基于电子纸的节能电子闹钟系统设计

基于电子纸的节能电子闹钟系统设计

电子纸是新一代显示装置，它具有超低功耗、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，则其具有和纸一样的可弯

曲的特性，而且显示的视觉感官效果几乎和纸张一样。电子纸对比其他显示装置如LED、LCD等更加节能，观看效果更佳。

本设计采用电子纸作为电子闹钟的显示屏幕，使用时基芯片DS1302提供精准的年月日及时分秒，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。总体具有工作电压宽，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

电池重调时间的繁琐。整体都采用低耗能、宽电压工作器件，有效延长电池的工作时间。

一、电子纸显示器的基本原理

本设计采用大连佳显电子的2.1寸电子纸，型号为GDE021A1。

1.基本性能特点

（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

10:1，反射率35%，运行温度为0~50℃。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，刷新时的功耗为0.012mW/cm2。工作电压2.4V~3.3V。

（4）串行外设接口，内置振荡器，波形存储在片上OTP，采用COG封装,IC厚度250um。

2.电子纸的工作原理

电子纸（赛伦纸）技术是一种“微胶囊电泳显示”技术。其基本原理是悬浮在液体中的带电纳

米粒子受到电场作用而产生迁移。电子纸是一种薄膜状的材料，它是由成千上万个微小的胶囊状颗

粒（称为微胶囊）涂在一种塑料基材上而制成的。微胶囊是电子纸的基本单元，它里面包含了两种

不同颜色的纳米粒子。电子纸的工作原理如图所示:

图1.赛伦显示器工作原理

赛伦纸膜片是赛伦纸显示模组的核心材料，负责显示人眼实际看到的图案。底板作为赛伦纸显

示器的像素电极（下电极），用于控制赛伦纸每个像素的黑白变化。赛伦纸膜片可通过层压的方式贴

合在底板上。驱动芯片可根据控制指令和信号产生相应的逻辑电平和时序，用于控制底板每个像素

（或段码）的工作时序和状态，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，具有双稳态性。即当显示静态图像的时候，赛伦纸可以完全不耗电，换句话说，就是即使断开所有电源，赛伦纸显示器依然能够保留最后一幅画面。

3.GDE021A1的引脚功能

GDE021A1采用COG（chip on glass）封装，引脚排布如图2所示。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的高电压。具体升压电路及引脚

连接如图3所示。cs为片选端，低电平有效。D/C是数据/命令控制引脚，与MCU以4线SPI模式相

连。当D/C为高电平，表明D1输入为数据；当D/C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。该引脚可以提供MCU查询，当处于不忙碌时MCU则可以向GDE021A1输入控制命令或者显示数据。BS1为接口选择控制端，当BS1为低电平，与MCU执行3线SPI模式传输；当BS1为高电平，与MCU执行4线SPI模式传输。TSCL和TSDA为GDE021A1与温度传感器的I2C接口。

*

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24NC

GDR

RESE

VGL

VGH

TSCL

TSDA

BSI

BUSY

nRES

nDS

nCS

D0

D1

VCCIO

VCI

VSS

VDD

VPP

VSH

PREVGH

VSI

PREVGL

VCOM

串串串串串

串串串串串串串串

串串串串串串

串串串串串串

串串串串串I2C串

串串串串串I2C串

SPI串串串串串

串串串串串串串串

串串串串

串串/串串串串串串

串串

串串串串串SPI串

串串串串串SPI串

串串串串串串

串串串串串串

串

图2GDE021A1引脚功能图3升压控制连接示意图

重置

忙碌N Y

送显示数据

激活电子纸显

示更新

Y

初始化

忙碌N

Y

忙碌

N

关闭激活

驱动

图4GDE021A1的工作流程图

图5GDE021A1工作时序图

4.GDE021A1的工作过程

GDE021A1的工作流程图如图4所示。其中方框中的步骤需要查GDE021A1手册中的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

如下图5为电子纸节能闹钟的总体设计电路

2 1

2 1

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 ）的一种 16 位超低功耗、具有精简指 令集（RISC ）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor ）基于闪存或 ROM 的超低功耗 MCU ， 提供 8MIPS ，工作电压为 1.8V - 3.6V ，具有高达 60KB 的闪存和各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 晶体的驱动下，实现 40ns 的指令周 期。

MSP430 具有宽电压工作范围，可以提高电池利用率。响应速度快，对于数据处理更加灵活， 能实现数字信号处理的某些算法（如 FFT ）。 2.温度采集模块

温度采集模块选取 LM75A 。LM75A 是一个使用了内置带隙温度传感 器和 Σ- 模数转换技术的温度-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 包括许多数据寄存器：配置寄存器 （Conf ），用来存储器件的某些配置，如器件的工作模式、OS 工作

模式、OS 枀性和 OS 故障队列等（在功能描述一节中有详细描述）；

温度寄存器（Temp ），用来存储读取的数字温度；设定点寄存器 LM75A

（Tos & Thyst ），用来存储可编程的过热关断和滞后限制，器件通过 2 制器通信。LM75A 还包括一个开漏输出（OS ），当温度超过编程限制的值时该输出有效。LM75A 有 3 个可选的逻辑地址管脚，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，工作电流典型值为 250uA ，掉电模式为 3.5uA 。测量 的温度最大范围为-55℃～+125℃。 宽工作电压范围：2.8V ～5.5V 。 提供了良好的温度精度（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

DS1302

S2 3 V CC V CCE P D

2

1 C1 SW -S PD T 1uF/6V

BT1

GND

CR230

GND

串串串串

D1 BA T54S

P REV GL

C3 C15

2.2uF/50V

2.2uF/50V

L122uH

V CCE P D GND PREVGH

D2

C2 GDR T1 MB R0530 C4

Si 1304BDL 1uF/50V

4.7uF/6V

R9

RESE 3k GND

GND GND

EPDDC -DC 串串

U2

V CCEPD R1 1K TSDA 1 8

SDA V+ R2 1K TSCL 2 7 SCL A 0 3 6 ALER T A 1 4 5

GND A2

LM75A

GND

串串串串串串串

U3

I/O 7 P3.5 3 6 P3.6

X2 SCLK 5 P3.7

RST V C C

Y2 1

V CC2 32.768K 2 8

X1 V CC1

DS1302

GND 串串串串

*

1 NC

GDR 2 GDR RESE 3 GND RESE C5 1uF/25v 4 VGL

C6 1uF/25v 5 VGH

TSCL 6 TSCL TSDA 7 TSDA

8 GND B SI B U SY 9 BU SY

nRES 10 nRES nDC 11 n DS nCS 12 nCS SCLK 13 D0 SDA 14 D1

15 V CCIO

V CCE P D 16 V CI

17 GND V SS C7 1uF/6V VDD 18 GND VDD

V PP 19 V PP

C8 1uF/25V V SH 20 V SH

PREVGH 21 PREVGH

C9 1uF/25V V SL 22 V SI

P REV GL 23 PREV GL

C10 1uF/6V VCOM 24 VCOM

GDE 021A 1

GND

EPD 串串串串

V CC

R16

P3.4 Q5

1K 8550

LS1

GND

串串串串串 Speaker

U1

SB WTCK 1 38 SDA

TEST/SBWTCK P1.7 2 37 SCLK V CC DVCC P1.6 3 36 nCS P2.5/ROSC P1.5 4 35 n DC GND DVSS P1.4 5 34 nRES XOU T/P2.7 P1.3 6 33 B U SY

XIN/P2.6 P1.2 SB WTDIO 7 32 TSCL

RS T/NMI/SB WTDIO P1.1 Y1 P2.0 8 31 TSDA

P2.0 P1.0 32.768K P2.1 9 30 P2.1 P2.4 P2.2 10 29 P2.3

P2.2 P2.3 11 28 P3.0/U CISEE/U COCLK P3.7 12 27 P3.1/U CISEMO/U CISDA P3.6 13 26 P3.2/U CISOMI/U CISCL P3.5 14 25 P3.4

P3.3/UCICLK/C0STE P3.4 15 24 AVSS P4.7 16 23 AVCC P4.6 17 22 P4.0 P4.5 18 21 P4.1 P4.4 19 20

P4.2 P4.3

M S P340

M CU 串串串

V C C

R2

S1

P2.0

1K S3 R3 P2.1

1K S4 R6 P2.2

1K S5

R7 P2.3

1K

串串串串串串 GND