2477, позволяющей непрерывную работу прибора в течение, как минимум, 10 лет при обновлении показаний давления, температуры и влажности раз в 5 минут.

ER10450 – литий-тионилхлоридная батарейка FANSO EVE Energy формата ААА

Введение

В последние несколько лет в широкой продаже появились дисплеи, которые называют электронными чернилами (E-ink) или электронной бумагой (E-paper). Эти дисплеи обладают одним интересным свойством: они потребляют энергию (ток в несколько мА) только во время обмена информацией с МК (это несколько секунд), а в так называемом режиме сна (sleep-режим) потребление тока существенно снижается до нескольких мкА. При этом информация на дисплее сохраняется как в sleep-режиме, так и вообще при отключении питания. Применение таких дисплеев сдерживалось их относительно высокой ценой (от 1000 руб. и более с разрешением, например, 152×152 или 104×212 пикселей) и, кроме того, достаточно узким температурным диапазоном (0 – +30 °C).

Однако в последние пару лет появились новые E-ink дисплеи, цена которых снизилась почти в три раза (до 300 – 400 руб. с тем же и даже большем разрешением – до 128×250 пикселей), а их температурный диапазон стал заметно шире – от –20 °C до +50 °C. Кроме того, в новых E-ink дисплеях потребление тока в sleep-режиме снизилось до нескольких десятых долей мкА. В статье автора [1] описан барометр-термометр-гигрометр на базе BME280, MK EFM8SB10F8 с 8-разрядным 7-сегментным ЖКИ RND0007-PAN-#00. Если BME280 и EFM8SB10F8 в sleep-режиме потребляют токи всего 0.1 мкА и 0.5 мкА, соответственно, то подобный ЖКИ, для которого отсутствует режим сна и который должен постоянно работать (иначе изображение пропадёт), потребляет ток около 20 мкА. Хотя такой ток и достаточно мал, время работы подобного прибора при питании от используемой литиевой батарейки CR2477 емкостью около 1 А·ч, по подсчетам автора, не превысит 5 лет.

Автор задался вопросом: а нельзя ли в подобном приборе заменить ЖКИ относительно новым E-ink дисплеем с разрешением, например, 128×250 пикселей, потребление тока которого в sleep-режиме около 0.6 мкА? Но подобное разрешение предполагает существенно бóльшую программную память МК (по сравнению с примитивным обменом с ЖКИ), поскольку, как будет видно из дальнейшего изложения, каждый символ такого дисплея должен быть расположен на поле в 48×27 пикселей и потребует 162 байта программной памяти, а при их количестве 16 (10 цифр и 6 специальных символов, отражающих размерность измеренных физических величин) программная память увеличится примерно на 2.6 КБ (2592 байта). И хватит ли программной памяти EFM8SB10F8 (8 КБ) для функционирования подобного прибора? Как оказалось впоследствии, применение E-ink дисплея в таком приборе вполне возможно, и программной памяти МК также хватило (и даже еще осталось неиспользованными около 0.5 КБ). А поскольку потребление тока подобного дисплея в режиме сна всего 0.6 мкА, то время работы прибора при обновлении информации на экране дисплея раз в 5 минут, по подсчетам автора, составит более 10 лет при питании от батарейки CR2477 (срок службы которой не превышает 10  лет).

Принципиальные схемы

Как видно из Рисунка 1, схема платы с МК EFM8SB10F8-QFN20 (DD1) очень проста. RC-цепочка R1R2C1 предназначена как для штатной работы МК при включении питания (она затягивает низкое состояние сигнала RST, требующееся по штату работы, на время заряда конденсатора C1), так и в режиме программирования по интерфейсу C2 с помощью сигналов RST и C2D (резистор R2 дает возможность легко управлять сигналом RST от этого интерфейса). Эти два сигнала (RST и C2D) и «земля» выведены на разъем X2, к которому ответным гнездом подключается кабель сопряжения с USB DEBUG адаптером, который, в свою очередь, сопрягается с компьютером по интерфейсу USB (схему сопряжения можно найти в [2]). Второй вариант программирования МК – по интерфейсу RS-232 через COM-порт компьютера (COM1) с помощью двух сигналов TxD и RxD. Эти два сигнала (TxD, RxD), «земля» и питание (+3 В) выведены на разъем X1, к которому ответным гнездом подключается кабель от преобразователя уровней сигналов интерфейса RS-232 в уровни TTL и обратно, а этот преобразователь уровней, в свою очередь, подключается к порту COM1 компьютера (схемы и программные средства этого режима программирования приведены в [3]).

Схема платы МК.
Рисунок 1. Схема платы МК.

Интерфейс сопряжения МК с BME280 и дисплеем один и тот же – SPI. Для сопряжения с BME280 используется штыревой разъем X5, к которому ответным гнездом (X5', Рисунок 2б) подключается кабель, второй конец которого также ответным гнездом (X1', Рисунок 2б) подключается к штыревому разъему (X1, Рисунок 2в) модуля с BME280.

Схемы кабелей: (a) - кабель питания, (б) - кабель подключения к BME280, (в) - модуль BME280, ( г) - кабель подключения к дисплею.
Рисунок 2. Схемы кабелей: (a) – кабель питания, (б) – кабель подключения к BME280, (в) – модуль BME280,
( г) – кабель подключения к дисплею.

Для сопряжения с дисплеем используется штыревой разъем X4, к которому ответным гнездом (X4', Рисунок 2г) подключается кабель, второй конец которого (X1', Рисунок 2г) подключается к разъему платы дисплея (X1, Рисунок 3). Если для сопряжения с BME280 используется полный (двунаправленный) интерфейс SPI (сигналы MOSI, MISO и SCK), т.е. в/из BME280 передается/принимается информация, то для сопряжения с дисплеем (точнее, с его платой – см. далее) используется однонаправленный интерфейс SPI (сигналы MOSI и SCK), или, другими словами, в дисплей только передается информация. Скорость обмена по SPI – 5 МБод. Сигналы выбора кристалла CS для BME280 и дисплея разные: CSB и SCD, соответственно. Обмен по SPI идет с тем устройством, у которого состояние CS низкое (лог. 0). Помимо сигналов интерфейса SPI (и CSD) в плату дисплея передаются сигналы D/C (Data/Command – данные/команда) и RES (сброс) и принимается сигнал BUSY (занято).

Схема платы E-ink дисплея.
Рисунок 3. Схема платы E-ink дисплея.

Питание на плату МК подается на штыревой разъем X3 (+3 В и «земля»), к которому ответным гнездом (X3', Рисунок 2а) подключается кабель, вторая сторона которого подключается к батарейке (BAT1, Рисунок 2а). Если батарейка оборудована двумя приваренными контактами (как в нашем случае – см. далее), то на вторую сторону этого кабеля припаиваются два цанговых гнезда, которые надеваются на контакты батарейки. Если батарейка без контактов, то можно использовать для неё батарейный отсек. В этом случае два провода второй стороны кабеля просто припаиваются к контактам этого отсека.

Все резисторы и конденсаторы (керамические) в схеме на Рисунке 1 – для поверхностного монтажа размером 0603. Простота схемы Рисунок 1 позволила легко развести плату МК, размер которой составил всего 12×15 мм.

Для сопряжения дисплея с МК в большинстве случаев используются два типа контроллеров: UC8151 или SSD1675 (или их различные варианты). Их описания легко найти в Интернете. Оба контроллера уже встроены в дисплеи. Из дисплея выходит плоский шлейф с 24-мя контактами с шагом 0.5 мм. Для сопряжения этого шлейфа с МК используется специальная плата (Рисунок 3). Причем, схема такой платы для обоих контроллеров практически одна и та же. Схемы для каждого контроллера различаются только тремя компонентами: индуктивностью дросселя L1*, номиналом резистора R2* и наличием или отсутствием конденсатора C3*, подключенного к контакту 4 разъема X2, к которому подключается шлейф дисплея. Для контроллера UC8151 индуктивность L1* = 10 мкГн с максимальным током 1 A, номинал R2* = 0.47 Ом и номинал C3* = 1.0 мкФ/50 В; для SSD1675 L1* = 47 мкГн/0.25А, R2* = 2.2 Ом, а конденсатор C3* отсутствует (контакт 4 (NC – No Connect) никуда не подключается). Кстати, по наличию или отсутствию контакта 4 в шлейфе легко определить, какой тип контроллера используется (в нашем случае это SSD1675).

Назначение платы – формирование высоких напряжений +20 В (сигнал PREVGH) и –20 В (PREVGL) с помощью DC/DC преобразователя, построенного на базе транзистора VT1, дросселя L1*, диодов VD1 – VD3 и конденсаторов C1, C2. Для работы DC/DC преобразователя на затвор транзистора VT1 из контроллера подается меандр частотой около 1 МГц (сигнал GDR). Конденсаторы C3* – C12 требуются для штатной работы контроллера. Диоды VD1 – VD3 (в оригинальной схеме – это MBR0530) были заменены диодами PMEG3010 в более компактном корпусе. Кроме того, PMEG3010 по сравнению с MBR0530 имеют меньшее прямое падение напряжения и больший максимальный ток (1 А против 0.5 А у MBR0530).

Рекомендуемую производителем дисплея катушку индуктивности L1* автору найти не удалось, поэтому она была намотана на ферритовом кольце из материала М2500НМС1 (µ = 2500) к4х2,5х1,2 размером (D/d/h) 4×2.5×1.2 мм тройным проводом ПЭЛ-0,22. Чтобы не поцарапать лак обмоточного провода, перед его намоткой острые кромки кольца были скруглены. При количестве витков 12 измеренная индуктивность составила 49 мкГн, а омическое сопротивление – 0.05 Ом (что и требуется). Можно также использовать аналогичное кольцо из материала М2000 (µ = 2000), но количество витков должно соответствовать индуктивности около 50 мкГн. К разъему X1, как указано выше, подключается кабель сопряжения с МК (Рисунок 2г). Все резисторы и конденсаторы, кроме C2, – для поверхностного монтажа размером 0603 (C1 – 0805). Конденсатор C2 – выводной. На его выводы надет фторопластовый кембрик (тефлоновая трубка).

Схема Рисунок 3, как можно убедиться, также не отличается особой сложностью, поэтому легко разводится, а плата имеет размер 20×23 мм.

Ссылки

  1. e-paper-display.com
  2. good-display.com
  3. mikroe.com

Литература

  1. Кузьминов А. Барометр-термометр-гигрометр с питанием от таблеточной батарейки.
  2. Кузьминов А. Ю. Связь между компьютером и микроконтроллером. Современные аппаратные и программные средства. М.: «Перо». 2018.
  3. Кузьминов А. Программирование микроконтроллеров EFM8 с помощью встроенного загрузчика программ. Радио. 2018. № 12.

Материалы по теме

  1. Datasheet Bosch Sensortec BME280
  2. Datasheet Silicon Labs EFM8SB10F8-QFN20
  3. Datasheet Nexperia PMEG3010EH
  4. Datasheet Vishay Si1308EDL
  5. Datasheet Good Display GDEH0213Z98

Загрузки

  1. Дополнительные материалы к статье

Окончание

Содержание цикла «Усовершенствованный барометр-термометр-гигрометр с E-ink дисплеем»

  1. Часть 1. Принципиальные схемы
  2. Часть 2. Программные средства
13 предложений от 6 поставщиков
SILICON LABS - EFM8SB10F8A-A-QFN24 - 8 Bit MCU, EFM8 Family EFM8SB Series Microcontrollers, 25 МГц, 8 КБ, 512 Байт, 24 вывод(-ов),...
ЭИК
Россия
EFM8SB10F8A-A-QFN24
1.08 ₽
T-electron
Россия и страны СНГ
EFM8SB10F8G-A-QFN20
Silicon Labs
53 ₽
Элитан
Россия
EFM8SB10F8G-A-QFN20
Silicon Labs
166 ₽
EFM8SB10F8A-A-QFN24
Silicon Labs
от 369 ₽
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя