Современная электроника №7/2022

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 48 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2022 Барометр-гигрометр-термометр с батарейным питанием на базе MEMS-датчика BME280, микроконтроллера EFM8SB10F8 и ЖКИ-модуля H1313. Часть 1 В статье приведены принципиальная схема, разводка плат и конструкция барометра-гигрометра-термометра на базе MEMS-датчика BME280 (компании Bosch Sensortec), нового микропотребляющего 51-совместимого микроконтроллера (МК) EFM8SB10F8 (Silicon Laboratories) и ЖКИ-модуля H1313 на базе контроллера HT1616 (Holtek). Для питания устройства могут быть использованы либо две мизинчиковые литиевые батарейки FR03 по 1,5 В, либо литиевая батарейка CR2477 (таблетка) с напряжением 3 В. Ёмкости батареек (около 1 А ⋅ ч) достаточно для работы прибора как минимум 10 лет при обновлении показаний атмосферного давления, влажности и температуры раз в 5 минут. Алексей Кузьминов (г. Москва) Введение Барометры-гигрометры-термометры на базе BME280 широко распростране- ны. Однако все они либо требуют отдель- ного сетевого источника питания, либо достаточно ёмких аккумуляторов, нуж- дающихся в частой перезарядке. Изред- ка можно найти в Интернете подобные устройства с питаниемот батареек, одна- ко срок их работы недолог, и батарей- ки часто требуется менять. Такое поло- жение вещей объясняется тем, что все эти устройства для своей работыпотре- бляют значительнуюэнергию, понизить которуюне позволяют три причины. Во-первых, в большинстве случаев в таких устройствах используют широ- ко распространённые 32-разрядные МК (в платах типа Arduino, Raspberry Pi и т.п.), STM32 и им подобные, потребля- ющие значительный ток (десятки мА). Изредка можно встретить 8-разрядные МК с небольшим энергопотреблением, использующиеся для подобных целей, однако и они даже в режиме сна потре- бляют ток до нескольких мкА. Во-вторых, хотя BMЕ280 позволяет производить обмен данными с МК по двум интерфейсам SPI и I 2 C, в 99% слу- чаев связь МК с BMЕ280 производится по низкоскоростному двухпроводному интерфейсу I 2 C, требующему наличия достаточно низкоомных нагрузочных резисторов, подключённых к питанию, которые потребляют значительный ток (до единиц мА). Низкая скорость I 2 C определяется, физическими свой- ствами этого интерфейса, – достаточно сложным протоколом обмена данными BMЕ280 с МК, который тратит на такой обмен много времени (и программной памяти). I 2 C целесообразно использо- вать, когда к МК подключены несколь- ко устройств на одну и ту же 2-прово- днуюшину, но если подключено всего одно устройство (например, BMЕ280), то использование этого интерфейса становится бессмысленным (если не сказать безграмотным). В отличие от I 2 C интерфейс SPI не требует никаких резисторов для своего функционирова- ния: связь МК и BMЕ280 осуществляет- ся напрямую. Кроме того, SPI имеет на порядок бо ′ льшую скорость обмена (до 10 Мбод у МК EFM8SB10F8 и BMЕ280) благодаря своей физической реализа- ции и примитивному протоколу обме- на, из-за чего обмен информацией МК и BMЕ280 занимает очень короткое вре- мя. А чем меньше это время, тем мень- ше работают МК и BMЕ280 в активном режиме, потребляя ток до единиц мА, в отличие от режима сна (sleep-режим), в котором МК и BMЕ280 потребля- ют десятые доли мкА (EFM8SB10F8 – 0,5 мкА, BMP280 – 0,1 мкА). Поэтому если такой обмен информацией идёт, например, раз в 5 минут (за такое вре- мя давление, температура и влажность вряд ли существенно изменятся), а всё остальное время чип находится в состо- янии сна, то общее потребление энер- гии подобного устройства существен- но снижается. В-третьих, устройства, связанные с высоким потреблением тока, – это средства отображения измерительной информации. В подавляющем большин- стве устройств, использующих BME280, в качестве таких средств применяют- ся светодиодные индикаторы, потре- бляющие до десятков, а то и сотен мА. Реже используются матричные OLED- дисплеи (20–50 мА). Иногда можно най- ти устройства, где используются матрич- ныеЖК-дисплеи, потребляющие ток до нескольких мА. В то же время имеются семисегментныеЖКИ, потребление тока которых составляет всего несколькомкА (максимум до 20 мкА), но устройства на базеМКи BME280 с такимиЖКИ встре- чаются крайне редко, и они, как прави- ло, используют МК с достаточно высо- ким потреблением тока. Здесь необходимо добавить, что в последнее время в широкой продаже появились дисплеи, которые получи- ли название «электронная бумага» – E-paper или «электронные чернила» – E-inc. Это матричные дисплеи с разре- шением 158 × 158 или 200 × 200 пиксе- лов (наиболее дешёвые и востребован- ные варианты). Потребление тока у них существенно выше (до нескольких мА), чем у ЖКИ, но только во время обмена информацией с МК. Зато когда обме- на нет, эти дисплеи вообще ничего не потребляют, т.е. они сохраняют инфор- мацию на экране даже при выключе- нии питания и причем достаточно дол- гое время (до нескольких месяцев и более). Кроме того, некоторые из таких дисплеев имеют возможность обнов- лять информацию не всего экрана, а только определённой его области, что существенно снижает их энергопотре- бление. Применительно к BME280 это означает, что можно, например, выве- сти в определённую область экрана слова «Давление», «Влажность», «Тем- пература» один раз, а обновлять толь- ко цифровые значения этих физиче- ских величин в другой области экрана. Матричное строение таких дисплеев, конечно, требует большего объёма